 |
Защита в системах электроснабжения жилых и общественных зданий
|
|
|
|
Короткое замыкание (КЗ) относится к аварийным режимам и бывает одно-, двух- и трёхфазным. Самым тяжёлым является трёхфазное КЗ, но оно возникает значительно реже, чем однофазное или двухфазное КЗ. Причинами КЗ являются:
- пробой изоляции;
- перекрытие изоляции;
- неправильная сборка схемы;
- ошибки обслуживающего персонала.
Токи КЗ, во много раз превышающие номинальные токи присоединённых электроприёмников и допустимые токи проводников, оказывают динамическое и термическое действие на токоведущие части, вызывая выход их из строя. Поэтому КЗ надо локализовать и быстро отключить повреждённый участок сети.
Если КЗ является аварийным режимом, то перегрузки относятся к ненормальным режимам, так как сопровождаются прохождением по электрооборудованию и токоведущим проводникам повышенных токов, вызывая ускоренное старение изоляции, что может привести к КЗ.
В качестве аппаратов защиты электросетей и электроустановок жилых и общественных зданий применяют автоматические выключатели и предохранители. Допускается при необходимости использование реле косвенного действия с целью обеспечения требований чувствительности, быстродействия или избирательности (селективности).
Если используется защита с помощью реле косвенного действия, то в зависимости от режима работы и условий эксплуатации электроустановки релейную защиту выполняют с действием на сигнал или на отключение.
С целью удешевления электроустановок вместо автоматических выключателей и релейной защиты применяют плавкие предохранители.
Виды и схемы защиты
Электрические сети жилых и общественных зданий должны иметь защиту от токов КЗ, обеспечивающую наименьшее время отключения и требования избирательности действия. Защита должна отключать повреждённый участок при КЗ в конце защищаемой линии:
|
|
|
- одно-, двух-, трёхфазных – в сетях с глухозаземлённой нейтралью;
- двух- и трёхфазных – в сетях с изолированной нейтралью.
Аппараты защиты выбирают и размещают таким образом, чтобы их срабатывание происходило с выдержкой времени, увеличивающейся по мере их удаления в сторону источника питания. Этим обеспечивается избирательность действия защиты, которая не всегда может быть достигнута в сетях напряжением до 1 кВ при применении автоматических выключателей и предохранителей. Последнее объясняется разбросом характеристик аппаратов защиты, особенно предохранителей.
Достоинствами плавких предохранителей являются простота устройства, относительно малая стоимость, быстрое отключение цепи при КЗ (меньше одного периода), способность предохранителей типа ПК ограничивать ток в цепи при КЗ.
К недостаткам плавких предохранителей относятся следующие: предохранители срабатывают при токе, значительно превышающем номинальный ток плавкой вставки, и поэтому избирательность отключения не обеспечивает безопасность отдельных участков сети; отключение сети плавкими предохранителями связано обычно с перенапряжением; возможно однофазное отключение и последующая ненормальная работа установок; одноразовость срабатывания предохранителя и, как следствие, значительное время на замену предохранителя.
Наиболее распространёнными предохранителями, применяемыми для защиты установок напряжением до 1 кВ, являются:
ПР – предохранитель разборный;
НПН – предохранитель насыпной неразборный;
ПП – предохранитель плавкий разборный.
Шкала номинальных токов предохранителей от 15 до 1000 А.
Автоматические выключатели являются более совершенными аппаратами защиты по сравнению с предохранителями.
|
|
|
Автоматические воздушные выключатели могут снабжаться следующими встроенными в них расцепителями:
- электромагнитным или электронным максимального тока мгновенного или замедленного действия с практически не зависящей от тока скоростью срабатывания (защита от токов КЗ);
- электротермическим или тепловым (обычно биметаллическим) или электронным инерционным максимального тока с зависимой от тока выдержкой времени (защита от токов перегрузки);
- минимального напряжения.
Тепловой расцепитель автоматического выключателя не защищает питающую линию или асинхронный двигатель от токов КЗ, так как тепловой расцепитель, обладая большой тепловой инерцией, не успевает нагреться за малое время существования КЗ.
В зависимости от наличия механизмов, регулирующих время срабатывания расцепителей, автоматические выключатели разделяют на неселективные с временем срабатывания от 0,02 до 0,1 с; селективные с регулируемой выдержкой времени; токоограничивающие с временем срабатывания не более 0,005 с.
