Особенности обеспечения электро- и пожаробезопасности с помощью УЗО

Принцип токовой дифференциальной защиты для защиты человека от поражения электрическим током был запатентован в 1928 году германской фирмой RWE в виде так называемого защитного выключателя тока неисправности, а по существу первого, во многом несовершенного даже по меркам того времени, устройства защитного отключения (УЗО). Действующий образец такого устройства на основе дифференциального трансформатора и поляризованного реле с недостаточными чувствительностью 0,01 А и быстродействием 0,1 с был изготовлен 9 лет спустя фирмой Schutzappara-tegesellschaft Paris & Co.

Дальнейший этап развития, совершенствования конструкции и применения УЗО в технологически развитых странах относится к концу 50-х - началу 60-х годов прошлого века. Начало этого этапа непосредственно связано с результатами исследований австрийского электротехника доктора Биглмайера, предложившего в 1958 году новую конструкцию УЗО (УЗО типа G) со сбережением энергии и малым временем срабатывания. В конструкции этого устройства были устранены нежелательные срабатывания УЗО при грозовых разрядах, увеличена чувствительность до значений 30 мА и существенно повышена надежность. Позднее был разработан селективный тип УЗО (УЗО типа S) с большей выдержкой времени, чем у УЗО типа G.
Впечатляющие успехи в разработке новых конструкций УЗО и их высокая эффективность в предотвращении смертельного электротравматизма в 60-70-х годах прошлого века в Западной Европе, Японии, США и ряде других стран, где происходило активное внедрение этих устройств, способствовали тому, что МЭК в 1977 году признал защиту с помощью УЗО в качестве самостоятельной защиты, приняв комплект стандартов МЭК 60-364.
На этом доработка и дальнейшее совершенствование конструкций УЗО не прекратились. Так, в 1996 году на основе проведенных доктором Биглмайером новых исследований и разработок были выпущены новые, еще более совершенные конструкции УЗО (УЗО типа FN7), не требовавшие проведения регулярного тестирования и существенно превосходившие по надежности все ранее выпускавшиеся типы этих устройств, что значительно расширило область их применения. Это привело к тому, что в настоящее время УЗО стали основными электрозащитными элементами всех распределительных щитов зданий и сооружений, передвижных объектов, ангаров, гаражей и т.д.
Однако масштабы применения УЗО в других, не связанных с электробезопасностью областях, все еще остаются не полностью реализованными. в первую очередь это относится к использованию пожарозащитных свойств этого устройства, реализация которых для обеспечения пожаробезопасности недостаточна.

Принцип действия УЗО и основные области применения этих устройств
Функционально одно из наиболее массовых применений УЗО связано с его использованием в трехпроводной электросети с разделенными защитным проводником «земля» и рабочим «ноль» в качестве быстродействующего защитного выключателя, реагирующего на дифференциальный ток (ток утечки) в проводниках, проводящих электроэнергию к защищаемой электроустановке [1-4,6].

Принцип действия УЗО, реагирующего на ток утечки, поясняет упрощенная принципиальная схема этого устройства, приведенная на рис.1. Согласно этой схеме в нормальном режиме работы, когда отсутствует ток утечки 1_ут, по проводникам силовой электрической цепи, проходящим сквозь окно магнитного сердечника датчика дифференциального тока 1 протекают рабочие токи нагрузки. Эти токи наводят в магнитном сердечнике датчика равные, но векторно встречно направленные магнитные потоки. При этом результирующий магнитный поток равен нулю, и, следовательно, ток во вторичной обмотке также равен нулю. Вся система находится в состоянии покоя.
При возникновении тока утечки l_ут (например, тока утечки на землю или тока, появившегося в результате прикосновения человека к токоведущим частям электроустановки) баланс токов в питающих проводниках, а, следовательно, и магнитных потоков в сердечнике нарушается, и во вторичной обмотке появляется трансформированный дифференциальный ток (ток небаланса) I₂. Если этот ток превышает значение уставки электромагнитной защелки на постоянном магните 2, защелка срабатывает и посредством рычага размыкает замок механизма свободного расцепления 3, что приводит к отключению защищаемой цепи от питающей сети.
Кнопка Т («ТЕСТ») 4 в цепи тестирования, предназначенной для искусственного создания дифференциального тока, служит для осуществления периодического контроля исправности УЗО. Такой контроль достигается при нажатии на эту кнопку, вызывающем замыкание цепи тестирования.
Отметим, что контакты медного токового расцепителя УЗО обязательно должны быть посеребренными, а он сам должен быть оборудован специальной дугогасительной камерой, позволяющей получить высокие характеристики коммутационной износостойкости и предельной коммутационной способности. Так, комбинированные зажимы из посеребренной меди и анодированной стали в состоянии обеспечить надежный контакт с медными и алюминиевыми проводами сечением 1...35 кв. мм. Кроме того, во всех случаях использования УЗО необходимо последовательно с ним включать автоматический выключатель аналогичного или меньшего номинала, так как конструкция УЗО не предусматривает защиты от КЗ (сверхтоков).
Общий вид автоматического выключателя дифференциального тока (АВДТ) компании АББ, сочетающего в себе две функции - защиту от токов замыкания на землю и защиту от сверхтоков, показан на рисунке, помещенном в самом начале этой статьи.

