Опыт применения устройств защитного отключения для предупреждения пожаров в зданиях Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.311.6

ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ ДЛЯ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ПОЖАРОВ В ЗДАНИЯХ

В. К. Монаков

Московский энергетический институт

В. В. Смирнов

ООО "Современные противопожарные технологии"

Рост энерговооруженности в последние десятилетия во всех областях деятельности человека, в том числе и резкое увеличение применения электроприборов в быту, естественным образом повлекли за собой пожары по электротехническим причинам. Статистические данные показывают, что в России около 20% пожаров ежегодно происходят по причине возгорания электропроводки и электротехнических приборов в результате теплового воздействия тока при перенапряжениях, сверхтоках, токах утечки, искрения и при наличии плохого контакта. При тепловом воздействии электрического тока происходит оплавление изоляции проводов, которое в конечном итоге приводит к наиболее пожароопасному режиму — короткому замыканию.

Сложившаяся ситуация могла резко ухудшиться, если бы Главгосэнергонадзором России совместно с другими организациями не было принято решение о выполнении в зданиях групповой сети трехпроводными линиями — фазный, нулевой рабочий и нулевой защитный проводники. В основном это касалось повышения уровня электробезопасности в электроустановках жилых и общественных зданий.

Аналогичные системы электроснабжения были уже признаны практически во всех странах Европы, при этом следует учесть, что безопасность потребителя обеспечивается не собственно системами электроснабжения, а возможностью применения в них современных устройств защитного отключения (УЗО) (рис. 1). Опыт эксплуатации этих устройств показал, что помимо обеспечения электробезопасности снижается на 20 - 30% количество пожаров по электротехническим причинам. Такое снижение обусловлено тем, что УЗО, реагируя на ток утечки на землю или защитный проводник, заблаговременно, до развития в короткое замыкание, отключает электропроводку от источника питания.

Откуда возникает ток утечки? В месте повреждения изоляции между находящимися под напряжением проводниками начинает протекать крайне

малый ток, который под воздействием пыли и влаги образует токопроводящие мостики, и происходит постепенное обугливание проводящего канала. Величина тока при этом постоянно увеличивается и достигает такой величины, что энергии, выделившейся в месте повреждения изоляции, достаточно для воспламенения последней. В зависимости от марки и типоразмера провода эта энергия может колебаться от нескольких сотен до тысяч джоулей.

Учитывая новизну для России применения указанных выше устройств, ГУ ГПС МВД России и Главгосэнергонадзор России совместным решением организовали проведение эксперимента в ряде регионов России. Это позволило решить прежде всего вопросы нормативного и правового характера, т.к. нормативное обеспечение на момент начала эксперимента сводилось в основном только к применению требований ГОСТ 12.4.155-85 "Устройства защитного отключения. Классификация. Общие требования" и ГОСТ Р 50807 (МЭК 775-83) "Устройства защитные, управляемые дифференциальным (остаточным) током". Однако публикации и стандарты МЭК носят, как правило, рекомендатель-

РИС.1. Внешний вид УЗО

ныи характер и не содержат положении по применению УЗО в конкретных типах электроустановок. Оставались также нерешенными вопросы выполнения проектных и монтажных работ. В указанных выше нормативных документах отсутствовали требования к электроизоляционным и конструкционным материалам.

Для упорядочения вопросов применения УЗО в строящихся и реконструируемых жилых зданиях были подготовлены "Временные указания по применению УЗО в электроустановках жилых зданиИ" и НПБ 243-97 "Устройства защитного отключения. Требования пожарноИ безопасности. Методы испытании". Правовое обеспечение внедрения УЗО осуществлялось принятием решениИ Главами администрации и выпуском территориальных строительных норм.

Научно-методическим центром Московского энергетического института был подготовлен ряд учебно-справочных пособиИ для организации, выполняющих проектные, монтажные работы и эксплуатацию электроустановок жилых и общественных зданиИ с использованием УЗО.

