Пожарная безопасность электроустановок / Cherkasov - PB elektroustanovok 2002

Конструкция УЗО обеспечивает быстрое отключение защищаемой электроустановки от сети при протекании тока через тело человека. Если ток утечки на землю возникает в результате разрушения изоляции, то УЗО можно рассматривать как устройство пожарной безопасности.

	N Л2
	4	8
		2
	7
	5

1

3

	1
6	N Л2

Рис. 3.17. Устройство защитного отключения:

1– магнитопровод; 2 – магнитоэлектрическая защелка; 3 – пружина; 4 – контактная группа; 5 – кнопка теста; 6 – резистор тестовой цепи; 7 – рабочие проводники; 8 – механизм расцепителя

Элементы конструкции УЗО. Основными элементами конструкции УЗО (рис. 3.17) являются: трансформатор тока 1; чувствительный элемент - магнитоэлектрическая защелка 2; механический пружинный расцепитель 3; контактная группа 4; кнопка теста 5; резистор тестовой цепи 6; рабочие проводники 7; механизм расцепителя 8.

Цепь тестирования предназначена для осуществления периодического контроля исправности устройства, создающего ток утечки нажатием кнопки «тест».

Принцип действия УЗО. Устройство защитного отключения представляет быстродействующий выключатель, автоматически отключающий контролируемую электроустановку от сети при возникновении в ней тока утечки на землю (рис. 3.18).

Ток утечки может быть вызван прямым прикосновением человека к токоведущим частям в результате повреждения или разрушения изоляции. Срабатывание УЗО происходит за счет использования энергии тока утечки Iут, вызывающего срабатывание магнитоэлектрической защелки и пружинного расцепителя.

До тех пор, пока ток утечки отсутствует, т.е. нет пробоя или повреждения изоляции электроприемника или нет прямого прикосновения человека к токоведущим частям, токи в прямом I1 и обратном I2 проводниках

132

нагрузки 3 равны и наводят в магнитном сердечнике 4 трансформатора тока УЗО равные, но встречно направленные магнитные потоки Ф1 и Ф2 , в результате чего ток во вторичной обмотке 5 равен нулю и не вызывает срабатывания чувствительного элемента - магнитоэлектрической защелки 6, которая также представлена на рис. 3.17. При возникновении тока утечки, например прикосновения человека к фазному проводнику, баланс токов и магнитных потоков нарушается, во вторичной обмотке появляется ток небаланса I , который вызывает срабатывание защелки 6, воздействующей, в свою очередь, на механизм расцепителя 7 и контактную систему 8. Электромеханическая система УЗО рассчитывается на срабатывание при определенных значениях - «уставка» тока утечки. Наиболее широко применяются УЗО с уставками 10, 30 и 100 мА.

			Л1
			Л2
			Л3
	1	2	N
		8	УЗО
	I1	I2	7
			6
	4
		5	I
	3
		Iут

Rз

Рис. 3.18. Схема электроустановки с УЗО:

1, 2 – прямой и обратный проводники; 3 – нагрузка; 4 – магнитный сердечник трансформатора; 5 – вторичная обмотка; 6 – магнитоэлектрическая защелка; 7 – механизм расцепителя; 8 – контактная система; Л1, Л2, Л3 – линейные проводники; N – рабочий и защитный нейтральный (нулевой) проводник

На рис. 3.19 представлена область значений А, которая характеризует величину опасного для человека тока и время его воздействия. Величина тока и время, в течение которого должно сработать УЗО, представлены областью Б.

УЗО успешно выполняют свои защитные функции в сетях с глухозаземленной нейтралью (рис. 3.20) и в сетях с изолированной нейтралью

(рис. 3.21).

133

I, мА				А
1000
500
200
100
50	Б
20
10
5
0	20	50	100	500 1000 2000	5000	10000	τ, мс
Рис. 3.19. График токопеременной зависимости физиологического воздействия
на человека переменного тока (50-60 Гц) и рабочей характеристики УЗО:
А - область ощутимых воздействий тока на человека, вызывающих опасность фибрилляции
	сердца (вероятность менее 50 %); Б - зона срабатывания УЗО
				УЗО			Л1
							Л2
	PEN						NЛ3
							PE
					Н		Н
					123N	123	1N
Rз					Rзз
Рис. 3.20. Схема электроустановки с нулевым рабочим и защитным
			раздельными проводниками:
Л1, Л2, Л3-линейные проводники; N-нейтральный (нулевой) рабочий проводник; РЕ-защитный
нулевой проводник; Н-нагрузка; Rз - рабочее заземление; Rзз - защитное заземление;
		PEN – рабочий и защитный нулевые проводники

Л1 Л2 Л3

	1 2 3	УЗО
Н	1 2 3

Rзз

Рис. 3.21. Схема электроустановки с изолированной нейтралью:

Л1, Л2, Л3 – линейные проводники; Н – нагрузка; Rзз – защитное заземление

134

Термины и определения параметров УЗО.

