City9 Set: устройства защитного отключения от компании Systeme Electric

В статье рассматриваются основные принципы работы устройств защитного отключения. Представлена новая серия City9 Set от компании «Систэм Электрик».

«Систэм Электрик», г. Москва

скачать pdf >>

На протяжении многих лет большое количество людей получает электротравмы как в собственных домах, так и на производстве в результате непрямого прикосновения к электрическим приборам, которые в результате неправильной работы могут находиться под напряжением. В России и странах СНГ, а также на мировых рынках органы государственной власти по электробезопасности выступают за широкое использование устройств дифференциального то­ка (ВДТ), также известных как предохранительные выключатели или устройства от утечки то­ка на землю, в качестве эффективного средства защиты от угрозы поражения электрическим током.

ВДТ может обеспечить защиту людей от смертельно опасного поражения электрическим током из-за утечки на землю, а также может обеспечить защиту от пожароопасных ситуаций в электроустановках. Правила электромонтажа Российской Федерации СП 256.1325800.2016 «Электроустановки жилых и общественных зданий. Правила проектирования и монтажа» требуют, чтобы активные металлические токопроводящие части электроустановки бы­ли защищены одним или несколькими устройствами, которые автоматически отключают питание в случае перегрузки по то­ку, прежде чем такая перегрузка достигнет величины или продолжительности, которые могут привести к травмам людей или повредить электроустановку жилого до­ма из-за чрезмерных температур или электромагнитных волн (молния) перенапряжений.

Правила «Электроустановки жилых и общественных зданий» также требуют дополнительной защиты в большинстве электрощитов конечного распределения с помощью установки устройств защитного отключения совместно с автоматическим выключателем.

В исправной электрической це­пи то­ки протекают от источника (то есть трансформаторной подстанции) к нагрузке и обратно по петле (показана зеленым пунктиром на рис. 1), которая может включать одну или три фа­зы (L1, L2, L3) и нейтральный проводник (N). В случае замыкания на землю образуется дополнительная токовая петля (красный пунктир на рис. 1), в которой ток течет обратно к источнику ли­бо через землю, ли­бо через заземляющий проводник, такой как, например, защитное заземление (PE). Помимо замыканий на землю, могут возникнуть и другие электрические неисправности, такие как перегрузка или короткое замыкание, перенапряжение, дуговое замыкание и т. д. От этих неисправностей рекомендуются специальные защитные устройства, которые выходят за рамки данной статьи по ВДТ.

Рис. 1. Схема возникновения замыкания на землю в электрической цепи

Первые конструкции ВДТ использовались электроэнергетическими компаниями как средство выявления «кражи энергии», когда электроэнергия небезопасно и незаконно забиралась из неизолированных – голых – проводов линии электропередачи, а в качестве ну­ля – нейтрального проводника – использовался штырь, воткнутый в землю, который создавал электрическую цепь в обход электросчетчиков.

Дальнейшие этапы разработки и совершенствования устройства защитного отключения бы­ли приняты в качестве основы безопасного и надежного средства защиты людей от поражения электрическим током. В России установка обязательной защиты устройств от токов утечки на землю стала обязательной с 2001 го­да. В 2000–2010‑х годах применение ВДТ в бытовых электрощитах привело к снижению количества смертельных случаев из-за поражения электрическим током примерно на 50 % по сравнению с 1990‑ми годами. Последующие редакции правил электромонтажа ужесточили обязательные требования к защите от остаточного то­ка, обеспечивая еще большую безопасность, и позволили снизить количество смертельных случаев от поражения электрическим током еще на 50 % с 2009-го по 2019 го­д. Органы по электробезопасности сообщают, что количество смертей от поражения электрическим током в России за 20‑летнюю историю применения снизилось с 1,7 на миллион человек в 2000–2001 годах до 0,34 на миллион человек в 2019–2020 годах.

Три уровня защиты от замыканий на землю

Защита от неисправностей, соответствующая стандартам электробезопасности, может быть определена в ви­де пирамиды уровней защиты. Наивысший уровень защиты достижим только в рамках подхода к безопасности, включающего три уровня: базовую защиту, защиту от неисправностей и дополнительную защиту (рис. 2).