Нормы пожарноИ безопасности устанавливают требования к устроИствам защитного отключения при их конструировании и сертификации на пожарную безопасность. Для проведения сертификационных испытаниИ был разработан и изготовлен испытательныИ стенд, позволяющиИ определить функциональные характеристики устроИств, а электроизоляционные и конструционные материалы испытывались на теплостоИкость, плохоИ контакт, сопротивление образованию токоведущих мостиков и стоИкость к воздеИствию нагретоИ проволоки и пламени существующими стандартными *

методами .

Сертификационные испытания на пожарную опасность позволили не допустить применение УЗО, которые не только не обеспечивали предотвращение пожаров, но и сами могли стать их инициаторами.

УстроИства защитного отключения, реагирующие на дифференциальныИ ток, наряду с устроИст-вами защиты от сверхтока, относятся к дополнительным видам защиты человека от поражения при косвенном прикосновении, а также от пожаров по электротехническим причинам, обеспечиваемоИ путем автоматического отключения питания.

В основе деИствия защитного отключения лежит принцип ограничения (за счет быстрого отключения) продолжительности протекания тока как через тело человека при непреднамеренном прикосновении его к элементам электроустановки, нахо-

РИС.2. ДифференциальныИ трансформатор тока: /1, 12 — ток в проводниках; /Авт — разностныИ ток; Фь Ф2 — маг-нитныИ поток в проводниках трансформатора, наведенныИ токами /1 и 12 соответствено; Фх — суммарныИ магнитныИ поток в сердечнике; Ь — фазныИ проводник; N — нулевоИ рабочиИ проводник

дящимся под напряжением, так и при возникновении тока утечки.

Функционально УЗО можно определить как быстродеИствующиИ защитныИ выключатель, реа-гирующиИ на разницу токов (дифференциальныИ ток) в проводниках, подводящих электроэнергию к защищаемоИ электроустановке.

Принцип деИствия УЗО дифференциального типа основан на применении электромагнитного векторного сумматора токов — дифференциального трансформатора тока.

Сравнение текущих значениИ двух и более (в че-тырехполюсных УЗО — четырех) токов по амплитуде и фазе наиболее эффективно, т.е. с минималь-ноИ погрешностью, осуществляется электромагнитным путем — с помощью дифференциального трансформатора тока (рис. 2).

СуммарныИ магнитныИ поток в сердечнике Фх, пропорциональныИ разности токов в проводниках /1 и /2, являющихся первичными обмотками трансформатора, наводит во вторичноИ обмотке трансформатора тока соответствующую эдс, под деИст-вием котороИ в цепи вторичноИ обмотки протекает ток /Авт, также пропорциональныИ разности первичных токов.

К магнитному сердечнику трансформатора тока электромеханического УЗО предъявляются чрез-вычаИно высокие требования по качеству — высокая чувствительность, линеИность характеристики намагничивания, температурная и временная стабильность и т.д. По этоИ причине для изготовления сердечников трансформаторов тока УЗО используется специальное высококачественное аморфное (некристаллическое) железо.

Основные блоки УЗО представлены на струк-турноИ схеме (рис. 3).

* См. "Пожаровзрывобезопасность", 2004, № 3, С. 30-33.

6' 6

N

УЗО

г 9.

N

РИС.3. Структурная схема УЗО: 1 — дифференциальный трансформатор тока; 2 — пороговый элемент; 3 — исполнительный механизм; 4 — цепь тестирования; 5 — силовые контакты; N — нулевой рабочий проводник; Кт — сопротивление утечки

Важнейшим функциональным блоком УЗО является дифференциальный трансформатор тока 1. В абсолютном большинстве УЗО, производимых и эксплуатируемых в настоящее время во всем мире, в качестве датчика дифференциального тока используется именно трансформатор тока. Пусковой орган 2 (пороговый элемент) выполняется на чувствительных магнитоэлектрических реле прямого действия или электронных компонентах.