Расцепители максимального тока устанавливают во всех фазах, остальные – по одному на выключатель. В одном выключателе обычно применяют токовые расцепители и расцепитель минимального напряжения, Выбор номинального тока или уставки расцепителей максимального тока аналогичен выбору номинального тока плавких вставок предохранителей.
Основные преимущества автоматических выключателей заключается в следующем:
- отключают все три фазы при токах КЗ или перегрузках, тем самым исключается работа электроустановок в неполнофазных режимах;
- готовы к работе вскоре после срабатывания;
- имеют более точные времятоковые характеристики;
- совмещают функции защиты и коммутации.
Для жилых и общественных зданий основной характеристикой защиты является быстрота действия.
Электрические сети внутри зданий, выполненные открыто проложенными проводниками с горючей наружной оболочкой или изоляцией, защищают от перегрузки. Кроме того, от перегрузки защищают сети внутри зданий, а именно:
- осветительные сети жилых и общественных зданий, торговых помещений, включая сети для бытовых переносных электроприёмников (утюгов, чайников, комнатных холодильников;
|
|
|
- силовые сети жилых и общественных зданий, торговых помещений только в случаях, когда по режиму работы сети может возникать длительная перегрузка проводников.
Обычно в жилых и общественных зданиях в силовых сетях таких режимов практически не существует, поэтому они защищаются только от КЗ. Исключение составляют электрические сети лифтов, противопожарных устройств и т.п., относящихся к I-ой категории по надёжности питания, при установке устройств АВР (например, на ВРУ). Такие сети защищают и от перегрузки.
В электрических сетях, защищаемых от перегрузки, проводники выбирают по расчетному току. В этом случае аппараты защиты должны иметь по отношению к длительно допустимым токовым нагрузкам кратность не более:
- 80 % для номинального тока плавкой вставки или тока уставки автоматического выключателя, имеющего только максимальный мгновенно действующий расцепитель (отсечку),
- для проводников с поливинилхлоридной, резиновой или аналогичной по тепловым характеристикам изоляцией;
- 100 % для номинального тока плавкой вставки или тока уставки автоматического выключателя, имеющего только максимальный мгновенно действующий расцепитель (отсечку), - для кабелей с бумажной изоляцией;
- 100 % для номинального тока расцепителя автоматического выключателя с нерегулируемой обратно зависящей от тока характеристикой (независимо от наличия или отсутствия отсечки) – для проводников всех марок;
- 100 % для тока трогания расцепителя автоматического выключателя с регулируемой обратно зависящей от тока характеристикой – для проводников с поливинилхлоридной, резиновой или аналогичной по тепловым характеристикам изоляцией;
- 125 % для тока трогания расцепителя автоматического выключателя с регулируемой обратно зависящей от тока характеристикой – для кабелей с бумажной изоляцией и изоляцией из вулканизированного полиэтилена.
Силовые электроприёмники (электродвигатели переменного тока) защищают от многофазных КЗ, в сетях с глухозаземлённой нейтралью – также от однофазных КЗ. Кроме того, электродвигатели защищают от токов перегрузки (максимальная токовая защита), если она имеет место, и от понижения напряжения (минимальная защита).
|
|
|
Для защиты электродвигателей от КЗ применяют предохранители или автоматические воздушные выключатели. Для надёжного отключения КЗ на зажимах электродвигателя с лёгким и условиями пуска отношение пускового тока электродвигателя к номинальному току плавкой вставки должно быть не более 2,5, а для электродвигателей с тяжёлыми условиями пуска (частые пуски и т.п.) это отношение должно быть в пределах от 2,0 до 1,6.
В качестве примера на рис. 8.11 приведена однолинейная схема панели ВРУ для ввода питания в жилые и общественные здания.
При выполнении распределительной подстанции (распределительного пункта, силового пункта, рспределительного щита, шкафа и т.д.) на напряжение до 1 кВ используют стандартные панели, на которых устанавливают комплекты с автоматическими выключателями, иногда с контакторами.
