Подобреева Елена Александровна

         В Украине ведутся новые разработки устройств защитного отключения. Так, при участии Носанова Н. И. разработаны УЗО с применением дифференциального высокочувствительного магниторезистора – аналога дифференциального трансформатора тока, принцип работы которого основан на магниторезистивном эффекте. Имеется надежда, в перспективе, широкомасштабного внедрения в системах электроснабжения жилых и общественных зданий [1].

         Тема, касающаяся применения устройств защитного отключения, является в Украине безусловно актуальной. Это обстоятельство, а также почти полное отсутствие научной, технической и учебной литературы по рассматриваемому вопросу, побудило Носанова Н. И. к написанию книги “Устройство защитного отключения и их применение” как учебного пособия для студентов технических ВУЗов.

         Основной причиной пожаров в электроустановках (до 70 % от общего числа электропожаров) являются короткие замыкания (к.з.) и развивающиеся токи утечки через изоляцию электропроводок. При этом наиболее пожароопасным видом электротехнических изделий являются электропроводки, на долю которых приходится до 45 % пожаров.

         Низкий уровень пожаробезопасности объясняется рядом факторов: неудовлетворительным техническим состоянием, находящихся в эксплуатации электрических сетей низкого напряжения, низким качеством электроприборов и несоответствием их стандартам безопасности, отсутствием эффективных служб контроля безопасной эксплуатации электроустановок, несоблюдением правил пожарной безопасности при эксплуатации бытовой техники и весьма низкой эффективностью электрической защиты от аварийных режимов.

         Как показывает практика, во многих случаях электрические сети, несмотря на формальное наличие защиты - автоматических выключателей и предохранителей, по существу, от пожароопасных режимов не защищены [4].

         Рассмотрим основные причины этого явления.

         В соответствии с действующими методиками выбора защиты от коротких замыканий необходимая чувствительность защиты обеспечивается, если величина тока к.з. не менее чем в 3 раза превышает номинальный ток плавкой вставки предохранителя или теплового расцепителя автоматического выключателя. Таким образом, для предохранителей, например, ПН-2 на 100 А (часто применяемых в распределительных электрических щитах) условие надежного срабатывания при к.з. достигается при токе в 300 А. Действительно, при таком значении тока предохранитель сработает, но, только, в соответствии с его характеристикой, через 10 с. Учитывая возможный и допустимый для предохранителя разброс характеристик, это время может быть увеличено в несколько раз. Аналогично работают и автоматические выключатели. Их электромагнитные расцепители "мгновенного" действия часто вообще не реагируют на токи к.з. малой величины, а тепловые расцепители могут сработать только через десятки секунд.

         Другой причиной низкой эффективности электрической защиты является не учитываемый действующими методиками пережигающий эффект электрической дуги, как правило, возникающей при коротких замыканиях. Температура в месте воздействия дуги достигает 5... 8 тыс. градусов, что аналогично воздействию электросварки. При этом провода могут пережигаться быстрее, чем сработает защита, что эквивалентно ее отсутствию и неконтролируемому протеканию пожароопасных процессов, связанных с развитием электрической дуги, искрообразованием, воспламенением изоляции и других горючих материалов и т.п.

         Кроме того, воспламенение изоляции электропроводки может произойти под действием токов утечки, вызванных старением изоляционных материалов, их механическими повреждениями или разрушением под действием температуры и агрессивной среды. Под действием возникшего тока утечки температура изоляции повышается, причем из-за отрицательного температурного коэффициента твердых диэлектриков этот процесс сопровождается уменьшением сопротивления изоляции, что приводит к дальнейшему росту тока утечки. Нагрев изоляции приводит к ее разложению с выделением легко воспламеняющих продуктов и воспламенению при достижении температуры 220 С - для резиновой изоляции и 560 С - для поливинилхлоридной. При этом воспламенение изоляции может произойти при весьма малых значениях токов утечки. В процессе исследований зажигающего действия токов утечки, проведенных при участии автора в испытательной пожарной лаборатории управления пожарной охраны УВД Херсонской области, минимальный зажигающий ток утечки составил:

- для провода АППВС - 54 мА (11,8 Вт) при времени действия 39,3 с;

- для провода АПВ - 114 мА (25 Вт) при времени действия от 14,7 с до 48,5 с;

- для провода АПР - 68 мА (15 Вт) при времени действия от 101,3 с до 161,1 с.

         Необходимо отметить, что статистика пожаров не выделяет токи утечки в качестве самостоятельной причины пожаров, что обусловлено, во-первых, проблемой контроля токов утечки в сетях, а также сложностью определения первопричины пожара при экспертизе, поскольку пожар может быть вызван непосредственно током утечки и привести к к.з., а также развитие тока утечки может привести к короткому замыканию и последующему пожару [7].