Исполнительный механизм 3 включает в себя силовую контактную группу с механизмом привода. В нормальном режиме, при отсутствии дифференциального тока — тока утечки, в силовой цепи по проводникам, проходящим сквозь окно магни-топровода трансформатора тока, протекает рабочий ток нагрузки. Указанные проводники образуют встречно включенные первичные обмотки дифференциального трансформатора тока.

Если обозначить ток, протекающий по направлению к нагрузке, как 11, а ток нагрузки как /2, то можно записать равенство:

/1= /2.

Равные токи во встречно включенных обмотках наводят в магнитном сердечнике трансформатора тока равные, но векторно встречно направленные магнитные потоки Ф1 и Ф2. Результирующий магнитный поток, а также ток во вторичной обмотке дифференциального трансформатора равны нулю. Пусковой орган 2 находится в этом случае в состоянии покоя.

При прикосновении человека к открытым токо-проводящим частям или корпусу электроприемника, на который произошел пробой изоляции, а также при возникновении утечки тока через поврежденную изоляцию по фазному проводнику через УЗО кроме тока нагрузки /1 протекает дополнитель-

11

Ь2

Ь3

N

СЖ УЗО

я

> ЧЬ*^ »■ ■/■■ ■^Ев ш ш/тш» шЛ ц || ■ вР I /

/п/ / // // // //

/

РИС.4. Принцип действия УЗО

ный ток — ток утечки /ут, являющийся для трансформатора тока дифференциальным (разностным) /д. В данном случае /ут = /д.

Неравенство токов в первичных обмотках (/1 + /д — в фазном проводнике и /2 = /1 — в нулевом рабочем проводнике) вызывает небаланс магнитных потоков и, как следствие, возникновение во вторичной обмотке трансформированного дифференциального тока. Если указанный ток превышает значение уставки порогового элемента пускового органа 2, последний срабатывает и воздействует на исполнительный механизм 3.

Принцип действия УЗО поясняется схемой, представленной на рис. 4.

Исполнительный механизм, обычно состоящий из пружинного привода, спускового механизма и группы силовых контактов, размыкает электрическую цепь. В результате защищаемая УЗО электроустановка обесточивается.

Для осуществления периодического контроля исправности (работоспособности) УЗО предусмотрена цепь тестирования 4. При нажатии кнопки "Тест" искусственно создается цепь протекания отключающего дифференциального тока. Срабатывание УЗО в этом случае означает, что устройство в целом исправно.

Существуют различные по техническому исполнению виды УЗО.

1. По назначению:

— без встроенноИ защиты от сверхтоков;

- со встроенноИ защитоИ от сверхтоков.

2. По способу управления:

— функционально не зависящие от напряжения;

- функционально зависящие от напряжения. УЗО, функционально зависящие от напряжения, в свою очередь подразделяются наустроИства:

• автоматически размыкающие силовые контакты при исчезновении напряжения с выдержкоИ времени или без нее. При восстановлении напряжения одни модели этих устроИств автоматически повторно замыкают контакты своеИ главноИ цепи, другие остаются в отключенном состоянии;

• не размыкающие силовые контакты при исчезновении напряжения.

Имеются также два варианта исполнения УЗО указанноИ группы: в первом при исчезновении напряжения устроИство не размыкает свои контакты, но сохраняет способность разомкнуть силовую цепь при возникновении дифференциального тока; во втором устроИства при отсутствии напряжения не способны произвести отключение при возникновении дифференциального тока.

3. По способу установки:

- применяемые для стационарноИ установки при неподвижноИ электропроводке;

- используемые для подвижноИ установки (переносного типа) и шнурового присоединения.

4. По числу полюсов и токовых путеИ:

— двухполюсные с двумя защищенными полюсами;

— четырехполюсные с четырьмя защищенными полюсами.

5. По условиям функционирования при наличии составляющеИ постоянного тока:

- типа АС, реагирующие на синусоидаль-ныИ переменныИ дифференциальныИ ток, медленно нарастающиИ либо возни-кающиИ скачком;

— типа А, реагирующие как на синусоидаль-ныИ переменныИ дифференциальныИ ток, так и на пульсирующиИ постоянныИ дифференциальныИ ток, медленно нарастающие, либо возникающие скачком.

