Принцип действия УЗО в трехфазных сетях

Принцип действия УЗО для трехфазных электроприемников точно такой же, как и для однофазных электроприемников. Только в них тороидальный магнитопровод охватывает три фазных проводника, а при необходимости и нулевой рабочий проводник, например, в сетях с глухозаземленной нейтралью. Для этого используются четырехполюсные УЗО.

При этом УЗО любого типа включает в себя датчик входного сигнала,

пороговый элемент и исполнительный механизм, отключающий электроустановку. В настоящей работе исследуется эффективность УЗО, реагиру­ющего на ток нулевой последовательности - векторную сумму фазных токов утечки на землю.

Примечание. При условии, что нагрузка соединена по схеме "звезда"или "треугольник" и не имеет электрической связи с землей, векторная сумма рабочих токов (токов. текущих через нагрузку в нормальном режиме) всегда равна нулю.

УЗО этого типа могут применяться в сетях напряжением 127, 220, 380, 500, 660 В независимо от режима нейтрали, однако наиболее эффективно их использование в сетях глухозаземленной нейтралью.

На рис 12.4 приведена схема сети с таким УЗО, где обозначено:

Э –электроустановка или электроприемник;

U - фазное напряжение;

, , - проводимости фазных проводников сети относительно

земли вне зоны защиты УЗО;

, , - проводимости фазных проводников сети относительно земли в зоне защиты УЗО.

Y_о - проводимость нейтральной (нулевой) точки источника

питания сети относительно земли;

- общая проводимость тела человека, обуви, пола;

, , - комплексные значения токов утечки вне зоны защи­ты;

, , - комплексные значения токов утечки в зоне, защиты;

- комплексное значение тока, протекающего через проводимость ;

- комплексное значение тока, протекающего через че­ловека, прикоснувшегося к фазе Iв зоне защиты УЗО.

Рис. 12.4. Схема для расчета уставки

При этом :

; ; ;

; ; ;

; ; ;

где:

, , - активные сопротивления изоляции фазных проводни­ков сети вне зоны защиты УЗО;

, , - емкости этих проводников относительно земли ;

, , - активные сопротивления изоляции фазных проводников

сети в зоне защиты УЗО;

, , - емкости этих проводников относительно земли;

- активное сопротивление заземления нейтрали;

- сопротивление тела человека;

- переходное сопротивление между человеком и землей

(обуви, пола и т.п.);

- сопротивление току, протекающему через человека включающего сопротивление тела человека и переходное сопротивление.

Емкости фазных проводников относительно земли примерно одинаковы, а в зоне защиты, поскольку, как правило, она невелика, они к тому же еще и малы, то есть = = =0.

Поэтому можно считать, что ; ; .

В исправной трехфазной сети при равенстве (симметрии) проводимостей фазных проводников относительно земли векторная сумма фаз­ных токов равна нулю. При нарушении указанных условий эта сумма становится отличной от нуля - возникает суммарный ток несиммет­рии , являющийся током нулевой последовательности.

Действующее значение тока на защищаемом участке служит входным сигналом для датчика УЗО - трансформатора тока ну­левой последовательности (ТТНП). Значение тока сравнивается с уставкой в усилителе-преобразователе, который при выдает управляющий сигнал на исполнительный орган УЗО для отключения защищаемого участка от сети.

Трансформатор ТТНП имеет тороидальный магнитопровод, на котором намотана вторичная обмотка, подключенная к входному соп­ротивлению усилителя-преобразователя. Первичными обмотками транс­форматора служат фазные проводники, пропущенные через окно магнитопровода. Если сеть трехфазная четырехпроводная (с нулевым проводником) и если при этом наряду с трехфазной имеется и однофаз­ная, например, осветительная нагрузка, то через окно магнитопровода пропускается также и нулевой рабочий проводник.

В качестве пускового органа используется магнитоэлектрическое реле или электронный усилитель, имеющий релейную характеристику.

В качестве исполнительного органа используется контактная группа УЗО. В отдельных случаях для отключения применяют контакторы, магнитные пускатели и другие коммутирующие аппараты.

УЗО рассматриваемого типа будет срабатывать при неравенс­тве проводимостей фазных проводников относительно земли в зоне защи­ты, которое может возникнуть:

1. В случае неравенства изоляции фазных проводников;

2. При прикосновении человека к любому фазному проводнику или корпусу изолированного от земли оборудования, на который замкнулся фазный проводник;

3. В случае замыкания любого фазного проводника на землю или на корпус заземленного оборудования.

Кроме того, УЗО срабатывает при замыкании фазного проводника на зануленный корпус электроустановки, а также при сочетании ука­занных причин.

Естественно, во всех перечисленных случаях должно выпол­няться условие .

Основная задача УЗО - обеспечить безопасность человека при прикосновении к одной фазе или к корпусу электроустановки, оказав­шемуся под опасным напряжением. Это достигается за счет быстро­действия УЗО и соответствующего значения уставки.

Таким образом, время срабатывания и уставка являются основными характеристиками УЗО.

При прикосновении к одной фазе защита считается эффектив­ной, если УЗО срабатывает за время, в течение которого ток через человека не превышает значение допустимого тока, соответствующего ГОСТ 12.1.038-82

(см. табл. 1.2 к лабораторной работе №1)

Для исправной сети в случае прикосновения человека к фазе I в соответствии с первым законом Кирхгофа (см.рис.12.4) .

Обозначив , получим

Из схемы (рис.12.4) видно, что ТТНП будет реагировать только на токи утечки в зоне защиты. Следовательно, УЗО , реагирующее на ток нулевой последовательности, является селективной защитой. При этом входной сигнал будет равен векторной сумме токов утечки в зоне защиты и тока через тело человека, т.е.