         Предохранители и автоматические выключатели на токи утечки через изоляцию не реагируют, что также является одной из причин пожаров.

         Кроме того, учитывая, что при эксплуатации электроустановок часто допускается произвольная замена защитной аппаратуры, может быть сделан общий вывод о весьма низкой противопожарной эффективности предохранителей и автоматических выключателей и необходимости нового подхода к проектированию защиты.

         В настоящее время весьма надежным средством электрической защиты, получившим международное признание, является устройство защитного отключения (УЗО). Только к началу 70-х годов в Европе и США было установлено более 30 млн. УЗО и ежегодно устанавливается более 10 млн. аппаратов различного типа. Отличительной особенностью УЗО является весьма малое (не более 0,1 с.) время срабатывания, что, с одной стороны, обеспечивает сохранение жизни людей, попавших под напряжение, а, с другой стороны, резко снижает вероятность пожаров при коротких замыканиях и токах утечки через изоляцию.

         Однако до последнего времени действующими Правилами устройства электроустановок УЗО рассматриваются только в качестве средства защиты людей от электропоражений. Очевидно, что необходимо расширение концепции функционального назначения УЗО, предусматривающее не только обеспечение электробезопасности людей, но и исключение электро-и-пожароопасного состояния электроустановок.

         Для решения этой проблемы необходим переход к новой системе проектирования электрической защиты систем электроснабжения от аварийных режимов, а также проведение массовой ревизии и реконструкция существующей защиты от коротких замыканий электрических сетей напряжением 380/220 В.

         С этой целью в Киевском Государственном Техническом Университете разработаны новые принципы оценки эффективности электрической защиты, учитывающие время ее срабатывания и пожароопасные последствия к.з., сопровождающихся электрической дугой. В основу их использования положено математическое моделирование процесса функционирования системы электрической защиты с учетом ее времени действия и пережигающего эффекта электрической дуги при коротких замыканиях, и применение аналитических выражений, обеспечивающих возможность компьютерного прогнозирования пожарной опасности коротких замыканий. Предложенная методика позволяет выявить потенциально пожароопасные участки сети, как на этапе ее проектирования, так и в процессе эксплуатации. Для этих участков должны быть изменены параметры или тип защиты от к.з., либо тип или сечение электропроводки, а также использованы устройства защитного отключения [2].

         Для практической реализации результатов математического моделирования процесса функционирования электрической защиты и подбора пожаробезопасного сочетания параметров защиты и электропроводок, с учетом диапазона разброса защитных характеристик и характеристик пережога, разработан программный комплекс автоматизированного расчета и исследования параметров и последствий аварийных режимов и выбора эффективной электрической защиты в системах электроснабжения 0,38 кВ "АРИАС".

         С помощью комплекса "АРИАС" по результатам сопоставления характеристик устройств защиты и характеристик пережога проводов на всех участках электрической сети производится расчет следующих показателей:

- вероятностей загорания изоляции кабельных изделий при каждом из видов к.з. на каждом участке сети;

- вероятностей срабатывания защиты до пережигания проводов дуговым разрядом при каждом из видов к.з. на каждом участке сети, как для надежной, так и для ненадежной защиты;

- вероятностей пожара на объекте электроснабжения при каждом из видов к.з.;

- вероятностей пожара при всех видах к.з.;

- вероятности пожара при всех видах к.з. без учета к.з. на корпус.

         1. Предложенная методика позволяет количественно оценить противопожарную эффективность различных электрозащитных устройств и использовать показатели функционирования систем защиты для выбора предпочтительного варианта. В частности, возможно, получить количественную оценку противопожарной эффективности УЗО, рассчитанную из условия предотвращения ими пожаров, вызываемых короткими замыканиями на корпус.

         2. Значения показателей функционирования защиты, и, в первую очередь - вероятностей пожаров по причине дуговых к.з., зависят от величины токов к.з., а, следовательно, от мощности силового трансформатора, питающего электрическую сеть и его удаленности от объекта электроснабжения. Выполнение защиты в соответствии с действующими правилами не исключает пережигания проводов, загораний и пожаров в результате дуговых к.з. Наибольшие значения вероятностей пожаров соответствуют мощностям питающих трансформаторов (диапазонам токов к.з.), при которых вероятность пережигания проводов до срабатывания защиты на большинстве участков сети наиболее высока.

         3. Система защиты электрической сети, наиболее эффективная при определенной мощности трансформатора и материале жил проводов внутренних электропроводок может оказаться менее предпочтительной в других случаях. Таким образом, каждому варианту исполнения электроснабжения соответствует свой вариант эффективной системы электрической защиты.

