Защитное отключение электроустановок. 
Область применения, основные требования, предъявляемые к УЗО, их типы

Защитное отключение выполняется в дополнение или взамен заземления.

Отключение осуществляется автоматами. Защитное отключение рекомендуется в тех случаях, когда безопасность не может быть обеспечена путем устройства заземления или когда его трудно выполнить.

Защитное отключение обеспечивает быстроене более 0,2 с автоматическое отключение установки от питающей сети при возникновении в ней опасности поражения током. Такая опасность может возникнуть при замыкании фазы на корпус электрооборудования, при снижении изоляции фаз относительно земли (повреждении изоляции, замыкании фазы на землю); при появлении в сети более высокого напряжения, при случайном прикосновении человека к токоведущим элементам, находящимся под напряжением.

Преимуществами защитного отключения являются: возможность его применения в электрических установках любого напряжения и при любом режиме нейтрали, срабатывание при малых напряжениях на корпусе — 20−40 В и быстрота отключения, равная 0,1 — 0,2 с.

Защитное отключение осуществляется посредством выключателей или контакторов, снабженных специальным отключающим реле. Существует много различных типов защитно-отключающих устройств. Схема одного из них приведена на рис. 76. Выключатель защитного отключения состоит из электромагнитной катушки, сердечник которой в обычном положении удерживает рубильник или специальный автомат включенным в сеть. Электромагнитная катушка одним выводом присоединяется к корпусу защищаемой электроустановки, а другим — к заземлителю. При достижении на корпусе защищаемой электроустановки напряжения свыше 24- 40 В через катушку электромагнита проходит ток, вследствие чего сердечник втягивается внутрь катушки и рубильник под действием пружины выключает ток, снимая напряжение с защищаемой установки.

Применения УЗО в электроустановках жилых, общественных, административных и бытовых зданий можно рассматривать только в случае питания электроприёмников от сети 380/220 с системой заземления TN-S или TN-C-S.

УЗО являются дополнительным средством защиты человека от поражения электрическим током. Кроме того, они осуществляют защиту от возгорания и пожаров, возникающих вследствие возможных повреждений изоляции, неисправностей электропроводки и электрооборудования. При нарушении нулевого уровня изоляции, прямом прикосновении к одной из токоведущих частей или при обрыве защитных проводников УЗО является практически единственным быстродействующим средством защиты человека от поражения электрическим током.

Принцип действия УЗО основан на работе дифференциального трансформатора тока.

Суммарный магнитный поток в сердечнике пропорционален разности токов в проводниках, являющихся первичными обмотками трансформатора тока. Под действием ЭДС в цепи вторичной обмотки протекает ток, пропорциональный разности первичных токов. Этот ток и приводит в действие пусковой механизм.

В нормальном рабочем режиме результирующий магнитный поток равен нулю, ток во вторичной обмотке дифференциального трансформатора также равен нулю.

Функционально УЗО можно определить как быстродействующий защитный выключатель, реагирующий на разницу токов в проводниках, подводящих электроэнергию. Если в двух словах описывать принцип работы устройства, то оно сравнивает ток, ушедший в квартиру, с током, который вернулся из квартиры. Если эти токи оказываются разными, УЗО мгновенно отключает напряжение. Это поможет избежать вреда для человека в случаях повреждения изоляции проводов, при неосторожном обращении с электропроводкой или электроприборами.

Поэтому и родилось такое техническое решение, как ферромагнитный сердечник с тремя обмотками: — «токоподводящей», «токоотводящей», «управляющей».

Ток, соответствующий подаваемому на нагрузку фазному напряжению, и ток, отходящий от нагрузки в нейтральный проводник, наводят в сердечнике магнитные потоки противоположных знаков. Если никаких утечек в нагрузке и защищаемом участке проводки нет, суммарный поток будет нулевым. В противном же случае (касание, повреждение изоляции и пр.) сумма двух потоков становится отличной от нуля. Возникающий в сердечнике поток наводит электродвижущую силу в обмотке управления. К обмотке управления через прецизионное устройство фильтрования всевозможных помех подключено реле. Под воздействием возникающей в обмотке управления ЭДС реле разрывает цепи фазы и нуля.

Существуют две основные категории УЗО:

• 1) Электронные
• 2) Электромеханические

Электромеханические УЗО состоят из следующих основных функциональных блоков.