Номинальное напряжение - действующее значение напряжения, при котором обеспечивается работоспособность УЗО (в частности, при коротком замыкании).

Номинальный ток нагрузки - значение тока, который УЗО может пропускать в продолжительном режиме работы.

Номинальный отключающий ток - значение тока, которое вызывает отключение УЗО при заданных условиях эксплуатации.

Сверхток - любой ток, который превышает номинальный ток нагрузки.

Предельное значение неотключающего сверхтока - минимальное зна-

чение неотключающего сверхтока при симметричной нагрузке двух- и четырехполюсных УЗО или несимметричной нагрузке четырехполюсных УЗО.

Номинальная включающая и отключающая способность (коммута-

ционная способность) - действующее значение ожидаемого тока, который УЗО способно включить, пропускать в течение всего времени размыкания и отключить при заданных условиях эксплуатации без нарушения его работоспособности.

Номинальная включающая и отключающая способность по диффе-

ренциальному току - действующее значение ожидаемого дифференциального тока, которое УЗО способно включить, пропускать в течение всего времени размыкания и отключить при заданных условиях эксплуатации без нарушения его работоспособности.

Номинальный условный ток короткого замыкания (ток термической стойкости) - действующее значение ожидаемого тока, которое способно выдержать УЗО, защищаемое устройством защиты от коротких замыканий

-плавкой вставкой с номинальным током, равным току нагрузки УЗО.

Номинальный условный дифференциальный ток короткого замыкания

-действующее значение ожидаемого дифференциального тока, которое способно выдержать УЗО, защищаемое устройством защиты от коротких замыканий при заданных условиях эксплуатации без необратимых изменений, нарушающих его работоспособность.

Номинальное время отключения - промежуток времени между моментом внезапного возникновения отключающего дифференциального тока и моментом выполнения функции данного устройства до полного гашения дуги.

Параметры УЗО. Конкретная модификация УЗО выбирается на основе электротехнического расчета нормальных и аварийных режимов работы электроустановки.

Технические требования на параметры УЗО приведены в табл. 3.4.

135

			Таблица 3.4
	№ п/п	Параметр	Номинальное
			значение
	1	Напряжение Uн, В	220, 380*
	2	Частота fн, Гц	50
	3	Ток нагрузки Iн, А	16, 25, 40, 63*
	4	Отключающий дифференциальный ток (ток утечки)	10, 30, 100*
		I н, мА
	5	Неотключающий дифференциальный ток I т0	0,5 I н
	6	Включающая и отключающая (коммутационная) способ-	1500
		ность Im, А
	7	Условный ток короткого замыкания (термическая стой-	10
		кость) при последовательно включенной плавкой вставке
		63 А, кА
	8	Время отключения при номинальном дифференциальном	30
		токе τн, не более, мс
	9	Диапазон рабочих температур, °С	-25 оC+40 оC
	10	Максимальное сечение подключаемых проводников, мм2	25
	11	Срок службы, не менее:
		электрических циклов	4000
		механических циклов	10 000

* В зависимости от модификации устройства.

Требования к режимам работы. УЗО должно отключить защищаемую часть электроустановки при появлении в ней тока утечки синусоидального переменного, пульсирующего, постоянного (в зависимости от модификации), превышающего 0,5 номинального отключающего дифференциального тока.

Стандартные значения максимального времени отключения при любом рабочем токе нагрузки не должны превышать приведенных в табл. 3.5.

Номинальное время отключения τн УЗО приведены в табл. 3.5.

				Таблица 3.5
		τн*, с
I н	2I н		5I н	500 А
0,3	0,15		0,04	0,04

* τн - заданы для любого рабочего тока, не превышающего номинальный.

При высокой эффективности УЗО они не заменяют плавких предохранителей и автоматических выключателей.

Конструкция УЗО может отличаться способом технической реализации: УЗО, функционально не зависящее от напряжения питания (электромеханические). Источником энергии, необходимой для функционирова-

ния – выполнения операции отключения, является ток утечки;

136

УЗО, функционально зависящее от напряжения питания (электронное). Их механизм для выполнения операции отключения нуждается в энергии, получаемой либо от контролируемой сети, либо от внешнего источника.

Применение электронных УЗО, для работы которых необходим источник питания, допускается только в качестве дополнительных (дублирующих).

Уставки УЗО выбираются на основе критериев электробезопасности с учетом тока нагрузки согласно табл. 3.6.