6. По наличию задержки по времени:

- без выдержки времени — тип общего применения;

- с выдержкоИ времени — тип Б (селектив-ныИ).

7. По характеристике мгновенного расцепления (для УЗО со встроенноИ защитоИ от сверхтоков):

— тип В;

— тип С;

— тип Б.

Принципиальное значение при рассмотрении конструкции УЗО имеет их разделение по способу техническоИ реализации на следующие два типа:

• функционально не зависящие от напряжения питания (электромеханические). Источником энергии, необходимоИ для функционирования

- выполнения защитных функциИ, включая операцию отключения, — является для устроИ-ства сам сигнал — дифференциальныИ ток, на которыИ оно реагирует;

• функционально зависящие от напряжения питания (электронные). Их механизм для выполнения операции отключения нуждается в энергии, получаемоИ либо от контролируемоИ сети, либо от внешнего источника.

Применение устроИств, функционально зависящих от напряжения питания, несмотря на их относительную дешевизну, более ограничено в силу их меньшеИ надежности (вероятность выхода из строя какого-либо из большого количества электронных компонентов довольно высока), большеИ подверженности электронных схем воздеИствию внешних факторов и др.

Однако основноИ причиноИ меньшего распространения данных устроИств является их неработоспособность из-за часто встречающеИся неисправности электроустановки, а именно, при обрыве нулевого проводника в цепи до УЗО по направлению к источнику питания. В этом случае "электронное" УЗО, не имея питания, не функционирует, а на электроустановку по фазному проводнику выносится потенциал.

УЗО применяется для комплектации вводно-распределительных устроИств (ВРУ), распределительных щитов (РЩ), групповых щитков (квартирных и этажных), а также защиты отдельных потре-бителеИ электроэнергии.

Область применения УЗО достаточно широка. Это электроустановки:

• общественных зданиИ — детских дошкольных учреждениИ, школ, профессионально-технических, средних, специальных и высших учебных заведениИ, гостиниц, медицинских учреждениИ, больниц, санаториев, мотелеИ, библиотек, крытых и открытых спортивных и физкультурно-оздоровительных учреждениИ, бассеИнов, саун, театров, клубов, кинотеатров, магазинов, предприятиИ общественного питания и бытового обслуживания, торговых павильонов, киосков и т.п.;

• жилых зданиИ — индивидуальных и многоквартирных, коттеджеИ, дач, садовых домиков, общежитиИ, бытовых помещениИ и т.п.;

• административных зданиИ, производственных помещениИ — мастерских, АЗС, автомоек, ангаров, гаражеИ, складских помещениИ и т.д.;

• промышленных предприятиИ — по производству и распределению электроэнергии, железнодорожных, горноИ, нефтедобывающеИ, стале-плавильноИ, химическоИ промышленностеИ, взрывоопасного производства и многое другое. Исключение составляют электроустановки, не

допускающие по технологическим причинам перерыва в электроснабжении. В таких установках для защиты людеИ от поражения электрическим током должны применяться другие электрозащитные меры: контроль изоляции, разделительные трансформаторы и др.

Применение УЗО в различных системах сетей

Применение УЗО в современных электроустановках с системами заземления — Т№С, Т№Б, TN-C-S, ТТ и /Т — имеет свои особенности. На рис. 5-9 приведены примеры включения УЗО в различных системах сетеИ.

На рис. 5 дан пример применения УЗО в электроустановке с системоИ заземления ТN-S. По мнению специалистов, система ТN-S обеспечивает лучшие условия электробезопасности при эксплуатации электроустановок и наиболее благоприятна для успешного функционирования УЗО.

На рис. 6 представлен пример использования УЗО в электроустановке с системоИ заземления ТТ. В этоИ системе все открытые проводящее части электроустановки присоединены к заземлению, электрически не зависимому от заземлителя неИ-трали источника питания. До настоящего времени ПУЭ запрещали применение системы ТТ в электроустановках зданиИ. Согласно ГОСТ Р 50669-94 она применяется как основная система заземления в случае подключения указанных электроустановок к вводно-распределительным устроИствам соседнего (капитального) здания.

