Анализ защитной эффективности механических и электронных УЗО

Слободкин А. X., канд. техн. наук, Серафимов Н. А., инж. ЗАО "ТЕСС-инжиниринг", Чебоксары

Показано, что в европейских странах разрешено применение только механических устройств защитного отключения дифференциального тока (УЗО-Д), так как электронные устройства при некоторых видах аварий сети не обеспечивают защиту из-за потери питания. Анализируются аварии, при которых электронные УЗО-Д, оставаясь исправными, не обеспечивают защиту. Обосновывается целесообразность придания УЗО-Д дополнительных защитных функций и введения в широкую эксплуатацию комбинированных устройств (УЗО-К), которые, имея существенно меньшую стоимость, обеспечивают при любых авариях сети такую же электробезопасность, как механические УЗО-Д. Приведены примеры реализации УЗО-К.

Ключевые слова: электробезопасность, устройство защитного отключения дифференциального тока, комбинированное устройство сети с заземленной нейтралью.

Известные устройства защитного отключения, реагирующие на разность (дифференциал) токов в первичных проводниках дифференциального трансформатора тока (УЗО-Д) [1], воздействуют через чувствительный элемент на расцепитель выключателя, который отключает защищаемый участок сети. Разность токов возникает при появлении тока утечки в землю, т. е. является следствием нештатной ситуации на объекте. Приведенный ниже анализ для простоты выполнен для однофазных объектов, но все выводы относятся и к трехфазным объектам.

Существующие в настоящее время УЗО-Д в принципе отличаются друг от друга устройством чувствительного порогового элемента. Например, в Европе широко распространены УЗО-Д с механическими чувствительными элементами, в то время как во многих странах мира в основном используются УЗО-Д с электронными чувствительными элементами. Механические элементы дороже из-за необходимости применения для их изготовления специальных материалов и технологий, но зато они не требуют электропитания для функционирования. Электронные элементы значительно проще в изготовлении, их производство дешевле и они надежнее в эксплуатации ввиду отсутствия подвижных деталей, но при этом нуждаются в электропитании. Именно зависимость или независимость работоспособности УЗО от электропитания, т. е. от наличия в сети напряжения в момент возникновения аварийной ситуации, и является основным аргументом в пользу механических УЗО-Д. Некоторые специалисты отдают предпочтение механическим УЗО-Д, обосновывая это тем, что при аварии вида "обрыв нулевого провода" в линии пропадает напряжение и электронные УЗО-Д остаются без электропитания. Но при анализе подобной аварии ошибочность такого обоснования становится очевидной, и представляется, что она не случайна, а продиктована конкурентными и коммерческими интересами фирм — изготовителей механических УЗО. Учитывая в целом перспективность применения электроники, целесообразно сравнить работу механических и электронных УЗО-Д именно при аварии вида "обрыв нуля" с потерей напряжения питания.

Использование УЗО-Д в разных режимах. На рис. 1 приведена принципиальная схема линии электроснабжения систем TN-C и TN-S, в которых для защиты человека от поражения в различных аварийных режимах применяются любые УЗО-Д, как зависящие, так и независящие от напряжения питания.

Режим "обрыв пуля". В системе TN-C при обрыве PEN-проводника исчезает напряжение на нагрузке, и напряжение фазного провода через нагрузку попадает на оборванный участок этого проводника и соединенные с ним корпуса электроприборов (ЭП). При исчезновении напряжения на нагрузке электронные УЗО-Д также лишаются питания и теряют работоспособность. Если при этом в контакте с корпусом ЭП и землей находится человек, то образуется цепь для тока в землю. Но ни механическое, ни электронное УЗО-Д не среагируют на этот ток, поскольку через них ток утечки в землю не протекает. Даже если бы они и сработали, защитное отсоединение корпуса ЭП от опасной нейтрали не произойдет, потому что соединение корпуса с нейтралью — неразъемное. Следовательно, даже механическое УЗО-Д, не требующее электропитания для своей работы, при обрыве PEN-проводника не защищает от напряжения на корпусе по двум причинам: во-первых, через УЗО-Д не протекает дифференциальный ток, а во-вторых, корпуса приборов соединены с нейтралью некоммутируемым соединением. В этой аварийной ситуации не обеспечивают защиту ни механическое, ни электронное УЗО-Д.

В системе TN-S корпус ЭП соединен с защитным РЕ-проводником, на котором при обрыве N-проводника напряжение в принципе не появляется, благодаря чему защита человека от напряжения на корпусе прибора обеспечивается и без УЗО-Д. Можно констатировать, что в данной системе назначение рассматриваемого устройства сводится к обеспечению защиты человека при его прямом прикосновении к токоведущим частям электроустановки. А эти виды аварийных ситуаций не связаны с исчезновением напряжения питания, поэтому в системах TN-S механические и электронные УЗО-Д защитные функции выполняют одинаково.