Таблица 3.6

	Номинальный ток в зоне защиты, А	10, 16	25	40	63	100
	Уставка при работе в зоне защиты одиночного	10	10	30	30	30
	потребителя, мА
	Уставка при работе в зоне защиты группы потре-	30	30	30	100	100
	бителей, мА
	Уставка УЗО противопожарного назначения на	300	300	300	300	500
	ВРУ (ВРЩ), мА

Селективность работы УЗО. Для обеспечения требований селективной работы нескольких УЗО в радиальных схемах электроснабжения необходимо учитывать следующие факторы.

В силу специфики технических параметров УЗО (в первую очередь их очень высокого быстродействия) практически невозможно обеспечить селективность действия УЗО по току при значениях уставок 10, 30, 100 мА. В этом диапазоне уставок селективность работы УЗО может быть обеспечена применением модификаций УЗО с выдержкой времени (УЗО с индексом «S»), имеющих задержку срабатывания 10-20 мс.

Селективность срабатывания по току утечки на землю может быть обеспечена при применении на вводе в качестве головного УЗО противопожарного назначения с уставками 300, 500 мА и на отходящих линиях (группах) УЗО с уставками 10,30 мА.

									Таблица 3.7
Параметры			Типы устройств защитного отключения
	УЗО	УЗО	УЗО	УЗО	УЗЩ	ЗОУП		УЗО		АСТРО*
	2	10-2	20	В	10	25		25		УЗО
Напряжение, В			220			380				220/380
Частота, Гц	50…	50…	50	50…	50	50				50…
	60	60		60						60
Номинальный ток, А	10-	10	6,3-	6	10	25				16-63
	32		32
Номинальное значение	10,		10,							10, 30
уставки срабатывания по		10		10	10	10		30
	30		30							100
току утечки, мА

137

Окончание табл. 3.7

Параметры			Типы устройств защитного отключения
	УЗО	УЗО	УЗО		УЗО		УЗЩ	ЗОУП	УЗО	АСТРО*
	2	10-2	20		В		10	25	25	УЗО
Время срабатывания, с	0,04	0,04	0,05		0,08		0,05	0,05	0,04	0,04
Потребляемая мощность,	2,0	4,0	3,5		-		4,5	5,0	4,5	Нет
Вт
Рабочая температура, °С	-40	-20	-10		-20		-10	-4	-40	-20
	+55	+55	+40		+40		+35	+40	+55	+45
Зависимость от колеба-					Зависит					Не за-
ний напряжения сети										висит
Потребность в источнике				Требуется						Не тре-
питания										буется
										Элек-
Тип расцепителя		Электронно-электромагнитный								троме-
										ханиче-
										ский

Примечание. Для жилых, общественных и других зданий рекомендуется применять УЗО, не требующие источника питания (электромеханические). Например, АСТРО*УЗО.

Требования пожарной безопасности. Конструкция УЗО должна обеспечивать его пожарную безопасность как в нормальном режиме работы, так и при возникновении возможных неисправностей и нарушений правил эксплуатации.

При оценке УЗО на пожарную безопасность и возможность применения должны быть определены его показатели. Номенклатура показателей пожарной опасности и возможности применения определены НПБ 243-97 [44] Нормами пожарной безопасности.

Показатели пожарной опасности следует определять путем испытания стандартных образцов электроизоляционных материалов или образцов из состава деталей, комплектующих УЗО.

Конструкция УЗО должна исключать появление в процессе эксплуатации и испытаний на пожарную опасность пламени, дыма, размягчения и оплавления конструкционных материалов.

Качество УЗО должно быть гарантировано также сертификатом пожарной безопасности.

Не допускается применение УЗО для электроустановок, внезапное отключение которых может привести по технологическим причинам к возникновению ситуаций, опасных для пользователей (например, к отключению пожарной, охранной сигнализации и т.п.).

В настоящее время выпускаются УЗО двухполюсные (для однофазных электроустановок) и четырехполюсные (для трехфазных электроустановок).

Некоторые виды отечественных УЗО и их параметры представлены в табл. 3.7.

138

Глава 4

ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

При оценке пожарной опасности наибольшего внимания заслуживают внутренние цеховые электрические сети, так как в них кабели и провода чаще всего располагаются открыто в виде пучков. Основными причинами, приводящими к загоранию горючего материала (изоляция, защитный покров оболочек) кабелей и проводов являются аварийные режимы работы электрооборудования. Например, возникновение КЗ сопровождается выбросом зажигающих частиц в виде горящих или расплавленных капель металла токопроводящих элементов. Токовая перегрузка кабелей и проводов, большие переходные сопротивления в местах их соединений, ответвлений

иподключений к клеммным устройствам машин, аппаратов, светильников

идругих устройств приводят к перегреву токопроводящих жил и загоранию горючего материала (см. п. 1.3).