Рис. 2. Пирамида уровней защиты от замыканий на землю

Базовый уровень защиты

Первой и самой основной формой защиты является предотвращение случайного контакта с частями, находящимися под напряжением. Правила электромонтажа требуют обеспечения защиты от опасностей, которые могут возникнуть в результате контакта с частями электроустановки, находящимися под напряжением при нормальной эксплуатации. Этого можно достичь с помощью таких мер, как использование изоленты, ограждений, препятствующих прикосновению человека к открытым частям, находящимся под напряжением.

Базовой защиты может быть достаточно, за исключением случаев, когда где-то имеется дефект изоляции или если защита снимается намеренно, например во время работ по установке или техническому обслуживанию, а затем открытые токопроводящие части повторно не изолируются и не отключаются.

Любой контакт только с одной опасной частью, находящейся под напряжением, опасен, поскольку при прикосновении те­ло человека, как правило, одновременно находится в контакте с землей (например, ступни, стоящие на по­лу). Это обеспечивает электрическую цепь обратным путем к источнику, то есть трансформатору подстанции распределительной се­ти (рис. 3).

Рис. 3. Электрическая цепь при контакте человека с частью, находящейся под напряжением

Защита от неисправностей

В случае повреждения изоляции необходимо обеспечить защиту от повреждения для предотвращения поражения электрическим током. Это делается ли­бо с помощью второго независимого слоя изоляции (двойная изоляция), ли­бо путем помещения токоведущих частей в заземленный металлический корпус (схематически показанный на рис. 1 и 5 в ви­де прямоугольной коробки вокруг нагрузки и подключенный к PE-проводнику). Защитное устройство должно автоматически отключать питание в случае неисправности: незначительного и полного повреждения изоляции между линейными проводниками и открытыми проводящими частями. Для обеспечения двойной или усиленной изоляции необходимо использовать электрооборудование, которое соответствует государственным стандартам – ГОСТ. Типичными примерами являются кабели в оболочке, состоящие из внешней изолирующей оболочки, покрывающей несколько проводников, которые, в свою очередь, индивидуально и полностью изолированы (изображено серыми контурами на рис. 4). Электрооборудование, защищаемое автоматическим отключением, оснащено защитной заземляющей клеммой, которая обозначается как PE – третий контакт во многих вилках. Другим методом защиты от неисправностей является защита сверхнизким напряжением (ELV – ext­ra low voltage) в системах с напряжением меньше 50 В переменного то­ка, питаемых от указанного безопасного источника – трансформаторной подстанции. Оборудование, защищенное сверхнизким напряжением, называется оборудованием класса III. Типичные примеры включают электронные приборы малой мощности, такие как зарядное устройство для мобильного телефона или ноутбука.

Рис. 4. Защита от неисправностей с помощью автоматического отключения

Рис. 5. Защита от неисправностей сверхнизким напряжением

Дополнительный уровень защиты

Согласно российским внутренним документам и стандартам международной электротехнической комиссии – МЭК (IEC), двойной уровень защиты от поражения электрическим током – базовая защита и защита от неисправностей – обязателен везде. Во многих распространенных приложениях, особенно в конечных электроприборах, требуется третий уровень защиты, известный как дополнительная защита, на случай отказа как основной защиты, так и защиты от неисправностей (рис. 6). Выход из строя базовой защиты и защиты от сбоев может произойти из-за небрежности пользователей, например самовольного снятия корпуса прибора, нарушения изоляции или потери соединения с защитным заземлением, погружения в во­ду и т. д. Если заранее не отключить питание, очень вероятен удар электрическим током при прикосновении к токоведущим частям, как указано на рис. 1. ВДТ с высокой чувствительностью (например, 30 мА или менее) считается в электрических системах переменного то­ка дополнительной защитой от поражения электрическим током. Как показано на рис. 1, при прикосновении к токоведущему проводнику остаточный ток потечет через корпус на землю, минуя ВДТ на обратном пу­ти, что приведет к отключению питания. Важно отметить, что, поскольку те­ло человека является частью контура повреждения, то высокое сопротивление те­ла (около 1000 Ом) приводит к протеканию очень низкого то­ка (несколько мА) по сравнению с рабочим током защиты от сверхтоков – автоматического выключателя, который может находиться в диапазоне десятка, сотни или тысячи ампер. По этой причине защита от сверхтоков не может обеспечить дополнительную защиту.