Отличительные особенности УЗО по способу их технической реализации:
- независимость УЗО электромеханического типа от напряжения питания; в них источником энергии, необходимой для их функционирования, то есть выполнения операции отключения, служит сам сигнал - ток утечки, на который это устройство реагирует.
- зависимость УЗО электронного типа от напряжения питания; в них для выполнения операции отключения необходим подвод энергии от контролируемой электросети или от внешнего источника.
В ряде европейских стран, таких как Германия, Австрия, Франция и др., электротехнические нормы допускают использование только УЗО электромеханического типа, а электронные УЗО разрешены лишь в качестве дополнительной защиты к устройствам первой категории для конечных электропотребителей (электроинструмента, передвижных электроприемников и т.д.). В других странах такие нормы отсутствуют.
Отметим, что УЗО электромеханического типа широко представлены на украинском рынке такими ведущими мировыми компаниями, как ABB, Siemens, Merlin-Gerin, Schneider Electric, Legrand, ACKO и др., a в России наибольшее распространение получили электромеханические устройства АСТРО*УЗО, выпускаемые ОАО «Технопарк-Центр» (Москва).

Отличительные особенности УЗО по быстродействию и селективности (избирательности действия).
Быстродействие и селективность являются главными техническими характеристиками УЗО, так как чем менее продолжительным будет время отключения поврежденного участка электрической цепи, тем меньшей будет вероятность получения электротравмы или возгорания электропроводки и возникновения пожара. Однако при слишком малом времени отключения цепи существует большая вероятность ложных срабатываний УЗО, что часто имело место в начальный период применения таких устройств.
Таким образом, чтобы эти устройства были в состоянии выполнять основную задачу - защиту человека от поражения электрическим током и защиту тех или иных объектов и сооружений от возгораний и пожаров, вызываемых током утечки через изношенную изоляцию электропроводки и некачественно выполненные соединения, время отключения цепи должно быть оптимальным — не слишком быстрым, чтобы исключалась возможность возникновения ложных срабатываний, и в то же время не слишком большим, чтобы человек, случайно прикоснувшийся к находящейся под напряжением электропроводке, не успел получить электротравму, или не возникло возгорание электропроводки.

Российские стандарты ГОСТ Р 51326.1-99 и ГОСТ Р 51327.1-99 определяют два временных параметра УЗО:
— время отключения как промежуток времени между моментом внезапного появления отключающего дифференциального тока и моментом гашения дуги на всех полюсах УЗО;
- предельное время неотключения (несрабатывания) для УЗО типа S как максимальный промежуток времени от момента возникновения в главной цепи устройства отключающего дифференциального тока до момента размыкания контактов. Предельное время неотключения является той выдержкой времени, которая позволяет достичь селективности действия УЗО при работе в многоуровневых системах защиты.
Согласно ГОСТ предельно допустимое время отключения УЗО составляет 0,3 с (для УЗО типа S - 0,5 с), однако быстродействие современных устройств составляет 0,02...0,03 с.