Рисунок 8.11. Схема панели ВРУ на напряжение 0,4 кВ
Схема распределительного щита с рубильниками и предохранителями РПС-2 и трансформаторами тока ТК-20 приведена в трёхфазном исполнении на рис. 8.12. При составлении схемы распределительного пункта нагрузки и отходящие линии подбирают таким образом, чтобы РП не получился громоздким и дорогостоящим, но в то же время было устойчиво к токам КЗ. При линиях небольших сечений нагрузки группируют по мелким магистралям. В случае применения рубильников с предохранителями пропускную способность отходящих линий для силовой нагрузки рекомендуется принимать равной 250 и 400 А. Сечения проводников и кабелей выше 150 мм2 применять не рекомендуется.
Рис. 8.12. Схема панели распределительного щита на четыре линии с рубильниками и предохранителями на напряжение 0,4 кВ
В схемах РП для силовых и осветительных сетей должно быть обеспечено отключение всей РП без нарушения работы остальных РП, питающихся от одной магистрали. Для силовых РП это достигается применением общих рубильников на вводе, причём при питании группы РП «цепочкой» каждая РП может быть отключена без нарушения работы самой цепочки.
Для потребителей, требующих более надёжного электроснабжения, применяют РП с двумя рубильниками или контакторами. Ответвления от РП защищают предохранителями или автоматическими выключателями.
Устройства защитного отключения
Обычно защита человека от повреждения электрическим током при косвенном прикосновении к повреждённой установке осуществляется путём отключения её предохранителями или автоматическими выключателями. Но эти защиты не реагируют на малые токи утечки, возникающие при начале развития повреждения в сети, а также при обрыве нулевого проводника. В этих случаях единственным средством защиты человека от косвенного прикосновения является УЗО, обеспечивающее быстрое (за долю секунды) отключение установки от сети.
|
|
|
Одним из действенных способов повышения электробезопасности при эксплуатации электроустановок и проборов в жилых и общественных зданиях является применение устройств защитного отключения, управляемых дифференциальным током (УЗО-Д). Это устройство представляет собой коммутационный аппарат, который при достижении (превышении) дифференциальным током заданного значения при определённых условиях эксплуатации должен вызвать размыкание контактов. УЗО-Д нашли широкое применение в европейских странах, где в эксплуатации находятся около шестисот миллионов УЗО, установленных в жилых и общественных зданиях. Опыт эксплуатации УЗО доказал их высокую эффективность как средство защиты от токов повреждений.
Из всех известных электрозащитных средств УЗО является:
- единственным, обеспечивающим защиту человека от повреждения электрическим током в случае прямого прикосновения к токоведущим частям;
- способным осуществлять защиту от возгораний и пожаров, возникающих вследствие неисправности электрооборудования, электропроводки.
При малых токах замыкания, снижении уровня изоляции, а также обрыве нулевого защитного проводника зануление недостаточно эффективно, поэтому в этих случаях УЗО является единственным средством защиты человека от поражения электрическим током.
Кроме того, УЗО заблаговременно, до развития в КЗ, отключает электроустановку от источника питания (это УЗО противопожарного назначения с уставкой 300 мА).
УЗО со встроенной защитой от сверхтоков часто называют «дифференциальный автомат», «дифференциальный выключатель». Это название – ошибочное, не соответствует российским стандартам. Оно появилось в результате неправильного перевода иностранного
В настоящее время идёт увеличение нагрузок в электроустановках зданий
Кроме своего основного назначения, указанного выше, УЗО может использоваться для защиты от скачков напряжения в сети, рис.8.13. принцип действия состоит в том, что при увеличении напряжения свыше 270 В возникает дифференциальный ток, протекающий через нелинейное сопротивление СН, что приводит к отключению УЗО.
СН – сопротивление нелинейное; R1 – омическое сопротивление;
УЗО с отключающимся дифференциальным током 30 мА
Рисунок 8.13 - Принципиальна схема включения УЗО для защиты
от скачков напряжения в сети:
Ниже приведены различные схемы электроустановок зданий с применением УЗО, рисунки 8.14, 8.15, 8.16.