Рис. 6. Схема дополнительной защиты

Основное различие между устройством, используемым для защиты от неисправностей, и устройством, используемым для дополнительной защиты, заключается в том, что устройство защиты от неисправностей обеспечивает защиту це­пи от поражения электрическим током при повреждениях с низким уровнем сопротивления, тогда как дополнительная защита обеспечивает защиту це­пи с быстрым прерыванием це­пи при повреждениях с высоким сопротивлением – при низком значении сопротивления – уровни миллиампер, снижающие риск травм. Дополнительные устройства защиты, такие как ВДТ, не могут исключить поражение электрическим током, однако они могут сработать достаточно быстро и при достаточно низком уровне то­ка, чтобы ограничить повреждающее воздействие от поражения электрическим током на организм человека и предотвратить серьезные травмы или смерть. Использование ВДТ с номинальным дифференциальным током срабатывания не более 30 мА является ключевым элементом защиты для повышения безопасности в электрических цепях низкого напряжения (НН), хо­тя оно не может быть единственным средством защиты и не заменяет необходимости применять другие защитные ме­ры, указанные для базовой защиты и защиты от неисправностей. Дополнительная защита ВДТ на ток до 30 мА не зависит от системы заземления и не связана с требованиями защиты от замыканий. Например, ВДТ на 30 мА можно использовать для дополнительной защиты. Дополнительная защита ВДТ номиналом 30 мА также обязательна при определенных условиях, определенных правилами «Электроустановки жилых и общественных зданий. Правила проектирования и монтажа».

Воздействие электрического тока на тело человека

Электричество вызывает шок в человеческом те­ле, поскольку это внешняя си­ла, которая вмешивается во внутреннее электричество, вырабатываемое нервной системой. Поскольку человеческое те­ло состоит в основном из во­ды, оно, по существу, является проводящим. Любое напряжение, приложенное к те­лу, может помешать и повлиять на нормальное функционирование системы. Чем вы­ше напряжение, тем ху­же эффект. Поражение электрическим током – это патофизиологическое воздействие электрического то­ка на организм человека. Оно влияет на мышечные, кровеносные и дыхательные функции, а также может вызвать серьезные ожоги. 

Травмы, причиненные людям прохождением то­ка через тело человека:

- мышечное сокращение – мышцы, на которые воздействует ток, непроизвольно сокращаются, что затрудняет отпускание проводящих частей. Очень сильные то­ки обычно не вызывают мышечного сокращения, поскольку, когда те­ло соприкасается с такими токами, мышечное сокращение настолько сильное, что непроизвольные мышечные движения могут отбросить пострадавшего от проводника;

- остановка дыхания – если ток проходит через мышцы, контролирующие дыхательную систему, непроизвольное сокращение этих мышц изменяет нормальный дыхательный процесс и пострадавший может умереть от удушья или страдать от последствий травм, вызванных асфиксией;

- фибрилляция желудочков – наиболее опасный эффект обусловлен влиянием внешних токов на физиологические, вызывающие неконтролируемые сокращения организма. Это может вызвать изменения нормального сердечного цикла. Эта аномалия может стать необратимым явлением, потенциально фатальным, поскольку может сохраняться да­же после устранения причины поражения электрическим током;

- ожоги вследствие прямого нагревательного воздействия то­ка, проходящего через те­ло человека.

Российский стандарт ГОСТ IEC 61140–2012 «Защита от поражения электрическим током» содержит подробную информацию, основанную на исследованиях, о том, что опасность для людей зависит главным образом от величины и продолжительности то­ка. Этот стандарт основан на международном IEC 61140.

Традиционная карта рисков представлена на рис. 7 и показывает временные/токовые зо­ны воздействия переменного то­ка (15–100 Гц), протекающего по типичному пу­ти от левой ру­ки к но­ге. Обратите внимание, что этот путь будет включать сердце. Каждая точка на карте риска представляет ток тела по горизонтальной оси и продолжительность воздействия по вертикальной оси.

Рис. 7. Карта рисков

Ток тела

Зоны времени и текущие границы интервалов для различных физиологических эффектов пу­ти от рук к ногам указаны в табл. 1.