Согласно нормам МЭК [2-4] стандартные значения максимально допустимого времени отключения Гп при любом рабочем токе нагрузки и заданных нормами значениях дифференциального тока утечки I_Δ, равного I_Δn, 2I_Δn и 5I_Δn не должны превышать величин, приведенных в табл.1.
Следует учитывать, что время отключения повреженного участка цепи с помощью УЗО при защите людей от поражения электрическим током и от возгорания поврежденного участка изоляции цепи, существенно отличается по продолжительности:  УЗО,  защищающее людей  от поражения электрическим током должно размыкать электрическую цепь очень быстро - в течение 10...30 мс, а УЗО, предназначенное для защиты от возгорания изоляции, может иметь намного большее время срабатывания - 300 и 500 мс.
В связи с этим в электроустановках применяют различные типы УЗО:
- УЗО для общего применения (без задержки срабатывания);
- УЗО типа G с минимальной задержкой срабатывания 10 мс, которое применяется для защиты людей от поражения электрическим током;
- УЗО типа S (селективное) с минимальной задержкой срабатывания 40 мс, которое применяется для защиты различных объектов от возгорания изоляции.
Предельные значения времени отключения каждого из этих типов УЗО в зависимости от величины отключающего дифференциального тока /д приведены в табл.2, где обозначено:I_Δn - значение номинального отключающего дифференциального тока УЗО при заданных условиях эксплуатации [2-4].

Следует отметить, что согласно приведенным в табл.2 данным УЗО для общего применения и УЗО типа G с одинаковыми верхними предельными значениями времен отключения должны отключиться не позднее, чем через 0,3 с, а УЗО типа S - не позднее, чем через 0,5 с после возникновения отключающего дифференциального тока 'д='\п/ причем у УЗО для общего применения отсутствует нижняя граница времени срабатывания. Кроме того, характерной особенностью УЗО с задержкой срабатывания является то, что это устройство имеет определенное время неотключения, то есть время, в течение которого это устройство находится в состоянии ожидания. На практике это свойство УЗО используется для исключения ложных срабатываний под влиянием кратковременных внешних воздействий (перенапряжений, различных помех и т.п.).
Уставки УЗО выбираются на основе критериев:
- электробезопасности с учетом тока нагрузки -в случае применения УЗО для предотвращения электротравматизма;
- недопущения превышения граничного значения мощности, способного вызвать воспламенение поврежденной изоляции, - в случае применения УЗО для обеспечения пожаробезопасности защищаемых объектов.
Поскольку критерии электробезопасности достаточно полно освещены в технической литературе, например, в [5], нет необходимости в их анализе. Что же касается критерия недопущения превышения граничного значения мощности, способного вызвать воспламенение поврежденной изоляции, то этот критерий менее известен и заслуживает того, чтобы пояснить его сущность на примере зависимости мощности, выделяемой в месте повреждения изоляции, от времени отключения УЗО.

График зависимости мощности, выделяемой в месте повреждения изоляции, от времени отключения УЗО со значениями номинального отключающего дифференциального тока  10, 30 и 300 мА приведен на рис.2 [1].
Из приведенных на этом рисунке зависимостей следует, что даже УЗО с номинальным отключающим дифференциальным током 'дп= 300 мА способно достаточно быстро отключить дефектную цепь, в которой выделяется мощность порядка 30-60 Вт. Именно такая величина мощности считается допустимой для отключения участка цепи с поврежденной изоляцией, которая может вызвать ее воспламенение.
Рекомендуемые значения номинального дифференциального тока I_Δn (уставки) УЗО в зависимости от номинального тока в зоне защиты приведены в табл.3 [2-4].
Области применения УЗО: вновь строящиеся, реконструируемые, капитально ремонтируемые жилые дома, общественные здания, промышленные сооружения, хозяйственные постройки и т.д. В таких объектах УЗО применяют для комплектации вводно-распределительных устройств, распределительных щитов, групповых щитков, а так же для защиты отдельных электропотребителей. Кроме того, в особо опасных помещениях, для ответственных и конечных потребителей дополнительно применяются УЗО, встроенные в розеточные блоки. Для переносных электроприборов и электроинструмента используют УЗО-розетки и УЗО-вилки, входящие в комплект электроприборов или выполненные в виде шнура-удлинителя.

УЗО запрещено применять на объектах и в групповых цепях, внезапное отключение которых может привести по технологическим причинам к возникновению аварийных ситуаций, опасных для пользователей и обслуживающего персонала, к отключению пожарной, охранной сигнализации и т.п.

