Черкасов В.Н., Костарев Н.П. Пожарная безопасность электроустановок: Учебник

Подождите немного. Документ загружается.

132

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.

Рис. 3.17. Устройство защитного отключения:

1 – магнитопровод; 2 – магнитоэлектрическая защелка; 3 – пружина; 4 – кон-

тактная 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 кноп-

ки «тест».

Принцип действия УЗО.

Устройство защитного отключения пред-

ставляет 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

ут

, вызывающего срабатывание магнитоэлектрической защелки и пружин-

ного расцепителя.

До тех пор, пока ток утечки отсутствует, т.е. нет пробоя или повреж-

дения изоляции электроприемника или нет прямого прикосновения чело-

века к токоведущим частям, токи в прямом

и обратном I

проводниках

N Л2

133

нагрузки 3 равны и наводят в магнитном сердечнике 4 трансформатора то-

ка УЗО равные, но встречно направленные магнитные потоки Ф

и Ф

, 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 утеч-

ки, например прикосновения человека к фазному проводнику, баланс то-

ков и магнитных потоков нарушается, во вторичной обмотке появляется

ток небаланса

IΔ, который вызывает срабатывание защелки 6, воздейст-

вующей, в свою очередь, на механизм расцепителя

7 и контактную систе-

му

8. Электромеханическая система УЗО рассчитывается на срабатывание

при определенных значениях - «уставка» тока утечки. Наиболее широко

применяются УЗО с уставками 10, 30 и 100 мА.

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; Л

, Л

– линейные про-

водники; 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 об-

ластью

Б.

УЗО успешно выполняют свои защитные функции в сетях с глухоза-

земленной нейтралью (рис. 3.20) и в сетях с изолированной нейтралью

(рис. 3.21).

ут

УЗО

134

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

Рис. 3.20. Схема электроустановки с нулевым рабочим и защитным

раздельными проводниками:

, Л

-линейные проводники; N-нейтральный (нулевой) рабочий проводник; РЕ-защитный

нулевой проводник; Н-нагрузка; R

- рабочее заземление; R

зз

- защитное заземление;

PEN – рабочий и защитный нулевые проводники

Рис. 3.21. Схема электроустановки с изолированной нейтралью:

, Л

– линейные проводники; Н – нагрузка; R

зз

– защитное заземление

1000

500

100

200

500

50 20

100 1000

2000

5000

10000

I, мА

τ, мс

зз

123

123N

УЗО

PEN

Н Н

УЗО

зз

1 2 3

135

Термины и определения параметров УЗО.

Номинальное напряжение - действующее значение напряжения, при

котором обеспечивается работоспособность УЗО (в частности, при корот-

ком замыкании).

Номинальный ток нагрузки - значение тока, который УЗО может про-

пускать в продолжительном режиме работы.

Номинальный отключающий ток - значение тока, которое вызывает

отключение УЗО при заданных условиях эксплуатации.

Сверхток - любой ток, который превышает номинальный ток на-

грузки.

Предельное значение неотключающего сверхтока - минимальное зна-

чение неотключающего сверхтока при симметричной нагрузке двух- и че-

тырехполюсных 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 ра-

ботоспособности.

Номинальная включающая и отключающая способность по диффе-

ренциальному току

- действующее значение ожидаемого дифференциаль-

ного 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 измене-

ний, нарушающих его работоспособность.

Номинальное время отключения - промежуток времени между момен-

том внезапного возникновения отключающего дифференциального тока и

моментом выполнения функции данного устройства до полного гашения

дуги.

Параметры УЗО. Конкретная модификация УЗО выбирается на осно-

ве электротехнического расчета нормальных и аварийных режимов работы

электроустановки.

Технические требования на параметры УЗО приведены в табл. 3.4.

136

Таблица 3.4

№ п/п Параметр

Номинальное

значение

1 Напряжение U

, В 220, 380*

2 Частота f

, Гц 50

3 Ток нагрузки I

, А 16, 25, 40, 63*

4 Отключающий дифференциальный ток (ток утечки)

IΔ

, мА

10, 30, 100*

Неотключающий дифференциальный ток IΔ

т0

0,5 IΔ

6 Включающая и отключающая (коммутационная) способ-

ность I

, А

1500

7 Условный ток короткого замыкания (термическая стой-

кость) при последовательно включенной плавкой вставке

63 А, кА

8 Время отключения при номинальном дифференциальном

токе τ

, не более, мс

Диапазон рабочих температур, °С

-25

C+40

10 Максимальное сечение подключаемых проводников, мм

11 Срок службы, не менее:

электрических циклов

механических циклов

4000

10 000

* В зависимости от модификации устройства.

