Архив / 1996 / №1 / 

Защитное отключение на дифференциальном (остаточном) токе: принцип реализации, краткая история и современное состояние

В связи с принятием в 1994-1995 гг. целого ряда новых государственных стандартов (ГОСТ Р 50669-94. Электроснабжение и электробезопасность мобильных (инвентарных) зданий из металла или с металлическим каркасом для уличной торговли и бытового обслуживания населения. ГОСТ Р 50571.3-94. Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Защита от поражения электрическим током. ГОСТ Р 50807-95. Устройства защитные, управляемые дифференциальным (остаточным) током. Общие требования и методы испытания.) началось активное внедрение УЗО в электроустановках потребителей жилых и общественных зданий. В то же время опыт применения УЗО показал низкую надежность и неудовлетворительные эксплуатационные качества большинства устройств, выпускаемых в России. Кроме того, возникают трудности по подключению УЗО в различных типах электрических сетей. Мы начинаем серию публикаций, посвященную вопросам и проблемам применения УЗО. Думаем, что наши материалы на эту тему будут интересны для специалистов.

Защитное отключение (ЗО) как средство, способствующее ограни-чению тяжелого и смертельного электротравматизма людей родилось в период технологического бума в странах Западной Европы после Второй мировой войны. Использованный в ЗО принципэлектротехнике для контроля состояния изоляции воздушных линий высокого напряжения. Суть принципа заключается в геометрическом суммировании напряжений информационных обмоток W2 трансформаторов тока, первичными обмотками которых являются фазные провода линии. При отсутствии остаточного (утечки) тока на землю с каждой фазы или при симметричном снижении сопротивления изоляции (например, во время дождя) суммарное значение напряжения последовательно соединенных обмоток W2 близко к нулю (фазовый угол 360о).

Возникающий несимметричный остаточный ток (от загрязнения изоляторов, касания веток деревьев и др.) приводит к изменению фазового угла и подключенный к единой информационной обмотке вольтметр PV фиксирует появление напряжения, примерно пропорционального остаточному току (Рис. 1).

Если для высоковольтных систем применение трех громоздких транс-форматоров тока – объективная необходимость, в низковольтных сетях это непозволительная роскошь, прежде всего, из-за использования в магнитопроводах дефицитных никелевых сплавов и многовитковых медных обмоток. Кроме того, невозможно получить при изготовлении абсолютно равных передаточных характеристик всех трех трансформаторов, итогом чего является, так называемый, небаланс напряжений информационных обмоток – наличие на выходе единой обмотки некоторого напряжения при явном отсутствии или равенстве остаточных токов с фаз.

Разработчики аппаратов защитного отключения (АЗО) пошли другим путем: все три фазы сети (одна фаза и нулевой провод, три фазы и нулевой провод - в зависимости от области применения) пропустили через общий кольцевой магнитопровод с обмоткой W2 - дифференциальный трансформатор тока (ДТТ) (Рис. 2).

В таком трансформаторе происходит геометрическое суммирование не напряжений обмоток, а магнитных потоков, создаваемых проводниками фаз. За годы, прошедшие с момента первого упоминания в литературных источниках (1949 г.) о разработках АЗО, запатентованы десятки конструкций ДТТ, при этом удалось снизить небаланс с 30 до 3-4% от номинального значения напряжения обмотки W2. Это чрезвычайно важное для надежной и устойчивой работы АЗО достижение.

Дело в том, что, независимо от конструкции и используемых материалов, передаточная ха-рактеристика ДТТ (а точнее, потери в нем) сильно зависит от частоты трансформируемого сигнала и, начиная от 50 Гц до резонансной частоты fр - растет (имеют место лишь потери от гистерезиса в магнитопроводе и потери в омическом сопротивлении обмотки). Выше частоты fр резко возрастают потери от вихревых токов и магнитной вязкости материала магнитопровода, следствием чего является снижение передаточных свойств ДТТ.

Резонансная частота fр ДТТ серийных АЗО разных конструкций и номинальных токов колеблется от 1 кГц до 5-8 кГц.