Таблица 1. Зоны времени и текущие границы интервалов для различных физиологических эффектов пути от рук к ногам

Типы выключателей дифференциального тока (RCCB)

По сути, это устройство представляет собой механический выключатель с прикрепленной к не­му характеристикой отключения по дифференциальному то­ку (рис. 8). Он разорвет цепь только при наличии то­ка утечки на землю. Время срабатывания такое, чтобы минимизировать риски для жизни человека. Поскольку ВДТ не способны обнаружить перегрузку по току, короткое замыкание или отреагировать на них, их необходимо подключить последовательно с устройством максимального то­ка, например предохранителем или автоматическим выключателем (миниатюрным автоматическим выключателем). Это дает ВДТ и остальной части схемы защиту, необходимую для реагирования на перегрузку по то­ку или короткое замыкание.

Рис. 8. Принцип работы выключателя дифференциального тока

Подводя итог, можно сказать, что ВДТ обеспечивают защиту от утечки на землю, однако при их применении важно помнить, что их всегда следует устанавливать вместе с устройством защиты от короткого замыкания соответствующего номинала, например автоматическим выключателем или предохранителем.

Автоматический выключатель с защитой от перегрузки по току утечки (RCBO)

АВДТ представляет собой устройство защитного отключения, в которое встроен автоматический выключатель. АВДТ является эквивалентом отдельного автоматического выключателя и ВДТ. Основными функциями, которые обеспечивает АВДТ, являются:
- защита от токов замыкания на землю;
- защита от перегрузки и токов короткого замыкания.

Лучший способ использования АВДТ – установить по одному в каждой це­пи, например, если в одной из цепей наблюдается неисправность, то это не повлияет на другие це­пи. Поскольку це­на на эти устройства падает с каждым годом, АВДТ является эффективным способом защиты жизни и установки.

ВДТ типа AC

ВДТ типа AC подходят для систем, в которых нагрузки имеют только синусоидальный ток потребления. Базовым примером является электрический чайник, который потребляет только синусоидальный ток: прибор, который не имеет режимов управления и отключается только после закипания во­ды. Они устойчивы к импульсным токам утечки до пикового значения 250 А (форма волны 8/20), которые могут возникать, например, из-за наложения импульсов напряжения в се­ти (в частности, при переключении люминесцентных ламп, рентгеновского оборудования, обработки данных). ВДТ ти­па переменного то­ка предназначены для обнаружения синусоидальных сигналов, частота которых равна частоте сети, то есть 50 Гц. ВДТ ти­па АС раньше бы­ли наиболее распространены в сетях переменного то­ка (отсюда и название), питающих классические электрические нагрузки с резистивным, индуктивным или ёмкостным сопротивлением, как правило, без электронных компонентов. То­ки (включая утечку на землю) и напряжение обычно имеют синусоидальную форму. Типичные нагрузки включают вольфрамовое и галогенное освещение, духовки и обогреватели без электронного управления.

ВДТ типа A

ВДТ типа А также обладают устойчивостью к импульсным токам до пикового значения 250 А (форма волны 8/20) и работают с характеристиками ти­па переменного то­ка, с дополнительной способностью обнаруживать дифференциальные то­ки, которые являются лишь частично синусоидальными. Эти формы то­ка типичны для сетей, питающих силовые электронные компоненты, такие как диоды и транзисторы. С ростом популярности электронных приборов, таких как диммеры, компьютеры и телевизоры, то­ки и напряжения в се­ти стали все более возрастать от импульсных источников питания и так далее, где тиристоры управляют источником питания, поочередно включая и отключая ток. Этим объясняется лишь частичная синусоидальность токов утечки на землю в сетях со значительным количеством электронных нагрузок. ВДТ ти­па А обнаруживают дифференциальные то­ки с формой волны переменного то­ка, пульсирующей формой волны постоянного то­ка или плавным постоянным током до 6 мА.

Независимые от напряжения ВДТ

Одно из преимуществ устройств защитного отключения по дифференциальному то­ку линейки City9 состоит в их конструкции: все устройства защитного отключения являются независимыми от напряжения и используют энергию то­ка замыкания на землю для непосредственного отключения механизма. В этом ти­пе устройств выход сенсорной катушки приводит в действие специально сконструированное магнитное ре­ле, которое затем размыкает механизм ВДТ независимо от напряжения се­ти (рис. 9). В независимых от напряжения ВДТ обычно используется конструкция поляризованного ре­ле (с ослаблением поля).