(12.3)

Ток в нагрузке ТТНП будет равен

(12.4)

где - коэффициент трансформации ТТНП.

Аналитическое выражение (12.3) подтверждает, что при равенст­ве токов утечки в зоне защиты до прикосновения человека к фазе ( ) входной сигнал УЗО будет равен нулю ( = 0). После прикосновения человека к фазе входной сигнал УЗО будет определяться протекающим через человека током. При пофазном неравенстве токов утечки входной сигнал в случае прикосновения человека к разным фазам будет различным. При большой пофазной разнице токов утечки входной сигнал может превысить уставку и вызвать срабатывание УЗО без прикоснове­ния человека к фазе.

На основании первого закона Кирхгофа с учетом выражений (12.3) и (12.4) запишем:

(12.5)

Выразив токи, входящие в это выражение, через напряжения и проводимости для сети, где и ,

получим

(12.6)

Из выражения (12.4) видно, что входной сигнал зависит от соот­ношения проводимостей .

В сети с изолированной нейтралью, где (с уче­том выражения 12.4).

(12.7)

Из выражения (12.7) видно, что в сети с изолированной нейтралью уставка должна выбираться в зависимости от соотношения прово­димостей и , то есть в зависимости от места расположения датчика вдоль сети. Если датчик будет установлен у источника пита­ния, где , то входной сигнал будет равен нулю при любых значениях тока через человека. Следовательно, устрой­ство этого типа в сети с изолированной нейтралью может применяться только для защиты отдельных ее участков.

В сети с заземленной нейтралью, где

Из этого выражения видно, что в сети с заземленной нейтралью входной сигнал УЗО не зависит от места установки датчика. Следовательно, устройство может применяться как для защиты всей сети, так и отдельных ее участков. Уставка при этом должна иметь значение, соответствующее длите­льно допустимому току через человека.

Время срабатывания УЗО определяется функцией , где T время (с) воздействия электрического тока на че­ловека. Для токов промышленной частоты (50 Гц) эта зависи­мость задана таблицей в ГОСТ 12.1.038-82 (см. табл. 1.2 к лабораторной работе №1).

Защита считается эффективной, если УЗО срабатывает за время, в течение которого для человека допустим максимально воз­можный в данной сети ток. Максимальный ток через человека в сети (с учетом условия поражения) зависит от напряжения сети и режима ее нейтрали.

В сети с изолированной нейтралью при однополюсном прикосно­вении в аварийном режиме (см. рис.2.3 к лабораторной работе №2):

,

в сети с заземленной нейтралью

,

где – сопротивление тела человека (расчетное значение 1000 Ом).

Если времясрабатывания УЗО выбрано по максимально возможному в данной сети току через человека, то для любых других значений время срабатывания защиты будет также соответствовать требованиям электробезопас­ности.

Таким образом, если уставка УЗО выбрана по длительно допустимому току через человека, а время срабатывания по максимально возможному в данной сети току через человека, то при любых значениях тока нулевой последовательности превышающих уставку будут обеспечены требования электробезопасности.

Применяемое оборудование

Лабораторная установка представляет собой модель электрической сети с номинальным напряжением 380/220 В.

В качестве источника питания используется трехфазный разделительный трансформатор. Включение сети осуществляется кнопкой аварийного останова. При этом загорится сигнальная лампа L₁ на лицевой панели стенда и через минуту включится панель сенсорного управления.

Лабораторная установка позволяет исследовать сети однофазного и трехфазного тока. Однофазной электрической сетью принято условно называть сеть, в которой питание потребителя осуществляется от одной фазной линии и линии нулевого рабочего проводника. Выбор сети осуществляется включением соответствующей клавиши на сенсорной панели. Сопротивление заземления нейтрали источника – R₀ = 4 Ом.

Сопротивления изоляции фазных проводников относительно земли смоделированы сосредоточенными сопротивлениями R₁ и R₂. Значение сопротивления R₁ устанавливается на сенсорной панели. Величина переменного сопротивления R₂ изменяется плавным поворотом ручки потенциометра «R₂», расположенного на лицевой панели стенда.

Для защиты сети от токов короткого замыкания и перегрузки используется автоматическими выключателями QF5 и QF6, установленные на лицевой панели.

Выбор режима нейтрали сети (с глухозаземленной или изолированной), подключения электроприемников к заземителю, количества фаз для питания электроприемника, установка сопротивлений изоляции осуществляется с помощью сенсорной панели путем прикосновения к соответствующим клавишам.

Все схемы исследуемых сетей высвечиваются на сенсорной панели и включаются в протокол выполнения лабораторной работы!

В работе используются четыре двухполюсных УЗО, реагирующих на дифференциальный ток. Выбор типа УЗО осуществляется его включением в соответствии с заданием. Входной сигнал, превышающий значение уставки УЗО фиксируется на сенсорной панели.

Установка позволяет исследовать работу УЗО при режимах, соответствующих заземленному и изолированному от земли корпусу электроприемника. Выбор соответствующего режима осуществляется с помощью сенсорной панели. Сопротивление защитного заземления смоделировано резистором R_з = 10 Ом.

В лабораторной установке имитируется подключения человека к различным частям электроустановки, которые находятся под напряжением. Выбор места подключения осуществляется нажатием соответствующих клавиш на сенсорной панели, например, прямое или косвенное прикосновение. Сопротивление тела человека «R_h» можно устанавливать равным 1, 5, 10 кОм.

На сенсорной панели стенда отображаются результаты экспериментов в виде либо тока через сопротивление изоляции фазных проводов относительно земли в зоне защиты I₂, мА, либо тока через тело человека I_h, мА.