В воздушных линиях (ВЛ) с системой TN-S необходимо рассмотреть еще и другие типовые аварийные ситуации: а) обрыв РЕ-проводника; б) обрыв фазного провода и его замыкание с РЕ-проводником. Известно [2,3], что оборванный провод может замкнуться с другим проводом частью, идущей к трансформаторной подстанции (ТП), или частью, идущей к нагрузке. Последствия при этом будут разные, поэтому при дальнейшем анализе рассмотрим вариант, приводящий к более тяжелым последствиям с точки зрения электробезопасности.

Режим "обрыв РЕ-проводника". В этом случае все корпуса ЭП по отношению к потенциалу земли оказываются в неопределенном состоянии, но напряжение питания электронных УЗО-Д не исчезает, и они остаются работоспособными. Наиболее опасными следует считать те ЭП, у которых прямой связи корпуса с землей нет, а обслуживающий персонал от земли не изолирован. Такое состояние может продолжаться неопределенно долго, в частности, до пробоя изоляции на корпус какого-либо ЭП и появления тока утечки в землю. Эту аварию УЗО-Д отключает. Но поскольку в этом случае напряжение питания не исчезает, механические и электронные УЗО-Д ведут себя одинаково.

Режим "обрыв фазы". Обрыв фазного провода и падение его на РЕ-проводник приводит к выносу фазного напряжения на все корпуса ЭП. Эта ситуация чрезвычайно опасна, так как всегда имеется вероятность контакта человека с корпусами, которые являются открытыми проводящими частями (ОПЧ) и потому всегда доступны человеку. В этом случае, учитывая требования ПУЭ к РЕ-проводнику, можно считать, что напряжение на нем составляет приблизительно 150 В (ГОСТ [4] устанавливает действующее значение безопасного напряжения 50 В). Длительность существования такого опасного состояния в этом режиме зависит от параметров токовой защиты в начале линии и в лучшем случае будет не менее 0,5 с. С учетом зависи-

мости опасных сочетаний значений тока и длительности его протекания через тело человека по ЕОСТ [1] исход такой ситуации однозначно не определяется. Что касается механических и электронных УЗО-Д, в этом режиме их применение бесполезно, поскольку напряжение с фазного провода попадает на РЕ-проводник и по нему напрямую выносится на корпуса всех ЭП, минуя УЗО-Д и не создавая при этом дифференциального тока.

Применение УЗО-Д в разных системах TN. В стандартах и ПУЭ [5] установлено пять систем организации безопасности путем соединения корпусов ЭП с землей: TN-C, TN-S, TN-C-S, ТТ и IT. Как уже отмечалось, их главное назначение — исключить поражение человека при прикосновении к ОПЧ, т. е. к корпусам ЭП. Учитывая, что в данной статье сравнивается эффективность механических и электронных УЗО-Д, рассмотрим их работоспособность только в системах TN-C, TN-S и под- TN-C-S.

гому этой системе ни механические, ни электронные тнт, УЗО-Д не обеспечивают защиту при обрыве м с PEN-проводника и при прикосновении человека к токопроводящим корпусам (ОПЧ). Несмотря слу- на это, их применение здесь полезно тем, что циа- они обеспечивают защиту при прикосновении :тоя- человека к токоведущим частям ЭП в защищае-шых мой ими зоне. Причем в этом случае их дейст-спо- вия одинаково эффективны, поскольку напряже-[тать ние питания на электронных устройствах не зем- исчезает.

>дол- новении к ОПЧ в случае обрыва PEN-проводни-, до ка обеспечивается полная безопасность, при об-П и рыве же фазного провода и падении его на 1рию PEN-проводник этого не происходит, т. е. ника-учае кие УЗО-Д не гарантируют безопасность при ские прикосновении к ОПЧ. Их назначение такое же, во. как и в системе TN-C — защита человека при про- прикосновении к токоведущим частям ЭП, под-одит ключенного к сети в зоне защиты УЗО-Д. пуса Система T1W-C-S. В имеющихся норматив-

как ных документах не оговаривается место присое-ка с динения РЕ-проводника к PEN-проводнику, сле-юво- довательно, разветвление последнего на два :туп- проводника (N и РЕ) может осуществляться в юва- любом месте линии. С точки зрения экономии что это разделение выгоднее выполнять на вводе в льно здание в главном распределительном щите щее (ГРЩ). Рассматривая аварийную ситуацию "об-Цли- рыв нуля", остановимся на ВЛ, поскольку обры-со- вы на кабельных линиях (КЛ) маловероятны, тров Обрывы проводов ВЛ возможны на участке от шем ТП до ввода в здание, т. е. до ЕРЩ. В этом иси- случае система защиты от напряжения на ОПЧ не отличается от рассмотренной выше системы TN-C, из чего следует, что безопасность при аварии вида "обрыв нуля" не обеспечивается ни системой TN-C-S, ни любыми УЗО-Д.