Рис. 9. Схема зависимых и независимых от напряжения ВДТ

Эффект достигается путем подавления постоянного магнитного потока (который удерживает ре­ле во включенном состоянии) потоком возбуждения (создаваемым током повреждения). Это может произойти только в одном полупериоде переменного то­ка, поскольку в другом полупериоде магнитный поток будет усилен. Время срабатывания может варьироваться от 20 до 120 миллисекунд при номинальном то­ке отключения.

Принцип работы ВДТ

Измерение тока утечки

Для любой конкретной установки остаточный ток равен разности токов, протекающих через фазные провода и, где это применимо, нейтральный провод. ВДТ должны срабатывать при значениях остаточного то­ка, которые очень малы по сравнению с нормальными токами нагрузки, протекающими в главных проводниках (мА по сравнению с амперами). Разумный способ измерения остаточного то­ка – это непосредственное измерение дисбаланса тока.

Когда ток значительно изменяется во времени, например, в цепях переменного то­ка, этого можно добиться с помощью так называемого дифференциального трансформатора, или трансформатора баланса с сердечником (рис. 10). Это специальный трансформатор то­ка (ТТ), все питающие проводники которого служат первичными обмотками. В нормальной це­пи магнитные по­ля всех проводников, проходящих через ТТ, нейтрализуют друг друга. Если дисбаланс то­ка в первичных обмотках приводит к дисбалансу магнитного по­ля в тороиде трансформатора, это, в свою очередь, создает напряжение на вторичной обмотке. Это выходное напряжение является пропорциональной мерой интенсивности остаточного тока.

Рис. 10. Дифференциальный трансформатор тока

Кнопка тестирования

Международные и российские стандарты рекомендуют периодически проверять установленные ВДТ. Проверка осуществляется с помощью подходящей обходной це­пи, которая замыкает одну из фаз на нейтраль или на другую фа­зу, минуя датчик остаточного то­ка; следовательно, остаточный ток моделируется, когда тестовая цепь замыкается путем нажатия соответствующей тестовой кнопки (рис. 11).

Рис. 11. Схема ВДТ, независимого от напряжения, с кнопкой тестирования

Функциональное ВДТ должно воспринимать и обрабатывать моделируемый дифференциальный ток, интенсивность которого калибруется подходящим сопротивлением испытательной це­пи. Поэтому исправное ВДТ сработает. Поскольку тестовый сигнал подается вверх, а результаты тестирования наблюдаются ни­же, тестирование ВДТ эффективно проверяет работоспособность всей функции считывания и отключения ВДТ. Компания Systême Electric рекомендует проверять ВДТ City9 каждые три месяца.

Дальнейшие разработки

Исторические данные ясно показали, что внедрение технологии устройств защитного отключения по дифференциальному то­ку и обязательное их применение в соответствии с нормами и правилами электропроводки оказали огромное влияние на снижение количества смертельных случаев из-за поражения электрическим током. Объем продуктового предложения Systême Electric по ме­ре развития технологий линейки City9 Set стал значительно ши­ре как по номинальному то­ку устройств, так и по дифференциальному то­ку утечки, и стал отвечать потребностям жилых домов. Модели автоматических выключателей дифференциального тока (АВДТ) более компактны, чем версии более бюджетного ценового сегмента, что позволяет экономить место в распределительных щитах.

Увеличение доли электроники в домохозяйствах привело к появлению в се­ти гармонических помех, недопустимых для более ранних ВДТ, что привело к нежелательным (неприятным) проблемам с отключением. Компания Systême Electric находится в авангарде разработки как один из ведущих российских поставщиков устройств защитного отключения по дифференциальному то­ку. В ближайшие месяцы объем продуктового предложения будет расширен за счет появления в линейке City9 Set компактных, одномодульных АВДТ, которые будут удовлетворять растущим требованиям жилых домовладений и гражданских зданий. Постоянная приверженность исследованиям и разработкам позволяет продолжать расширять разработку продуктов линейки ВДТ и АВДТ Systême Electric.

Опубликовано_в журнале ИСУП № 4(106)_2023

Д. Ю. Камнев, технический эксперт DEKraft,
«Систэм Электрик», г. Москва,
тел.: 8 (800) 200-6446,
e-mail: support@systeme.ru,
сайт: systeme.ru