Глава пятая
ПРИБОРЫ ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ
5-1. Назначение и возможности применения приборов защитного отключения
Одним из методов защиты человека от поражения электрическим током, получившим применение в последние годы в нашей промышленности, является использование приборов защитного отключения — электротехнических устройств, реагирующих на нарушение нормального режима работы электроустановки и подающих сигнал на ее отключение. Входными сигналами приборов защитного отключения служат изменения токов и напряжений, обусловленные уменьшением уровня электрической изоляции ниже заданного. Это позволяет осуществлять одним прибором совокупность либо некоторые из следующих видов защит:
защиту от однофазных замыканий на землю или элементы электрооборудования, нормально изолированные от напряжения;
защиту от неполных замыканий, когда снижение уровня изоляции одной из фаз создает опасность поражения человека;
защиту от поражения при прикосновении человека к одной из фаз электроустановки, если прикосновение произошло в зоне действия защиты прибора (частный случай предыдущего вида защиты);
непрерывный контроль изоляции, если прибор снабжен регистрирующим прибором непрерывного действия.
Приведенный перечень защитных функций свидетельствует о целесообразности их использования во многих видах электроустановок как в виде основных защитных устройств, так и в дополнение к другим видам защиты.
Для того чтобы приборы защитного отключения выполняли свою основную функцию — защиту человека от поражения электрическим током — необходимо обеспечить их срабатывание при таком значении входного сигнала и за такое время, при которых электрический ток через человека не превзойдет критериев электробезопасности. Однако в настоящее время существует понятие о различных критериях электробезопасности (см. гл. 1) и возникает необходимость наиболее полного их учета при разработке и использовании приборов защитного отключения. Очевидно, что при выборе величины входного сигнала необходимо исходить из первого критерия электробезопасности — тока, длительно допустимого через организм человека. Безопасность можно обеспечить только в том случае, если при возникновении в электроустановке любой ситуации, создающей опасность прохождения через человека электрического тока, превышающего длительно допустимый, происходит ее автоматическое отключение. Поэтому независимо от того, что является входным сигналом для прибора защитного отключения— электрический ток или напряжение, его величину для каждой конкретной схемы прибора рассчитывают, исходя из условий, при которых ток через человека не превысит длительно допустимого.
Рис. 5-1. Схема защитного отключения на напряжении корпуса относительно земли.
Однако соблюдения первого критерия недостаточно для обеспечения безопасности, так как за время срабатывания прибора через организм человека могут проходить токи, величина которых зависит от конкретных условий аварийной ситуации и во много раз превышающие длительно допустимый ток. Очевидно, время срабатывания приборов защитного отключения должно быть таким, чтобы соблюдался третий критерий электробезопасности, т. е. чтобы время прохождения не превысило безопасного для максимального значения электрического тока через организм человека, возможного при прикосновении к фазе или корпусу в защищаемой электроустановке.
Следовательно, для соблюдения безопасности посредством приборов защитного отключения необходимо при их использовании обоснованно выбирать два параметра: уставку датчика прибора и время срабатывания прибора.
Поясним приведенные понятия на примере схемы рис. 5-1. Датчик прибора — катушка реле напряжения — реагирует на напряжение на корпусе относительно земли. Если принять за длительно допустимое напряжение прикосновения Uдоп=6 В (гл. 1), то необходимая уставка определяется величинами сопротивлений вспомогательного заземления Rв и обмотки реле zр. Действительно, напряжение на корпусе относительно земли распределяется между обмоткой реле и вспомогательным заземлителем пропорционально их сопротивлениям:
Очевидно, что время срабатывания прибора защитного отключения необходимо выбрать меньше в зависимости от типа аппарата отключения.
Исходя из назначения и условий успешной защиты, к приборам защитного отключения необходимо предъявить следующие требования.
Быстродействие. В настоящее время ПУЭ регламентируют время срабатывания защитного отключения tоткл = 0,2 с. Однако такое время срабатывания создает неэквивалентные условия безопасности в различных электрических установках и при различных аварийных ситуациях. Так, например, наибольшая опасность для человека возникает при прикосновении к фазному проводу в сети с относительно большим номинальным напряжением, однако при нормировании одинакового времени срабатывания для всех приборов защитного отключения это никак не учитывается. Некоторые авторы [Л. 36] предлагают нормировать функциональную зависимость полного времени отключения электроустановки от допустимого тока через организм человека, полученную в результате аппроксимации допустимых значений тока в зависимости от времени воздействия, рекомендованных комиссией ЦЕНТОЭП:
(5-3)
где Ihm — максимально возможный ток через человека в защищаемой сети, А; tоткл — полное время отключения электроустановки.
Если рассчитать максимальный ток через человека при прикосновениях к фазе в сетях с глухозаземленной и с изолированной нейтралью по выражениям (1-8) и (1-25) и определить необходимое время отключения по (5-31), то окажется, что существующая норма
с
занижена для первых сетей и завышена для вторых, в последнем случае достаточно иметь
с.
В зарубежной практике используются приборы защитного отключения двух видов: высокой чувствительности с временем срабатывания
мс и низкой чувствительности с временем срабатывания tоткл≤0,2 с [Л. 37]. Приборы высокой чувствительности используются для защиты от поражений при прикосновениях к фазным проводам, приборы низкой чувствительности — для защиты от поражения при прикосновении к корпусам электрооборудования, на которые произошло замыкание фазы.
В последнем случае защитное отключение применяется в дополнение к заземлению, что позволяет значительно уменьшить требования к величине сопротивления заземления, так как на время срабатывания защитного отключения можно допустить наличие на корпусе значительно больших напряжений относительно земли, чем в случае защиты только заземлением.