Наличие электрической защиты, выбранной в соответствии с нормами

иправилами, не всегда гарантирует безопасное протекание аварийных режимов при появлении источника зажигания. Тем более, что, например, автоматические выключатели имеют надежность от 0,85 до 0,95. Кроме того, защитные характеристики автоматических выключателей и плавких предохранителей имеют значительный разброс, что в ряде случаев не позволяет обеспечить время срабатывания защиты до появления пожароопасных факторов (зажигающих частиц, нагрева проводников, воспламенения газообразных продуктов разложения изоляции и т.п.). С учетом большой протяженности сетей от них, как показывает статистика, происходит до 50 % случаев загораний и пожаров.

4.1. НАГРЕВ ПРОВОДНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ

Пожарная безопасность электрических сетей определяется рядом факторов: соответствием марки проводника и способа прокладки характеру и свойствам окружающей среды, в том числе и ее пожаровзрывоопасности; соответствием сечения проводников токовой нагрузке; выбором номинальных параметров аппаратов защиты от токов перегрузки и коротких замыканий; соблюдением требований монтажа, эксплуатации и т.д.

Важным фактором обеспечения пожарной безопасности электрических сетей является допустимый нормами уровень нагрева проводников. Температура проводника, длительное время не находящегося под нагрузкой током, равна температуре окружающей среды. Если такой проводник нагрузить током неизменной величины I, его температура начнет увеличи-

139

ваться и постепенно достигнет установившейся величины tу, соответствующей току I.

Представим отрезок провода, в котором с момента τ = 0 появился ток I. Примем температуру среды равной нулю и рассмотрим превышение температуры провода t (τ) над температурой среды, т.е. перегрев провода. Тогда за время dτ в проводнике, имеющем активное сопротивление r, выделится тепловая энергия Qвыд = I2rdτ. Часть этой энергии Qнагр будет затрачена на нагревание провода, другая часть Qрас будет путем лучеиспускания с поверхности провода, конвекции и теплопроводности рассеяна в окружающую среду:

Qнагр = cmdt,
где с – теплоемкость провода, Дж/(кг); m – масса провода, кг;
Qрас = αtdτ,
где α – коэффициент теплопередачи, Вт/ (м2 °С).
Тогда получаем Qвыд = Qнагр + Qрас или
I2rdτ = сmdt + αtdτ.	(4.1)

Разделив обе части уравнения (4.1) на dτ, будем иметь однородное дифференциальное уравнение первого порядка с постоянными коэффициентами

I2r = P = cm(dt/dτ) + αt.

(4.2)

Корень характеристического уравнения k получаем из выражения

cmk + α = 0

или

k = - (α/cm).

Общее решение запишется так:

t1(τ) = Ae-(ατ/cm),

где А есть постоянная интегрирования, подлежащая определению. Частное решение или установившийся перегрев получаем из уравне-

ния (4.2), приравняв dt/dτ = 0 (нет изменения перегрева).

Тогда t2 = tу = P/α. Итак, получаем:

t(τ) = t1+t2= Ae-(ατ/cm )+ (P/α).

(4.3)

При τ = 0 перегрев равен нулю и из уравнения (4.3) имеем:

А + Р/α = 0 или А = - Р/α.

Таким образом, окончательно

140

t1 = t(τ) = (P/α) - [(P/α) e-(ατ/cm)] = (P/α)[1-e-(ατ/cm)]
или
t(τ) = ty(1-e-τ/T),	(4.4)

где Т = cm/α- постоянная времени нагрева проводника. Если τ = Т, за это время перегрев достигнет 0,632 tу. Постоянную времени можно представить как время, в течение которого провод нагрелся бы до установившейся температуры tу, если бы рассеяние тепла в окружающую среду отсутствовало. Значения Т для некоторых типов проводников и условий прокладки приведены в литературе.

Этот процесс роста превышения температуры проводника от нуля до tу может быть представлен кривой ОВД (рис. 4.1), уравнение которой имеет вид (4.4). По мере роста превышения температуры проводника отдача тепла в окружающую среду возрастает (кривая ОВД), поэтому процесс повышения температуры все больше замедляется и наконец наступает момент, когда разница между количеством тепла, отдаваемым поверхностью проводника в окружающую среду, и теплом, выделяемым в проводнике, становится неизменной. Следовательно, с достаточной точностью можно считать температуру нагреваемого проводника установившейся, если время τ равно от 4 до 5 Т.

t, °C

Т А Нагрев проводника Д

						Охлаждение
	В						проводника
у				у
t	О0,632t
		|	|	0,982t		|	|	|	| Е τ
	у
0		Т 2 Т 3 Т		4 Т	0	Т	2 Т	3 Т	4 Т

Рис. 4.1. Зависимость нагрева и охлаждения однородного проводника по формуле (4.4)

Если с проводника снять нагрузку I, превышение температуры проводника начинает понижаться от установившегося значения tу и постепенно достигает нуля. Этот процесс охлаждения может быть изображен кривой ДЕ. Таким образом, можно аналитически и графически представить изменение превышения температуры проводника при любой переменной

141