В качестве датчика тока используется дифференциальный трансформатор тока.

Пороговый элемент выполненный на чувствительном магнитоэлектрическом реле.

Исполнительный механизм.

Цепь тестирования, искусственно создающая дифференциальный ток, для контроля исправности устройства.

В большинстве стран мира получили распространение именно электромеханические УЗО. Данный тип УЗО сработает в случае обнаружения тока утечки при любом уровне напряжения в сети т.к. сетевое напряжение никак не влияет на формирование тока, уровень которого и является определяющим при определении момента срабатывания магнитоэлектрического элемента.

При использовании работоспособного (исправного) электромеханического УЗО гарантируется в 100% случаях срабатывание реле и соответственно отключение подачи энергии потребителю.

В электронных УЗО функции порогового элемента и, частично, исполнительного механизма выполняет электронная схема.

Электронное УЗО строится по той же схеме, что и электромеханическое. Разница заключается в том, что место чувствительного магнитоэлектрического элемента занимает элемент сравнения (компаратор, стабилитрон). Для работоспособности такой схемы понадобится выпрямитель, небольшой фильтр. Т.к. трансформатор тока нулевой последовательности — понижающий (в десятки раз), то также необходима цепочка усиления сигнала, которая кроме полезного сигнала также будет усиливать помеху (или сигнал небаланса присутствующий при нулевом токе утечки). Очевидно, что момент срабатывании реле, в данном типе УЗО, определяется не только током утечки, но и сетевым напряжением.

Забегая вперёд необходимо отметить, что стоимость электронных УЗО ниже электромеханических примерно в 10 раз.

В европейских странах подавляющее большинство УЗО — электромеханические.

Преимущества электромеханических УЗО — их полная независимость от колебаний и даже наличия напряжения в сети. Это особенно важно, поскольку в электрических сетях случается обрыв нулевого провода, в результате чего возрастает опасность поражения электротоком.

Применение электронных УЗО целесообразно, когда необходима подстраховка в целях безопасности, например в особо опасных, влажных помещениях. В некоторых странах в вилках электробытовых приборах уже встроены УЗО, это определено требованиями правил.

Для выбора УЗО с достаточной точностью необходимо учесть два параметра:

• 1) Номинальный ток
• 2) Ток утечки (ток срабатывания).

Номинальный ток — это тот максимальный ток, который будет протекать по вашему фазному проводу. Найти значение тока легко, зная максимальную потребляемую мощность. Необходимо поделить потребляемою мощность для худшего случая (максимальная мощность при минимальном Cos (ц)) на фазное напряжение. Не имеет смысл ставить УЗО на ток больший, чем номинальный ток автомата стоящего перед УЗО. В идеале, с запасом, берем УЗО на номинальный ток равный номинальному току автомата.

Существуют УЗО с номинальными токами 10,16,25,40 (А).

Ток утечки (ток срабатывания) — обычно10мА или 30мА если УЗО ставиться в квартиру/дом для защиты жизни человека, а 100−300мА на предприятие для предотвращения пожаров, при обгорании проводов. (ПУЭ 7-е издание п.п. 1.7.50 требует для дополнительной защиты от прямого прикосновения в электроустановках до 1 кВ применять УЗО с номинальным отключающим дифференциальным током не более 30 мА.).

Кроме УЗО, устанавливаемых на распределительном щитке, можно встретить электророзетки со встроенным УЗО. Эти устройства бывают двух видов: первый устанавливается на место существующей розетки, второй подсоединяется к имеющейся розетке, и затем уже в него включается вилка от электроприбора.

К преимуществам данных устройств можно отнести отсутствие необходимости замены в домах старой застройки электропроводку, а к недостаткам — высокую стоимость (розетки со встроенным УЗО обойдутся примерно в 3 раза дороже, чем УЗО, устанавливаемые на распределительный щит).

УЗО должно быть защищено автоматом (УЗО не предназначено для отключения больших токов.).

Существуют аппараты, совмещающие в себе функции УЗО и автомата.

Такие устройства называются УЗО-Д со встроенной защитой от сверхтоков. У этих УЗО цена традиционно выше, но в некоторых случаях без таких устройств защитного отключения обойтись невозможно.