Рисунок 8.14 - Принципиальная схема электроснабжения квартиры с системой ТN-S
(Рекомендуемое временное решение для старого жилого фонда):
1 – УЗО; 2 – цепь освещения; 3 – розеточная цепь; 4 – электроплита
Рисунок 8.15 - Схема электроснабжения квартиры при отсутствии защитного проводника РЕ в розеточной цепи и цепи освещения
1 – УЗО; 2 – освещение; 3 – розеточные цепи; 4 – ванная комната
Рисунок 8.16 - пример электроснабжения двухкомнатной квартиры (ТN-C-S):
Обеспечение селективности при применении УЗО
По условиям функционирования УЗО подразделяют на следующие типы:
- АС – устройство защитного отключения, реагирующее на переменный синусоидальный дифференциальный ток, возникающий внезапно, либо медленно возрастающий;
- А – устройство защитного отключения, реагирующее на переменный синусоидальный дифференциальный ток и пульсирующий постоянный дифференциальный ток, возникающие внезапно, либо медленно возрастающие;
- В – устройство защитного отключения, реагирующее на переменный, постоянный и выпрямленный дифференциальные токи;
- S – устройство защитного отключения, селективное (с выдержкой времени отключения);
- G – то же, что и тип S, но с меньшей выдержкой времени.
Источником пульсирующего тока являются, например, стиральные
машины с регуляторами скорости, регулируемые источники света, телевизоры, видеомагнитофоны, персональные компьютеры и др.
В жилых зданиях, как правило, должны применяться УЗО типа А, реагирующие не только на переменные, но и на пульсирующие токи повреждений.
Практически все персональные компьютеры, телевизоры, видеомагнитофоны имеют импульсные блоки питания; все последние модели электроинструмента, стиральных машин, швейных машин, бытовых кухонных электроприборов снабжены тиристорными регуляторами без разделительного трансформатора. Широко применяются различные светильники – торшеры, бра с тиристорными светорегуляторами.
Следовательно, вероятность возникновения утечки пульсирующего постоянного тока, а значит и поражения человека значительно возросла, что явилось причиной для внедрения УЗО типа А.
УЗО устанавливают:
- во ВРУ, расположенных в помещениях без повышенной опасности поражения током, в местах, доступных для обслуживания;
- в групповых цепях электроустановки зданий, где имеет место наибольшая вероятность электропоражения людей при прикосновении к токоведущим или открытым проводящим частям электрооборудования, которые могут из-за повреждения изоляции оказаться под напряжением (розеточные группы, ванные, душевые комнаты, стиральные машины и др.);
- УЗО, предназначенные для осуществления противопожарной защиты, должны устанавливаться на главном вводе объекта;
- в многоквартирных жилых домах УЗО рекомендуется устанавливать в групповых, в том числе в квартирных щитках, допускается их установка в этажных распределительных щитках; в индивидуальных домах – во ВРУ и этажных распределительных щитках;
- в схемах электроснабжения радиального типа со значительным количеством отходящих групп рекомендуется установка общего на вводе и отдельного УЗО на каждую группу при условии соответствующего выбора параметров УЗО, обеспечивающих селективность их действия.
Для обеспечения селективной работы нескольких УЗО в радиальных схемах электроснабжения необходимо учитывать следующие факторы:
- в силу очень высокого быстродействия УЗО практически невозможно обеспечить селективность действия УЗО по току утечки при значениях уставок на соседних ступенях защиты, например, 10 и 30 мА; или 30 и 300 мА;
- на практике утечка тока в электроустановке вовсе не обязательно плавно увеличивается по мере старения изоляции, появления мелких дефектов и т.д.
Возможны пробой изоляции или её серьёзное повреждение, когда ток утечки мгновенно достигает значения, превышающего уставки на обеих ступенях защиты. При этом возможно срабатывание любого из УЗО, установленных последовательно в цепи;
- селективность работы УЗО может быть обеспечена применением модификации УЗО с задержкой срабатывания (УЗО с индексом «S» и «G»).
Важно учесть, что УЗО, работающие с выдержкой времени, находятся более долгое время под воздействием экстремальных токов, поэтому к ним предъявляются повышенные требования по условному току короткого замыкания, термической и динамической стойкости, коммутационной способности и т.д.
На главном вводе в распределительном щите электроустановки, как правило, устанавливают УЗО противопожарного назначения типа «S» с номинальным отключающим дифференциальным током 300 или 500 мА.
На рис. 8.17 приведены примеры схем с двумя и тремя уровнями селективности.