Требования к режимам работы. УЗО должно отключить защищае-

мую часть электроустановки при появлении в ней тока утечки синусои-

дального переменного, пульсирующего, постоянного (в зависимости от

модификации), превышающего 0,5 номинального отключающего диффе-

ренциального тока.

Стандартные значения максимального времени отключения при лю-

бом рабочем токе нагрузки не должны превышать приведенных в табл. 3.5.

Номинальное время отключения

УЗО приведены в табл. 3.5.

Таблица 3.5

*, с

IΔ

2IΔ

5IΔ

500 А

0,3 0,15 0,04 0,04

* τ

- заданы для любого рабочего тока, не превышающего номинальный.

При высокой эффективности УЗО они не заменяют плавких предо-

хранителей и автоматических выключателей.

Конструкция УЗО может отличаться способом технической реализации:

УЗО, функционально не зависящее от напряжения питания (электро-

механические). Источником энергии, необходимой для функционирова-

ния – выполнения операции отключения, является ток утечки;

137

УЗО, функционально зависящее от напряжения питания (электрон-

ное). Их механизм для выполнения операции отключения нуждается в

энергии, получаемой либо от контролируемой сети, либо от внешнего ис-

точника.

Применение электронных УЗО, для работы которых необходим ис-

точник питания, допускается только в качестве дополнительных (дубли-

рующих).

Уставки УЗО выбираются на основе критериев электробезопасности

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

потребителя, мА

10 10 30 30 30

Уставка при работе в зоне защиты группы потре-

бителей, мА

30 30 30 100 100

Уставка УЗО противопожарного назначения на

ВРУ (ВРЩ), мА

300 300 300 300 500

Селективность работы УЗО. Для обеспечения требований селектив-

ной работы нескольких УЗО в радиальных схемах электроснабжения необ-

ходимо учитывать следующие факторы.

В силу специфики технических параметров УЗО (в первую очередь их

очень высокого быстродействия) практически невозможно обеспечить се-

лективность действия УЗО по току при значениях уставок 10, 30, 100 мА.

В этом диапазоне уставок селективность работы УЗО может

быть обеспе-

чена применением модификаций УЗО с выдержкой времени (УЗО с индек-

сом «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 противо-

пожарного назначения с уставками 300, 500 мА и на отходящих линиях

(группах) УЗО с уставками 10,30 мА

Таблица 3.7

Типы устройств защитного отключения

Параметры

УЗО

10-2

УЗО

УЗЩ

ЗОУП

УЗО

АСТРО*

УЗО

Напряжение, В 220 380 220/380

Частота, Гц

50…

50 50

50…

Номинальный ток, А

10-

6,3-

6 10 25 16-63

Номинальное значение

уставки срабатывания по

току утечки, мА

10,

10 10 10 30

10, 30

100

138

Окончание табл. 3.7

Типы устройств защитного отключения

Параметры

УЗО

10-2

УЗО

УЗЩ

ЗОУП

УЗО

АСТРО*

УЗО

Время срабатывания, с 0,04 0,04 0,05 0,08 0,05 0,05 0,04 0,04

Потребляемая мощность,

Вт

2,0 4,0 3,5 - 4,5 5,0 4,5 Нет

Рабочая температура, °С

-40

+55

-20

+55

-10

+40

-20

+40

-10

+35

-4

+40

-40

+55

-20

+45

Зависимость от колеба-

ний напряжения сети

Зависит

Не за-

висит

Потребность в источнике

питания

Требуется

Не тре-

буется

Тип расцепителя Электронно-электромагнитный

Элек-

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 рабо-

ты, 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 пожар-

ной 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 эксплуа-

тации и испытаний на пожарную опасность пламени, дыма, размягчения и

оплавления конструкционных материалов.

Качество УЗО должно быть гарантировано также сертификатом по-

жарной безопасности.

Не допускается применение УЗО

для электроустановок, внезапное от-

ключение которых может привести по технологическим причинам к воз-

никновению ситуаций, опасных для пользователей (например, к отключе-

нию 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.

139

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 по-

кров оболочек) кабелей и проводов являются аварийные режимы

работы

электрооборудования. Например, возникновение КЗ сопровождается вы-

бросом зажигающих частиц в виде горящих или расплавленных капель ме-

талла токопроводящих элементов. Токовая перегрузка кабелей и проводов,

большие переходные сопротивления в местах их соединений, ответвлений

и подключений к клеммным устройствам машин, аппаратов, светильников

и других устройств приводят к перегреву токопроводящих жил и

загора-

нию горючего материала (см. п. 1.3).