В соответствии с ГОСТ Р 50571.3-94 в системе ТТ устроИства защиты от сверхтока могут использоваться для защиты от косвенного прикосновения только в электроустановках, имеющих заземляющие устроИства с очень малым сопротивлением. При этом гарантированное отключение питания электроустановки должно производиться при появлении на открытых проводящих частях электроустановки напряжения не более 50 В. В реальных условиях осуществить автоматическое отключение питания электроустановки системы ТТ с помощью автоматических выключателеИ по ряду причин

Ь1

Ь2

Ь3

N

РЕ

±1

Электроустановка здания

N

■уел

5

. Ь1 ■ Ь2 . Ь3 . N

РЕ

V

3

РИС.5. Применение УЗО в системе ТN-S: 1 — заземление источника питания (на подстанции); 2 — защитное заземление электроустановки здания (во вводном щите); 3 — открытые проводящие части

Ь1 | 0 "1

Ь2

Ь3 1 п

N

-

1 1 Л

1 /

1 - 2

1

Электроустановка здания

N

5

. Ь1 ■ Ь2 . Ь3 . N РЕ

V

3

РИС.6. Применение УЗО в системе ТТ: 1 — заземление источника питания; 2 — защитное заземление электроустановки здания; 3 — открытые проводящие части

весьмапроблематично. Эффективное решение этоИ проблемы дает применение чувствительных УЗО.

В ПУЭ записано требование обязательного применения УЗО в системе ТТ. При этом номинальныИ отключающиИ дифференциальныИ ток должен быть меньше значения тока замыкания на заземленные открытые проводящие части при напряжении на них 50 В относительно зоны нулевого потенциала. Это означает, что в электроустановках индивидуальных жилых домов, коттеджеИ, дачных (садовых) домов и других частных сооружениИ, где не всегда имеется возможность выполнить заземли-

2

Допустимые значения сопротивления заземления Я3 в зависимости от номинального отключающего дифференциального тока 1Ап УЗО

IAn , мА 10 30 100 300 500

R3, Ом 5000 1650 500 165 100

тель с требуемыми параметрами, необходимо применять систему ТТс обязательной установкой УЗО. В этом случае требования к сопротивлению зазем-лителя Я3 значительно снижаются: допустимые значения Я3 в зависимости от номинального отключающего дифференциального тока 1Ап применяемого УЗО приведены в таблице.

На рис. 7 приведен пример применения УЗО в электроустановке с системой заземления 1Т. В указанной системе значение тока замыкания на землю определяется состоянием изоляции сети относительно земли. При хорошем состоянии изоляции (высоком сопротивлении относительно земли) ток замыкания на землю очень мал. В случае прямого прикосновения человека к токоведущим частям электроустановки ток, проходящий через тело человека, также определяется сопротивлением изоляции, и при сопротивлении изоляции выше определенного значения не представляет опасности для жизни.

Таким образом, уровень сопротивления изоляции является в сетях 1Т фактором, определяющим как надежность, так и электробезопасность их эксплуатации. Поскольку в сетях 1Т очень важно поддерживать сопротивление изоляции на высоком уровне, ведение автоматического постоянного контроля изоляции выступает обязательным электрозащитным мероприятием.

Применение УЗО в сетях 1Т регламентируется ПУЭ следующим образом: "В таких электроуста-

РИС.7. Применение УЗО в системе 1Т: 1 — защитное заземление электроустановки здания; 2 — открытые проводящие части; УКИ — устройство контроля изоляции

L1

L2

L3

PEN

±1

Электроустановка здания

-Г

WW

L1 -L2 -L3

N PE

3

i

РИС.8. Применение УЗО в системе ТЫ-С-Б: 1 — заземление источника питания; 2 — защитное заземление электроустановки здания; 3 — открытые проводящие части

новках для защиты при косвенном прикосновении при первом замыкании на землю должно быть выполнено защитное заземление в сочетании с контролем изоляции сети или применены УЗО с номинальным отключающим дифференциальным током не более 30 мА".