Как правило, УЗО применяются вместе с автоматическими воздушными выключателями или плавкими предохранителями, селективность действия которых также надо обеспечивать в системах электроснабжения.
Рисунок 8.17 - Примеры схем с двумя и тремя уровнями селективности
Как правило, УЗО применяются вместе с автоматическими воздушными выключателями или плавкими предохранителями, селективность действия которых также надо обеспечивать в системах электроснабжения.
Если в сети установлено несколько последовательно включённых предохранителей, рис. 8.18, то при КЗ, например, в точке К2 плавкая вставка предохранителя F2 должна разорвать дугу раньше, чем плавкая вставка предохранителя F1. Это возможно в том случае, если защитная характеристика 1 плавкой вставки предохранителя F1 расположена выше защитной характеристики 2 плавкой вставки предохранителя F2 во всём диапазоне токов, проходящих по защищаемой цепи при перегрузках и при КЗ.Для получения селективного действия большинства типов предохранителей необходимо исходить из следующего:
- для последовательно установленных однотипных низковольтных предохранителей следует выбирать плавкие вставки с номинальными токами, отличающимися на две ступени шкалы;
- для разнотипных предохранителей плавкие вставки выбирают с номинальными токами, отличающимися больше, чем на две ступени шкалы, сохраняя требуемую чувствительность.
а) схема электроснабжения; б) защитные характеристики предохранителей 1 и 2
Рисунок 8.18 - Защита предохранителями радиальной сети
с односторонним питанием:
Однако, как показал опыт эксплуатации, такое согласование низковольтных предохранителей не всегда обеспечивает их селективную работу. Это связано с тем, что фактическое время отключения предохранителя может отличаться от полученного по его защитной характеристике. Для обеспечения селективного отключения последовательно установленных автоматов защитные характеристики их расцепителей не должны пересекаться, причём уставка тока у расцепителя выключателя SF1, расположенного ближе к источнику питания, должна быть больше, чем у расцепителя автомата SF2, рис. 8.19. При согласовании защитных характеристик среднюю погрешность действия расцепителей принимают равной ± 20 % независимо от типа автомата.
Рисунок 8.19 - Защита сети автоматическими выключателями
Селективность обеспечивается также, если согласовывать номинальные токи плавких вставок по следующему выражению
IВС.НОМ.1 ≥ 1,26 I ВС. НОМ.2.
В сетях напряжением до 1 кВ необходима селективность при совместной работе автоматических выключателей и предохранителей. В случае, когда ближе к источнику питания находится автоматический выключатель, селективности достичь просто, используя селективный автоматический выключатель. В случае, когда ближе к источнику находится предохранитель, требования к селективности такие же, как при согласовании между собой защитных характеристик предохранителей.
Как говорилось ранее, автоматические выключатели имеют преимущества по сравнению с предохранителями: в нормальном режиме и при любых видах КЗ они производят отключение всех трёх фаз, тем самым исключаются неполнофазные режимы. Это позволяет с их помощью выполнить схемы сетевой автоматики (УАПВ, УАВР); расцепители автоматических выключателей являются более совершенным устройством, чем плавкая вставка предохранителя.
9. ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
Электроснабжение производственных предприятий и населённых пунктов в сельской местности имеет свои особенности по сравнению с электроснабжением городов. Главная из них – необходимость подводить электроэнергию к огромному числу сравнительно маломощных объектов, рассредоточенных на большой площади. В результате протяжённость сетей (в расчёте на единицу мощности потребителей) во много раз больше, чем в других отраслях.
Все это говорит о сложности проблемы электроснабжения сельского хозяйства, от решения которой зависит экономическая эффективность применения электроэнергии в сельскохозяйственном производстве и быту.
Наряду с развитием систем электроснабжения сельского хозяйства происходит их реконструкция. Часть воздушных линий 0,38 и 10 кВ с неизолированными проводами заменяют самонесущими изолированными проводами (СИП).
Важный показатель системы электроснабжения - надёжность подачи электроэнергии. Для крупных сельскохозяйственных предприятий (животно-водческих ферм, птицефабрик, тепличных комбинатов и др.) любое отключение – плановое (для ревизии и ремонта) и особенно аварийное – наносит огромный ущерб потребителям. Поэтому необходимо применять эффективные меры по обеспечению требуемого уровня надёжности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей.
|
|
|