Наличие электрической защиты, выбранной в соответствии с нормами

и правилами, не всегда гарантирует безопасное протекание аварийных ре-

жимов при появлении источника зажигания. Тем более, что, например, ав-

томатические выключатели имеют надежность от 0,85 до 0,95. Кроме того,

защитные характеристики автоматических выключателей и плавких пре-

дохранителей имеют значительный

разброс, что в ряде случаев не позволя-

ет обеспечить время срабатывания защиты до появления пожароопасных

факторов (зажигающих частиц, нагрева проводников, воспламенения газо-

образных продуктов разложения изоляции и т.п.). С учетом большой про-

тяженности 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 фак-

торов: соответствием марки проводника и способа прокладки характеру и

свойствам окружающей среды, в том числе и ее пожаровзрывоопасности;

соответствием сечения проводников токовой нагрузке; выбором номи-

нальных параметров аппаратов защиты от токов перегрузки и коротких за-

мыканий; соблюдением требований монтажа, эксплуатации и т.д.

Важным

фактором обеспечения пожарной безопасности электриче-

ских сетей является допустимый нормами уровень нагрева проводников.

Температура проводника, длительное время не находящегося под нагруз-

кой током, равна температуре окружающей среды. Если такой проводник

нагрузить током неизменной величины I, его температура начнет увеличи-

140

ваться и постепенно достигнет установившейся величины t

, соответст-

вующей току I.

Представим отрезок провода, в котором с момента

= 0 появился ток

I. Примем температуру среды равной нулю и рассмотрим превышение тем-

пературы провода t (τ) над температурой среды, т.е. перегрев провода. То-

гда за время dτ в проводнике, имеющем активное сопротивление r, выде-

лится тепловая энергия Q

выд

= I

. Часть этой энергии Q

нагр

будет затра-

чена на нагревание провода, другая часть Q

рас

будет путем лучеиспускания

с поверхности провода, конвекции и теплопроводности рассеяна в окру-

жающую среду:

нагр

= cmdt,

где с – теплоемкость провода, Дж/(кг); m – масса провода, кг;

рас

где α – коэффициент теплопередачи, Вт/ (м

⋅ °С).

Тогда получаем Q

выд

= Q

нагр

+ Q

рас

или

= сmdt +

. (4.1)

Разделив обе части уравнения (4.1) на dτ, будем иметь однородное диф-

ференциальное уравнение первого порядка с постоянными коэффициентами

r = P = cm(dt/d

) +

t. (4.2)

Корень характеристического уравнения k получаем из выражения

cmk +

= 0

или

k = - (

/cm).

Общее решение запишется так:

(τ) = Ae

-(ατ/cm)

где А есть постоянная интегрирования, подлежащая определению.

Частное решение или установившийся перегрев получаем из уравне-

ния (4.2), приравняв dt/d

= 0 (нет изменения перегрева).

Тогда t

= t

= P/α.

Итак, получаем:

) = t

= Ae

ατ

/cm )

+ (P/

). (4.3)

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

А + Р/

= 0 или А = - Р/

Таким образом, окончательно

141

= t(τ) = (P/α) - [(P/α) e

-(ατ/cm)

] = (P/α)[1-e

-(ατ/cm)

]

или

t(τ) = t

(1-e

-τ/T

), (4.4)

где Т = cm/

- постоянная времени нагрева проводника. Если τ = Т, за это

время перегрев достигнет 0,632 t

. Постоянную времени можно предста-

вить как время, в течение которого провод нагрелся бы до установившейся

температуры t

, если бы рассеяние тепла в окружающую среду отсутство-

вало. Значения Т для некоторых типов проводников и условий прокладки

приведены в литературе.

Этот процесс роста превышения температуры проводника от нуля до

может быть представлен кривой ОВД (рис. 4.1), уравнение которой имеет

вид (4.4). По мере роста превышения температуры проводника отдача теп-

ла в окружающую среду возрастает (кривая ОВД), поэтому процесс повы-

шения температуры все больше замедляется и наконец наступает момент,

когда разница между количеством тепла, отдаваемым поверхностью про-

водника в окружающую среду, и

теплом, выделяемым в проводнике, ста-

новится неизменной. Следовательно, с достаточной точностью можно счи-

тать температуру нагреваемого проводника установившейся, если время τ

равно от 4 до 5 Т.

Рис. 4.1. Зависимость нагрева и охлаждения однородного

проводника по формуле (4.4)

Если с проводника снять нагрузку I, превышение температуры про-

водника начинает понижаться от установившегося значения t

и постепен-

но достигает нуля. Этот процесс охлаждения может быть изображен

кривой ДЕ. Таким образом, можно аналитически и графически представить

изменение превышения температуры проводника при любой переменной

А Нагрев проводника

Охлаждение

проводника

Е τ

0 Т 2 Т 3 Т 4 Т 0 Т 2 Т 3 Т 4 Т

t, °C

0,982t

0,632t