         4. При выборе наилучшего варианта системы защиты важнейшим критерием является вероятность пожара на рассматриваемом объекте электроснабжения в результате дуговых к.з. В общем случае должна обеспечиваться нормированная вероятность пожара.

         5. При решении задачи структурно-параметрической оптимизации системы электрической защиты из набора средств защиты с различными параметрами выбираются такие сочетания, при которых обеспечивается наименьшая вероятность пережигания проводов по участкам сети и достигается заданная (нормированная) вероятность пожара. При этом следует принимать во внимание, что в соответствии с проведенными расчетами, устройства защитного отключения только за счет предотвращения развития однофазных к.з. на корпус позволяют снизить вероятность пожаров от дуговых к.з. в 4...7 раз.

         При равноценных вариантах сочетаний средств защиты предпочтительный вариант выбирается с учетом дополнительных критериев.

         6. Соответствие параметров защиты параметрам электропроводок на каждом участке сети должно достигаться, прежде всего, за счет подбора защитных средств, так как направленное изменение параметров электропроводок по своим последствиям неоднозначно.

         7. Полное исключение пережигания токами к.з. электропроводок при защите предохранителями и автоматическими выключателями в ряде случаев требует многократного увеличения их сечения, что не может быть обеспечено по экономическим соображениям, поэтому такая защита должна применяться в сочетании с УЗО.

         8. Использование УЗО для противопожарной защиты электроустановок позволяет на 2...3 порядка уменьшить время существования аварийного режима, предотвратить развитие пожароопасной электрической дуги, исключить воспламенение горючих веществ от токов утечки. Тем самым, может быть обеспечен необходимый уровень электро- и пожаробезопасности электроустановок зданий [5].

         Защитное отключение – быстродействующая защита, обеспечивающая автоматическое отключение электроустановки при возникновении в ней опасности поражения человека током. Такая опасность может возникнуть, в частности, при замыкании фазы на корпус, снижении сопротивления изоляции сети ниже определенного предела и, наконец, в случае прикосновения человека непосредственно к токоведущей части, находящейся под напряжением.

         Во всех случаях опасность поражения обусловлена напряжением прикосновения или, иначе говоря, током, проходящим через человека, Как известно,

(1)

где - сопротивление тела человека, Ом.

         Таким образом, если при прикосновении человека к корпусу оборудования или фазе сети напряжение прикосновения (или ток через человека) превысит длительное допустимое значение, то возникнет реальная угроза поражения человека током и мерой защиты в этом случае может быть, в частности, быстрый разрыв цепи тока через человека, т.е. отключение соответствующего участка сети. Для выполнения этой задачи и предназначено защитное отключение.

         Принцип действия – быстрое отключение поврежденного оборудования от сети в случае, если ток, проходящий через проводник, заземляющий корпус этого оборудования, превысит некоторый предел при котором напряжение прикосновения имеет наибольшее длительно допустимое значение

         Принципиальная схема приведена на рисунке. Датчиком служит токовое реле РТ, обладающее малым сопротивлением и включенное непосредственно в рассечку заземляющего провода.

         При замыкании фазы на корпус ток, стекающий в землю, если он превышает установку, вызывает срабатывание реле, т.е. отключение установки от сети.

         К схемам рассматриваемого типа относятся такие схемы, применяемые в системе зануления, когда токовое реле включается в рассечку зануляющих проводников и срабатывает под действием тока однофазного короткого замыкания. Такие устройства отличаются четкостью срабатывания [7].

         Область применения рассматриваемых УЗО ограничивается установками, корпуса которых изолированы от земли, а, следовательно, и один от другого, т.е. установками, между которыми нет электрических связей помимо связи через реле. В этом случае защита работает селективно. Такими установками являются ручной электрофицированный инструмент, передвижные установки и т.п. Напряжение питающей сети и режим ее нейтрали могут быть любыми.

         Выбор установки. Условие безопасного прикосновения к корпусу оборудования в период замыкания на него фазы выражается следующей зависимостью:

(2)

где - сопротивление заземления корпуса, Ом; – комплексное сопротивление обмоток реле, Ом.

         Уставкой является ток , приходящий через заземляющий проводник и определяющий приведенные условия безопасности, т.е.:

(3)

         или

(4)

         При условии, что получим

(5)

         Ток срабатывания реле должен быть равен току уставки или поскольку ток проходит лишь через реле не зависимо от того, соединен корпус с землей только через заземляющий проводник или он имеет и другое соединение (через опорную поверхность и т.п.) [5].

         Таким образом,

(6)