Для наиболее эффективного применения УЗО предпочтительнее устанавливать устройства по следующей схеме:

• а) УЗО (30 мА на защиту всей квартиры, устанавливается в щитке на лестничной клетке)
• б) УЗО (10 мА) на каждую линию (например, на линии, питающие стиральную машину, «теплые» полы, и т. д., устанавливается в индивидуальный внутриквартирный щиток).

Удобный вариант, поскольку при возникновении какой-либо проблемы с электропроводкой или электроприборами будет отключаться только соответствующая линия, а не вся квартира.

Недостатки данной системы — более высокие затраты и необходимость иметь значительно больше свободного места. Более чем одно УЗО, как правило, удается установить лишь в индивидуальный внутриквартирный щиток, специально спроектированный для этих целей. В обычном щитке на лестничной площадке для этого, как правило, не хватает места.

Для защиты электрооборудования квартиры с применением УЗО необходимо также учесть опасность кратковременного повышения напряжения в случае кроткого замыкания, грозовом разряде на линию электропередачи, и прочих аварийных ситуациях в службе электроснабжения. В результате возможен выход из строя дорогостоящей бытовой техники.

В этом случае очень эффективно применение устройства защиты от перенапряжения совместно с УЗО. В аварийной ситуации при повышении напряжения варистор начинает сбрасывать лишнее напряжение на землю, а УЗО, обнаружив разницу между «вытекающим» и «втекающим» обратно током (разницу, соответствующую току «утечки» на землю), просто отключит сетевое питание, не допустив выхода из строя бытовых электроприборов, и варистора УЗИП. В результате, если использовать разрядник перенапряжения в комплекте с УЗО, то электросеть при повышении напряжения будет просто отключаться.

7. Задача № 1

Рассчитать методами удельной мощности и светового потока потребное количество светильников с ЛЛ для общего освещения помещения с электронно-вычислительной техникой и разместить светильники на плане помещения. При этом минимальная освещенность 400 лк., высота рабочей поверхности от пола — 0,8 м; коэффициент отражения света от потолка Рп = 70…50%, стен Pс= 50% и рабочей поверхности Pр=- 30…10%.

Решение:

1. Определяют высоту, м, подвеса светильника над рабочей поверхностью по формуле:

h = Н — h рhс.

h = 3,6 — 0,8 — 0,6 = 2,2 м где Н — высота помещения, м; hр — высота рабочей поверхности от пола;

hc — высота свеса светильника от основного потолка.

2. Вычисляют освещаемую площадь помещения, м2, по формуле:

S= А В,.

S = 24 * 6 = 144 м²

где A и В — длина и ширина помещения, м.

3. Для расчета освещения методом удельной мощности находим табличную удельную мощность Рm и значения величин Кт = 1,5 и Zт = 1,1. Для светильников с УПС35 -4×40 вначале определяют условный номер группы = 13. При этом для светильника УПС35 -4×40 Рm дана для Е =100 лк, поэтому следует производить ее перерасчет для Еmin по формуле:

Рm = 7,7 + 7,7*0,1 = 8,47.

РУ = Рm Emin / E100.

РУ = 8,47*400 / 100 = 33,88 Вт/м²

4. Определяют суммарную мощность, Вт, для освещения заданного помещения по формуле:

Р _{суммарное} = Ру S Kз Z / (Кт Zт) Р _{суммарное =} 33,88*144*1,5*1,3/ 1,5*1,1 = 5766 Вт где Кз — коэффициент запаса, устанавливаемый Кз = 1,5; Z — коэффициент неравномерности освещения Z = 1,3.

5. Находят потребное количество светильников, шт., по формуле:

Nу = Рсуммарное/ (ni РА).

Nу = 5766/4*40 =36 шт где РА — мощность лампы в светильнике, Вт; ni — число УПС35 -4×40.

в светильнике, шт.

6. Для расчета освещения методом светового потока вычисляют индекс помещения по формуле:

i = S / h (A + B).

i = 144/ 2,2* (24+6) = 2,2.

7. Находим КПД — коэффициент полезности действия :

= 45.

8. Находим световой поток заданной (принятой) лампы ФА, лм.:

ФА = 2200.

9. Определяют потребное количество светильников, шт., по формуле:

Nc = 100 Emin S Kз Z / ni ФА K.

Nc = 100* 400* 144*1.5*1.¾*2200*45* 0,9 = 32.

где K — коэффициент затенения для помещений с фиксированным положением работающего (конторы, чертежные и др.), равный 0,8…0,9; остальные обозначения расшифрованы выше.