Для КЛ более вероятным представляется пробой изоляции между жилами, чему способствуют старение изоляции, влажность, плесень и т.д. При пробое изоляции между фазной жилой и нейтралью или фазной жилой и жилой РЕ-проводника напряжение на ОПЧ будет таким же, как в системе TN-S при падении фазного провода на РЕ-проводник. Таким образом, гарантированной защиты нет и при этом виде аварии, хотя вероятность ее мала.

Модернизация УЗО-Д. Анализ безопасности в электроустановках [6,7] выявил возможность ее повышения без прокладки защитного РЕ-проводника, дополнив УЗО-Д защитой от напряжения между нейтралью и землей. По выполняемым защитным функциям такое УЗО получается комбинированным, и для отличия от УЗО-Д его следует обозначать УЗО-К. Функциональная схема УЗО-К и схема его присоединения к двухпроводной сети TN-C приведена на рис. 2, я, а к сети TN-S — на рис. 2, б (комбинированное исполнение УЗО-К возможно и в четырехполюс-ном варианте).

Схема УЗО-К содержит автоматический выключатель с независимым расцепителем 1, усилитель 2, дифференциальный трансформатор тока 3, пороговый элемент защиты от напряжения "нейтраль — земля" 4, блок питания 5. Подключение блока питания к фазе, нейтрали и заземлению обеспечивает питание электронной части при наличии или нейтрали, или заземления, или и того и другого вместе. Этим достигается нормальная работоспособность при "обрыве нуля". Внешним отличием УЗО-К от УЗО-Д является наличие зажима Тг для присоединения к наружному заземлению и зажима РЕ для подключения к нему корпусов всех ЭП в зоне защиты данного УЗО-К. Зажим РЕ соединен с контактом N выключателя, благодаря чему при срабатывании УЗО-К корпуса ЭП отсоединяются от потенциально опасной нейтрали. Вход порогового элемента 4 подключен к контакту N и зажиму Тг для измерения напряжения "нейтраль — земля". При срабатывании этого элемента его выходной сигнал воздействует на расцепитель автоматического выключателя, что приводит к его отключению.

Описанная схема УЗО-К дополнительно к защите от тока утечки в землю (дифференциальной защите) выполняет защиту от напряжения между зажимами N и Тг. Если это напряжение превышает опасный уровень (согласно [4] оно должно быть не более 50 В), срабатывает УЗО-К и своим контактом N полностью отсо-

Рис.2. Функциональная блок-схема УЗО-К и схема присоединения его к участкам сети TN-C (а) и TN-S (б)

единяет все зануленные корпуса ЭП от нейтрали. Срабатывание УЗО-К определяется пороговым напряжением элемента 4, которое может устанавливаться при настройке в любых пределах до 50 В. Таким образом, при появлении на PEN-проводнике и на всех корпусах (ОПЧ) ЭП напряжения, например из-за "обрыва нуля", происходит срабатывание УЗО-К, которое своим контактом N отсоединяет корпуса (ОПЧ) всех ЭП от опасной нейтрали. Из рис. 2, а видно, что при "обрыве нуля" питание УЗО-К осуществляется через зажим заземления Тг. Требования к сопротивлению этого рабочего заземления значительно мягче, чем к защитному заземлению по ПУЭ.

Существующие в РФ с 2002 г. выключатели комбинированной защиты типа ВКЗ [8] с электронными чувствительными элементами имеют расширенный набор защитных функций. Они осуществляют защиту от: токов перегрузки и КЗ; токов утечки в землю; напряжения "нейтраль — земля"; повышенного напряжения сети; обрыва нейтрали и от обрыва рабочего заземления.

Кроме того, они контролируют качество контактирования контакта N выключателя.

Сопротивление заземления для них должно быть не более 400 Ом, что легко обеспечивается простейшими заземлителями.

Перечисленные виды защиты показывают, что возможности электронных устройств по сравнению с механическими существенно шире.

Известны также новые разработки устройств защиты на базе полупроводниковых приборов [9], с помощью которых можно защищать человека при двухполюсном прикосновении. Выполнить такую защиту с помощью механических устройств в принципе невозможно.

