Устройства защиты от утечки тока и заземления.

Введение

Электрическое устройство безопасности

Устройство защитного отключения (УЗО) – это устройство безопасности, используемое в электрических установках с высоким сопротивлением заземления для предотвращения поражения электрическим током. Оно обнаруживает небольшие блуждающие напряжения на металлических корпусах электрооборудования и размыкает цепь при обнаружении опасного напряжения. Ранее широко использовавшееся, в современных установках чаще применяют устройства остаточного тока (УЗО, РУОВ или GFCI), которые непосредственно обнаруживают ток утечки.

Цель

Основная цель устройств защитного отключения – предотвратить поражение людей и животных электрическим током.

История

Это категория устройств, используемых для защиты приборов, цепей и персонала от токов утечки на землю. Первые устройства ЭЛКБ (ELCB) были устройствами, реагирующими на напряжение (VO ELCB), обнаруживающими повышение напряжения между заземлёнными частями установки и внешним электродом. В настоящее время они заменены устройствами, реагирующими на ток (RCD/RCCB). В современной литературе устройства, реагирующие на напряжение, называют ЭЛКБ или VOELCB, а устройства, реагирующие на ток – RCCB или RCD. Устройства ЭЛКБ, реагирующие на напряжение, были впервые представлены около шестидесяти лет назад. Устройства ЭЛКБ, реагирующие на ток, были впервые представлены около сорока лет назад. На протяжении многих лет устройства ЭЛКБ, реагирующие на напряжение, и устройства ЭЛКБ, реагирующие на дифференциальный ток, оба назывались просто ЭЛКБ, поскольку это название было легче запомнить. Однако использование общего названия для двух разных устройств привело к значительной путанице в электротехнической отрасли. Если на установке был использован неверный тип устройства, уровень защиты мог оказаться существенно ниже ожидаемого. В частности, устройства, реагирующие на напряжение, могут защитить только от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим частям, заземлённым в цепи и подключённым к VOELCB. Они не могут обнаружить ток, вытекающий из фазного провода и уходящий в землю другим путём, например, через человека, стоящего на земле. Чтобы устранить эту путаницу, МЭК приняла решение применять термин "устройство защитного отключения" (RCD) к устройствам ЭЛКБ, реагирующим на дифференциальный ток. Дифференциальный ток – это разница между входящим и исходящим током в цепи. В однофазной цепи это просто разница между током в фазном и нейтральном проводах. В трёхфазной цепи необходимо контролировать все токопроводящие проводники.

Операция

УЗО (ELCB) – это специализированный тип реле, которое подключает входящую электроэнергию здания через свои контакты, чтобы обесточить помещение при обнаружении тока утечки на землю. УЗО обнаруживает токи короткого замыкания с фазного провода на провод заземления в защищаемой электроустановке. Если на чувствительной обмотке УЗО появляется достаточное напряжение, оно отключит питание и останется отключенным до ручного восстановления. УЗО, реагирующее на напряжение, не обнаруживает токи короткого замыкания с фазного провода на любые другие заземленные объекты.

Напряженные (ELCB)

С тех пор электромеханические устройства защитного отключения (УЗО) широко использовались, и многие из них до сих пор в эксплуатации, но больше не устанавливаются в новых зданиях. УЗО, работающее по напряжению, обнаруживает повышение потенциала между защищенными соединенными металлическими частями (корпусами оборудования, трубопроводами, шкафами) и удаленным изолированным заземляющим электродом. Они срабатывают при обнаруженном потенциале около 50 вольт, чтобы отключить главный автоматический выключатель и изолировать электропитание защищаемого объекта. У УЗО, работающего по напряжению, есть второй вывод для подключения к удаленному заземляющему соединению. Заземляющая цепь изменяется при использовании УЗО; соединение с заземляющим стержнем проходит через УЗО, подключаясь к его двум заземляющим выводам. Один вывод подключается к заземляющему проводнику установки (защитному проводнику цепи, также известному как провод заземления), а другой – к заземляющему стержню (или иногда к другому типу заземляющего соединения).

Устройства для измерения тока (RCD/RCCB)

RCD/RCCB – наиболее распространенный тип устройства защитного отключения (УЗО). RCCB обычно состоит из трансформатора тока, имеющего несколько первичных обмоток и одну вторичную обмотку. Нейтральный и фазный (или фазы в многофазных системах) провода служат первичными обмотками. Вторичная обмотка представляет собой катушку из провода. Ток во вторичной обмотке равен нулю в нормальном (сбалансированном) режиме. В нормальном режиме магнитный поток, создаваемый током в фазном проводе, компенсируется магнитным потоком, создаваемым током в нейтральном проводе, поскольку ток, поступающий по фазе, возвращается по нейтрали. При возникновении неисправности небольшой ток начинает протекать на землю. Это создает разбаланс между током в фазном и нейтральном проводах, что приводит к возникновению несбалансированного магнитного поля. Это индуцирует ток во вторичной обмотке, которая подключена к схеме обнаружения. Схема обнаруживает утечку тока и отправляет сигнал в систему отключения.