10. Разрабатываем рациональную схему равномерного размещения светильников N в помещение.

Расстояние, м, между светильниками и рядами этих светильников определяют по формуле:

L = h.

— коэффициент зависимости от кривой силы света.

L = (0,6…0,8) * 2,2 = 1,32…1,76 м.

l_k 0.24 * L = 0,24 * (1,32…1,76) = 0,32…0,42 м При размещении светильников УПС35 -4×40 располагают, как правило, рядами — параллельно рядами оборудования или оконным проемам. Поэтому определяют расстояния L и l_k.

11. Если по конструктивным особенностям помещения предусматривают разрывы lp, м, между светильниками, то lp 0,5 h. В этом случае размещение светильников лучше вести через суммарную их длину l по формуле:

l=Nс lc.

l = 32* 1,270 = 41 м где lc — длина светильника, м.

12. Определяем размещения общего количества светильников в помещении, шт., по формулам:

N_p = l/A.

N_p = 41/24 = 1,7 2.

N_.c.p = N_c/ N_p

N_.c.p = 32/2 = 16 шт.

N_общ. = N_p* N_.c.p

N_общ. = 2 * 16 = 32 шт.

13. Проверяем фактическую освещенность по формуле:

E =.

E = 32* 4*2200*45*0,9/ 100*144*1,5*1,3 = 406 лк. 400 лк.

AL_p.c. — 2 l_k/ N_.c.p— 1.

L_p.c. = l_c* N_.c.p

L_p.c. = 1,270 * 16 = 20,32.

24- 20,32 — 2*0,4 / 16−1 = 0,19 м.

B — 2 l_k/ N_.p— 1.

6 — 2*0,4/ 2−1 = 5,2 м.

Схема размещения светильников типа УСП 35−4×40.

7. Задача № 2

Рассчитать механическую вытяжную вентиляцию для помещения, в котором выделяется пыль или газ и наблюдается избыточное явное тепло по исходным данным.

Подобрать необходимый вентилятор, тип и мощность электродвигателя и указать основные конструктивные решения.

Решение:

• 1. Определяем площадь помещения, где необходима механическая вентиляция:
  • S = A*B
  • S = 9*12 = 108 м²
• 2. Находим удельную тепловую нагрузку:

q = Q_изб / S.

q = 10*10³/108 = 92,6 Вт/ м² 400 Вт/м²

3. Находим расход воздуха для удаления избытка тепла:

L_я = 3,6 * Q_изб/ 1,2*(t_y — t_п).

L_{я. т.} = 3,6 * 10*10³ / 1,2* (23−16) = 4286 м³/ч.

L_{я. з.} = L_{я. т.} * 0,65.

L_{я. з.} = 4286 * 0,65 = 2786 м³/ч.

4. Находим наличием выделяющихся вредных веществ в помещении потребный расход воздуха, м3/ч, определяют по формуле:

L_вр = m_вр/ Cg — C_n

L_вр = 1,0 * 10³/ 8,0 — 0 = 125 м³/ч.

5. Расчет значения Lб, м3/ч, ведут по массе выделяющихся вредных веществ в данном помещении, способных к взрыву определяют по формуле:

L_б = m_вр/0,1* C_нк — C_n

L_б = 1,0 * 10³ / 0,1*20*10³ — 0 = 0,5 м³/ч.

6. Находим минимальный расход наружного воздуха (Lmin, м*м*м/ч), определяемому по формуле:

L_min = n*m*z.

L_min = 40 * 60 * 1,5 = 3600 м³/ч Выбираем самый большой расход воздуха 4286 м³/ч = L_n

Если L_n > Lmin, то значение L_n принимают как окончательное.

• 4286 > 3600.
• 7. КТА 1−8 ЭВМ — Lв = 2000 м3/ч; Lх = 9,9 кВт.

КТА 2−5-02 — L_в = 5000 м³/ч; L_х = 24,4 кВт.

n_в = L_n * K_в / L_в

n_в = 4286 * 1 / 2000 = 2,13 шт.

n_х = Q_изб * K_в / L_х

n_х = 10 * 1 / 9,9 = 1,012 шт.

n_в = 4286 * 1 / 5000 = 0,86 1 шт.

n_х = 10 * 1 / 24,4 = 0,41шт.

Схема по размещению механической вытяжной вентиляции в помещении.