Высокая чувствительность. Это требование вытекает из необходимости задания уставки датчика прибора, отвечающей требованиям безопасности, и отстройки прибора от ложных срабатываний. Как показано на ранее рассмотренном примере, уставка приборов защитного отключения равна незначительной величине напряжения, а для токовых реле составляет единица миллиампер. Коммутационные переходные процессы в электрической сети могут вызывать колебания входного сигнала приборов защитного отключения, близкие по величине к значениям уставки. Все это заставляет выбирать в качестве исполнительных элементов приборов защитного отключения высокочувствительные реле.
Помехоустойчивость и стабильность параметров. Только при соблюдении жестких требований к выбору элементов и конструкции приборов защитного отключения можно избежать ложных срабатываний при колебаниях напряжения сети и параметров микроклимата окружающей среды.
Надежность.
Возможность использования приборов защитного отключения в качестве единственной и основной меры защиты в некоторых видах электроустановок обусловливает высокие требования к их надежности. Анализ надежности одной из схем приборов непрерывного контроля, изоляции, проведенный в гл. 2, позволил сделать заключение об элементах, снижающих надежность. Все это справедливо и для приборов защитного отключения, но более жесткие требования к надежности вынуждают в этом случае применять дополнительные меры к ее повышению. К числу таких мер следует отнести прежде всего выбор наиболее простых схем контроля с наименьшим количеством элементов, использование бесконтактных схем, применение самоконтроля и высокое качество монтажа и конструкции.
Самоконтролем принято называть введение в схему прибора дополнительных элементов, вызывающих отключение электроустановки в случае появления неисправности в приборе, либо подающих сигнал о такой неисправности. Следует отметить, что использование самоконтроля в приборах защитного отключения снижает надежность электроснабжения.
Схемы приборов защитного отключения на бесконтактных элементах разработаны как в нашей стране, так и за рубежом. Одна из таких схем разработана Новосибирским электротехническим институтом [Л. 38].
Селективность отключения.
Несимметричные режимы, возникающие в электроустановках при повреждении или ухудшении изоляции, распространяются; как правило, на всю сеть, особенно в условиях высокой взаимосвязи между электрооборудованием, наблюдающейся на промышленных предприятиях. Поэтому возникает необходимость в тщательном выборе входного сигнала, так как это основной путь создания селективных схем.
Универсальность защиты.
Целесообразнее использовать приборы, сочетающие все ранее перечисленные четыре вида защиты, однако некоторые из указанных видов защиты не совмещаются с другими требованиями и приходится принимать компромиссные решения, исходя из необходимости создания максимальной эффективности защитного отключения.
Экономическая эффективность.
В значительной мере стоимость приборов определяется простотой схемы и конструкции, но не меньшее значение имеют и эксплуатационные качества (простота наладки, обслуживания, подключения, потребляемая энергия и т. п.).
Эргономическая целесообразность.
С этой точки зрения существенное значение приобретают такие данные приборов как вес, форма и размеры, тип измерительных приборов, цвет и т. п.
Основные требования к приборам защитного отключения, перечисленные выше, позволяют не только правильно подойти к их выбору, но и сделать заключение о достоинствах и недостатках защитного отключения. Основные достоинства защитного отключения—быстродействие и универсальность защиты — неоднократно подчеркивались в литературе и очевидны из предыдущего изложения. Отметим недостатки, которые в настоящее время препятствуют более широкому их использованию:
- значительная дороговизна по сравнению с традиционными средствами защиты — заземлением и занулением. Необходимость установки приборов защитного отключения у каждого потребителя электроэнергии или, в лучшем случае, на группу потребителей резко повышает стоимость защиты;
- снижение надежности электроснабжения. Приборы защитного отключения, применяемые в качестве единственной меры защиты, должны обладать самоконтролем, что приводит к перерывам в электроснабжении даже при отсутствии неисправностей в электроустановке. Если к этому добавить ложные срабатывания и возможность эксплуатации электроустановок при некоторых повреждениях, отключаемых приборами защитного отключения (например, возможность кратковременной эксплуатации при снижении уровня изоляции), затруднительно их использование на некоторых особо ответственных потребителях электрической энергии (например, в операционных);
- необходимость использования в качестве аппаратов защитного отключения автоматических выключателей и отказ от предохранителей. Однако такая замена уже сама по себе, без применения приборов защитного отключения, позволила бы значительно повысить уровень безопасности применением зануления;
- отсутствие разработанных схем, удовлетворяющих основным требованиям и затрудняющих применение защитного отключения, особенно для наиболее широкой группы потребителей электрической энергии — в сетях с глухозаземленной нейтралью.
Перечисленные недостатки, к сожалению, резко сужают область использования защитного отключения в настоящее время. Безусловное использование его можно рекомендовать только в следующих видах электроустановок до 1 000 В:
в передвижных электроустановках с изолированной нейтралью, особенно если электроустановка размещена в условиях, при которых затруднено сооружение заземляющего устройства с необходимыми параметрами. Защитное отключение в таких сетях может применяться как в виде самостоятельной защиты, так и в сочетании с заземлением;
в стационарных электроустановках с изолированной нейтралью для защиты электрифицированного инструмента в качестве единственной защиты и в дополнение к другим методам защиты;
в условиях повышенной опасности поражения электрическим током и взрывоопасности в стационарных и передвижных электроустановках с различными режимами нейтрали;
в стационарных электроустановках с глухозаземленной нейтралью на отдельных удаленных потребителях электрической энергии и потребителях большой номинальной мощности, на которых защита занулением недостаточно эффективна.
Во всех случаях, когда защитное отключение применяется в качестве единственной и основной меры защиты, приборы должны обладать самоконтролем.