В электроустановках системы IT устройства контроля изоляции подают сигнал при первом замыкании на землю. Если до устранения первого замыкания происходит второе замыкание на землю, то срабатывают УЗО.

На рис. 8 показано использование УЗО в электроустановке здания системы TN-C-S. Здесь PEN проводник разделяется на N и PE проводники не для всей электроустановки здания, а только для ее части. Первый электроприемник установлен в той части электроустановки здания, в которой имеется PEN проводник, второй используется в части, где применяется нулевой защитный проводник.

В ГОСТ Р 50571.3-94 имеются ограничения на применение УЗО в качестве защитного аппарата:

• в системе TN-Cне должны применяться устройства защиты, реагирующие на дифференциальный ток;

• когда устройство защиты, реагирующее на дифференциальный ток, применяют для автоматического отключения в системе TN-C-S, PEN проводник не должен использоваться на стороне нагрузки. Присоединение защитного проводника к PEN проводнику должно осуществляться на стороне источника питания по отношению к устройству защиты, реагирующему на дифференциальный ток. При этом, согласно указанному стандарту, допустимо использовать УЗО в тех частях электроустановки здания, где элект-

2

Электроустановка здания

L1

L2

L3

PEN

WW

L1 -L2 -L3

PEN

3

)

РИС.9. Применение УЗО в системе Т^С: 1 — заземление источника питания; 2 — защитное заземление электроустановки здания; 3 — открытые проводящие части

рические цепи с PEN проводниками расположены до входных выводов УЗО. В пункте. 1.7.80 ПУЭ 7-го издания имеется указание на недопустимость применения УЗО, реагирующих на дифференциальный ток, в четырехпро-водных трехфазных цепях (система TN-C). В случае необходимости применения УЗО для защиты отдельных электроприемников, получающих питание от системы TN-C, защитный PE проводник электроприемника должен быть подключен к PEN проводнику цепи, питающей электроприемник, до защитно-коммутационного аппарата. Это означает, что как исключение для защиты отдельных электроприемников ПУЭ допускают использование УЗО в системе TN-C при соблюдении определенных условий, а именно, присоединения открытых проводящих частей электроприемников к PEN проводнику со стороны источника питания по отношению к УЗО.

На рис. 9 приведен пример применения УЗО в электроустановке системы ТЫ-С.

До настоящего времени большая часть электроустановок в нашеИ стране работает с системоИ заземления, подобноИ Т^С (без защитного проводника РЕ). В такоИ электроустановке при пробое изоляции на корпус электроприемника в случае, если этот корпус не заземлен (например, холодильник или стиральная машина на изолирующем основании), УЗО, включенное в цепь питания электроприемника, не сработает, поскольку нет цепи протекания тока утечки — отсутствует разностныИ (дифференциальныИ) ток. При этом на корпусе электроприемника окажется опасныИ потенциал относительно земли. В данном случае при прикосновении человека к корпусу электроприемника и протекании через его тело тока на землю, превышающего номинальныИ отключающиИ дифференциальныИ ток УЗО /Ап, последнее отключит электроустановку от сети. Это означает, что в рассмотренном случае с момента нарушения изоляции и возникновения на корпусе электроприемника электрического потенциала до момента отключения де-фектноИ цепи от сети существует период потенци-альноИ опасности поражения человека. Из вышеизложенного следует, что и в электроустановках с системоИ заземления TN-C применение УЗО также оправдано, поскольку это устроИство и в таких электроустановках обеспечивает эффективную защиту от электропоражения.

Выводы

УЗО относятся к дополнительным видам защиты человека не только от поражения электрическим током, но и от пожаров по причине воспламенения электропроводки при авариИны режимах в электросетях, т.к. заблаговременно, до короткого замыкания, отключает электроустановку потребителя от источника питания.

2

1