Области применения УЗО-Д и УЗО-К. УЗО-Д рекомендуется устанавливать в многоквартирных домах, коттеджах, частных домах, садовых домиках и дачах, гаражах, строительных вагончиках (прорабские) и т. д. В помещениях с нетокопроводящими полами наибольшая опасность электропоражения возникает при прикосновении человека к сторонним заземленным частям и "пробитому корпусу". Поэтому в новых домах при строительстве предусматривается система уравнивания потенциала (СУП). В домах старой постройки, частном жилом секторе, садовых строениях, гаражах и т. д. ее нет. Именно на этих объектах следует в первую очередь устанавливать комбинированные УЗО-К, которые обеспечат защиту за меньшую стоимость и не хуже СУП. Но, учитывая приведенный выше анализ опасных состояний электроустановок при разных видах аварий, можно рекомендовать их установку вместо УЗО-Д и в домах, имеющих СУП.

На рис. 3, а и б приведены два варианта схемы присоединения квартирных УЗО-К к домовому кабельному стояку и к главной заземляющей шине ГЗШ. В одном варианте корпус ЭП соединен с шиной заземления через контакт N, а в другом — напрямую. Присоединение зажима Тг в обоих вариантах к шине заземления обеспечивает сохранение работоспособности устройства при аварии вида "обрыв нуля".

1. По выполняемым защитным функциям механические и электронные УЗО-Д равнозначны. По массогабаритным и стоимостным показателям электронные УЗО-Д выгодно отличаются от механических: как правило, они занимают меньше места на щитке, легче и дешевле. Кроме того, электронная техника существенно расширяет возможности разработчиков, позволяя им создавать комбинированные УЗО-К с широким набором защитных функций.

2. Электронные комбинированные УЗО-К выполняют защитное отключение в таких аварийных ситуациях (например, при обрыве нейтрали), при которых ни традиционные, ни механические УЗО-Д не обеспечивают защиту.

3. Использование контакта N в УЗО-К для отсоединения корпусов (ОПЧ) электроприборов от опасной в аварийном состоянии нейтрали позволяет обеспечивать в более дешевых системах TN-C такой же уровень безопасности, как в усложненных системах TN-S и TN-C-S при наличии СУП. По приближенной оценке, использование УЗО-К удешевляет систему TN-C по сравнению с системой TN-S примерно на 20 - 25 % для пяти-проводной сети и до 50 % — для двухпроводной.

4. УЗО-К (например, ВКЗ) обеспечивают постоянный контроль целостности нейтрали и рабочего заземления. Срабатывание защитных устройств при обрыве данных линий свидетельствует о возникновении аварии и необходимости принятия соответствующих мер. Благодаря этому длительность пребывания такой системы в аварийном состоянии существенно сокращается.

б)

Рис. 3. Схемы присоединения УЗО-К к кабельному стояку и шине заземления в многоэтажном доме:

а — по схеме TN-C без использования заземляющей шины в качестве защитного РЕ-проводника с отсоединением корпуса от нейтрали при срабатывании УЗО-К; б — по схеме TN-S с использованием заземляющей шины в качестве РЕ-проводника с "глухим" заземлением токопроводящего корпуса

1. ГОСТ Р 50807-95 (МЭК 755-83). Устройства защитные, управляемые дифференциальным (остаточным) током.

2. Найфельд М. Р. Заземление как способ обеспечения электробезопасности. Промышленная энергетика, 1981, №5.

3. Якобе А. И., Луковников А. В. Электробезопасность в сельском хозяйстве. — М.: Колос, 1981.

4. ГОСТ Р 50571.3-94 (МЭК 364-4-41-92). Требования по обеспечению безопасности. Защита от поражения электрическим током.

5. Правила устройства электроустановок (раздел 7, электрооборудование специальных установок). 7-е изд. — М.: Изд-во НЦ "ЭНАС", 1999.

6. Слободкин А. X. О концепции электробезопасности в сетях 380 / 220 В и некоторых путях ее реализации. — Промышленная энергетика, 1998, №4.

7. Слободкин А. X. Новые системы защиты от электропоражений в электроустановках зданий. — Промышленная энергетика, 1999, №7.

8. Выключатель с комбинированной защитой типа ВКЗ. Техописание и Руководство по эксплуатации. ТЕСС. 731146.009, г.Чебоксары, 2009.

9. Пат. 2360348 РФ. Способ защитного отключения в сети переменного тока / А. X. Слободкин, И. А. Слободкин. — Опубл. в бюл., 2009, № 18.