Вместе с тем, при отключении асинхронных электродвигателей от электрической сети возникают высшие гармонические частоты до нескольких десятков килогерц, а при грозовых разрядах вблизи электрических линий в последних возникают бегущие волны большой амплитуды и частотами до 500 кГц. В этих условиях наличие даже небольшого небаланса обмотки W2 приведет к неоправданному (ложному) срабатыванию АЗО. Описанный выше способ выделения сигнала, пропорционального остаточному току, в том числе через тело человека при прямом или косвенном (через поврежденную изоляцию) прикосновении к токоведущим частям, позволил построить АЗО, обладающие селективностью действия (направленностью: реагируют на остаточный ток только «за» ДТТ по ходу энергии), высокой чувствительностью, гальванической раз-вязкой от контролируемой цепи, относительно простые и дешевые. Первые промышленные партии АЗО были изготовлены в 1956 г. австрийской фирмой Felten & Guilleaume fabrik elektrischer apparate Aktiengesellschaft. Фирма предложила АЗО типа FIZ 25/4 на ток нагрузки Iн = 25 А, уставкой IDn = 0,1 А четырехполосного исполнения с электромеханическим расцепителем. Конструктивно изделие было оформлено в виде автоматического выключателя (АВ) с механизмом независимого расцепления без дугогашения. Такой АВ был классифицирован как «экстренный, аварийный выключатель с числом срабатываний с номинальной нагрузкой не более 3000».К 1966 г. фирма подготовила серию 3B FI c Iн = 16...40 А. Исполнение FIS16 (индекс S означал повышенную чувствительность) имело IDn = 0,05 А, остальные двух- и четырехполюсные 3В имели IDn = 0,1 А при времени рабатывания Тоткл = 30 мс.

Для контроля параметров сильноточных цепей впервые было разработано исполнение BR с выносным ДТТ трех габаритов с внутренним диаметром отверстия 30, 50 и 100 мм.

В 1973 г. фирма модернизировала и расширила серию 3В с поворотной рукояткой включения. В 3В типа FIN использован двойной разрыв силовых контактов (мостик), что позволило улучшить коммутационные свойства 3В. Тот же принцип сохранен в 3В FNP выпуска 1982-83 гг. В 3В FISz 125, FISi 100, BFISi 100 применено кнопочное управление. Исполнение FISi100S и FISi160s имели время срабатывания Тоткл = 0,2 с и назывались «селективными», т.е. специально предназначались для групповой защиты и создания ступенчатой «селективной» системы защиты.

Все 3В фирмы выпуска 1973-83 г. рассчитаны на 10•103 циклов коммутации и частоту тока сети от 16 2/3 до 60 Гц.

Предельная коммутационная способность 3В была невысокой, что характеризует их как «дежурные» аппараты, работающие совместно с АВ, снабженными тепловой (ТЗ) и максимально-токовой (МТЗ) защитами, параметры которых выбраны с учетом взаимной координации действия.

Реле BR к 1983 г. модернизировано в FIERR, серия ДТТ также претерпела изменения и имела полезный диаметр тора 35, 70, 105 и 142 мм и рассчитана на пропускание кабеля с Iн = 1200 А.

Впервые предложен АЗО «мобильной» конструкции, выпол-ненный в виде «вилки», устанавливаемый на шнур защищаемого электроприбора или удлинителя, его код FIST16X - «Steckmat X». Рассчитана «вилка» на ток нагрузки Iн < 16А и IDn = 0,03А и используется как «персональная» защита человека.

К 1986 г. номенклатура АЗО практически полностью обновлена. В качестве базы использован модифицированный механизм управления АВ серии S160 голландской фирмы Броун Боверн-«ББЦ» (в настоящее время «АББ» - АСЕА - Броун Боверн). 3В двух-, трех- и четырехполюсного исполнения блочно-модульной и моноблочной конструкций рассчитаны на Iн = 10...63 А. Уставки срабатывания In на европейском уровне были стандартизированы еще в 1971 г.

Мы проследили процесс развития ЗО в Европе на примере «пионерской» фирмы. Аналогичную продукцию в Австрии выпускает фирма «Шрак». В Германии ряд крупнейших электротехнических фирм («Сименс», «СБИК», «Штотц» и др.) серийно изготовляют ЗВ собственных серий различного конструктивного исполнения (рычажное или кнопочное управление). ЗВ отличаются малыми габаритами, массой, удобны при монтаже и надежны в эксплуатации. Основные технические характеристики соответствуют требованиям МЭК и национального стандарта VDE 0664.

Терминология:

ЗО  - защитное отключение
IDn - уставка
АЗО - аппарат, реализующий функцию защитного отключения.
ДТТ - дифференциальный трансформатор тока.
W2 - информационная (вторичная) многовитковая обмотка дифференциального трансформатора
АВ - автоматический воздушный выключатель.
ЗВ - защитный выключатель.
ЗП - защитный прерыватель.
ТЗ - тепловая защита (от перегрузки).
МТЗ - максимально-токовая защита (от коротких замыканий).
I D - остаточный ток (утечка) на землю.
fр - резонансная частота - частота воздействующего синусоидального сигнала, при котором резко увеличивается напряжение обмотки W2 (зависит от индуктивности ДТТ).

Юрий Водяницкий
к.т.н., ведущий научный сотрудник, ВИЭСХ