Комплексное использование УЗО
Рассмотрев принцип действия УЗО и наиболее массовые области применения этих устройсв, охарактеризуем теперь особенности их использования для обеспечения электро- и пожаробесности.
Согласно общепринятой, законодательно закрепленной стандартами МЭК концепции обеспечения электробезопасности в электроустановках предусматривается применение трех видов защит [6]:
1) электрическое разделение цепей;
2) система безопасного сверхнизкого напряжения;
3) дополнительная защита открытых проводящих частей в виде дополнительной системы уравнивания потенциалов, оборудования с усиленной изоляцией либо УЗО со значением номинального отключающего дифференциального тока I_Δn Кроме этих защит, обеспечивающих электробезопасность людей от действия электрического тока, применяется также защита от пожаров, вызываемых током утечки. Эта защита основана на применении селективных УЗО типа S со значением номинального отключающего дифференциального тока I_Δn Типичная схема трехуровневой защиты электрической цепи от поражения электрическим током и противопожарной защиты с использованием двух различных типов УЗО - чувствительного УЗО-Д и селективного УЗО приведена на рис.3 [4], где обозначено:
I  — первый уровень электрозащиты в виде основной зашиты человека посредством изоляции (4, 5) от его прямого контакта с токоведу-щими частями электроустановки, находящимися под напряжением;
II   - второй уровень электрозащиты в виде защиты при повреждении изоляции (3, I);
Ill — третий уровень электрозащиты в виде дополнительной зашиты, основанной на применении чувствительного УЗО-Д с I_Δn≤З0 мА (2);
1- автоматический выключатель, применяемый для защиты от сверхтока;
2 - УЗО-Д с I_Δn≤З0 мА;
3 - защитный проводник;
4 - стационарное оборудование защиты класса I;
5 - штепсельная розетка;
6 - УЗО тина S с I_Δn≤З00 мА, обеспечивающее селективную защиту электрической цепи и защиту от пожаров, вызываемых наличием тока утечки.
Обратим внимание на то, что в приведенной на рис.3 схеме применены два различные типа УЗО - чувствительное дифференциальное УЗО-Д типа G, защищающее человека от поражения электрическим током, и селективное УЗО типа S, предназначенное для селективной защиты цепи и защиты от возгораний изоляции и пожаров, возникающих вследствие протекания токов утечки и развивающихся из них КЗ, замыканий на корпус и замыканий на землю. УЗО первого типа (типа G) отключает поврежденную цепь сазу же - не позже, чем через 30 мс после возникновения дифференциального тока, а УЗО второго типа (типа S) -с небольшой задержкой срабатывания, не превышающей 40 мс. Это означает, что в течение 40 мс УЗО типа S должно находиться в состоянии ожидания и не должно срабатывать даже при больших значениях дифференциального тока. Отсюда следует, что цель задержки срабатывания УЗО типа S - устранение возможных ложных отключений.
Таким образом, массовое применение УЗО на всех защищаемых от пожара объектах способно радикально изменить ситуацию с возникновением пожаров, которые могут произойти из-за возгорания электропроводки. При этом особенно важным является тот факт, что УЗО в состоянии отключить дефектную цепь заблаговременно, еще до развития тока утечки, и тем самым предотвратить недопустимый нагрев проводников и последующее возгорание их изоляции.

Литература
1. Монахов В. Устройства защитного отключения как одно из наиболее эффективных средств предотвращения возгораний и пожаров // Пожарная безопасность. - 2003. - №5.
2. Монаков В.К. УЗО. Теория и практика. - М.: ЗАО «Энергосервис», 2007.
3. Маньков В.Д., Заграничный С.Ф. Устройства защитного отключения, реагирующие на дифференциальный ток. Справочное пособие. - СПб.: НОУ ДПО «УМИТЦ «Электро Сервис», 2007.
4.  Носанов Н.И. Устройства защитного отключения и их применение. — Макеевка: Изд. ДонГАСА, 2003.
5. Малиновский А.А. Безопасность взаимодействия человека с электрическими установками (на укр. яз.): Монография. Львов: Изд-во Национального университета «Львовская политехника», 2004.
6. Использование и эволюция систем заземления в разных странах мира. Библиотечка электрика / выпуск 2 // Промэлектро. - 2006. - №3.