Земля обходит

Не необычно, чтобы в установке, защищенной УЗО, существовало второе непреднамеренное соединение с землей, не проходящее через катушку обнаружения УЗО. Это может произойти через металлические трубопроводы, контактирующие с землей, металлические несущие конструкции, наружные бытовые приборы, контактирующие с почвой, и так далее. В этом случае ток утечки может отходить в землю, не будучи зафиксированным УЗО. Однако, возможно, вопреки интуиции, это не влияет на работоспособность УЗО. Задача УЗО – предотвратить повышение напряжения на заземленных металлических частях до опасного уровня при возникновении неисправности, и УЗО продолжает выполнять эту задачу, отключая питание при том же уровне напряжения на проводнике заземления (CPC). (Разница лишь в том, что для достижения этого напряжения потребуется больший ток утечки.)

Бесполезные поездки

Хотя напряжение и ток на линии заземления обычно являются токами утечки от фазных проводников, это не всегда так, поэтому существуют ситуации, когда устройство защитного отключения (УЗО) может ложно срабатывать. Если в установке имеется два соединения с землей, близкий разряд молнии с высоким током вызовет градиент напряжения в почве, создавая на катушке чувствительности УЗО напряжение, достаточное для его срабатывания. Если заземляющий электрод установки расположен близко к заземляющему электроду соседнего здания, высокий ток утечки в другом здании может повысить локальный потенциал земли и создать разность напряжений между двумя заземлениями, что также приведет к срабатыванию УЗО. Близкое расположение заземляющих электродов не подходит для использования с УЗО по этой причине, однако на практике такие установки иногда встречаются. И УЗО, и устройства ЭЛС (электролизные системы) в определенной степени подвержены ложным срабатываниям из-за нормальной, безвредной утечки на землю. С одной стороны, УЗО, как правило, старше и, следовательно, имеют менее совершенную фильтрацию от ложных срабатываний, а с другой стороны, УЗО по своей природе невосприимчивы к некоторым причинам ложных срабатываний, характерным для УЗО, и обычно менее чувствительны. На практике ложные срабатывания УЗО встречаются гораздо чаще. Другой причиной ложных срабатываний являются накопленные или пусковые токи, вызванные приборами с пониженным сопротивлением изоляции. Это может произойти из-за старого оборудования, оборудования с нагревательными элементами или даже проводки в зданиях в тропическом климате, где длительная влажность и дожди могут привести к снижению сопротивления изоляции из-за поверхностного тока утечки. Если используется защитное устройство на 30 мА, а суммарный пусковой ток от различных источников составляет 10 мА, то устройство сработает при 20 мА. Отдельные приборы могут быть электрически безопасны, но большое количество небольших пусковых токов накапливается и снижает порог срабатывания. Эта проблема была более актуальна в старых установках, где несколько цепей защищались одним УЗО. Нагревательные элементы трубчатого типа заполнены очень мелким порошком, который может поглощать влагу, если элемент не использовался в течение некоторого времени. В тропическом климате это может произойти, например, если сушилка для белья не использовалась в течение года или большой водонагреватель для кофе и т.п. находился на хранении. В таких случаях, если устройству разрешено включиться без защиты УЗО, оно обычно просохнет и успешно пройдет проверку. Подобные проблемы могут возникать даже с новым оборудованием.

While voltage and current on the earth line is usually fault current from a live wire, this is not always the case, thus there are situations in which an ELCB can nuisance trip. When an installation has two connections to Earth, a nearby high current lightning strike will cause a voltage gradient in the soil, presenting the ELCB sense coil with enough voltage to cause it to trip. If the installation's Earth rod is placed close to the Earth rod of a neighbouring building, a high Earth leakage current in the other building can raise the local ground potential and cause a voltage difference across the two Earths, again tripping the ELCB. Close Earth rods are unsuitable for ELCB use for this reason, but in real life such installations are sometimes encountered. Both RCDs and ELCBs are prone to nuisance trips from normal harmless Earth leakage to some degree. On one hand ELCBs are on average older, and hence tend to have less well developed filtering against nuisance trips, and on the other hand ELCBs are inherently immune to some of the causes of false trips RCDs suffer, and are generally less sensitive than RCDs. In practice RCD nuisance trips are much more common. Another cause of nuisance tripping is due to accumulated or burden currents caused by items with lowered insulation resistance. This may occur due to older equipment, or equipment with heating elements, or even wiring in buildings in the tropics where prolonged damp and rain conditions can cause the insulation resistance to lower due to moisture tracking. If there is a 30 mA protective device in use and there is a 10 mA burden from various sources then the unit will trip at 20 mA. The individual items may each be electrically safe but a large number of small burden currents accumulates and reduces the tripping level. This was more a problem in past installations where multiple circuits were protected by a single ELCB. Heating elements of the tubular form are filled with a very fine powder that can absorb moisture if the element has not be used for some time. In the tropics, this may occur, for example if a clothes drier has not been used for a year or a large water boiler used for coffee, etc. has been in storage. In such cases, if the unit is allowed to power up without RCD protection then it will normally dry out and successfully pass inspection. This type of problem can be seen even with brand new equipment.

Отсутствие ответа

Некоторые устройства защитного отключения (УЗО) не реагируют на выпрямленный ток утечки. Эта проблема в принципе одинакова для УЗО и РУВД, но УЗО в среднем намного старше, а технические характеристики значительно улучшились с годами, поэтому старое УЗО с большей вероятностью не отреагирует на определенную форму волны тока утечки. Как и любое механическое устройство, УЗО подвержены отказам, и их следует периодически проверять, чтобы убедиться в их работоспособности. Если один из проводов заземления отсоединится от УЗО, оно перестанет срабатывать, и установка может оказаться неправильно заземленной.