Не зная об опасности, исходящей от лежащего на земле оборванного, но находящегося под напряжением провода, люди иногда подходят к нему и даже пытаются взять в руку. В этот момент человек может мгновенно погибнуть от шагового напряжения или от напряжения прикосновения. Чтобы предотвратить подобные несчастные случаи, ученые разработали оригинальные схемы устройств, позволяющих отключить ВЛ в момент обрыва провода, то есть еще до его падения на землю.

ЧЕЛОВЕКА ЗАЩИТИТ УЗО ПРИ АВАРИЯХ НА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ Сергей Коструба, действительный член (академик) Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности (МАНЭБ), главный научный сотрудник лаборатории электробезопасности Всероссийского НИИ электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ), д.т.н.

Аварийные режимы, вызванные повреждениями электрической изоляции между токоведущими частями и частями, доступными для прикосновения человека, и нарушениями целостности самих токоведущих частей, включая падения на землю защитных и фазных проводов воздушных линий (ВЛ) электропередачи, представляют угрозу (иногда смертельную) для людей и животных.
В лаборатории электробезопасности ВИЭСХ разработаны оригинальные схемы устройств, позволяющих отключить воздушные линии в момент обрыва одного, двух или трех фазных проводов. Устройства, основанные на принципе защитного отключения (УЗО), прошли многолетнюю проверку в производственных условиях в ряде регионов страны с различными климатическими зонами и показали свою эффективность.
Защитным отключением в электроустановках напряжением до 1 кВ называется автоматическое отключение всех фаз участка сети, обеспечивающее безопасные для человека сочетания тока и времени его прохождения при замыканиях на корпус или при снижении уровня изоляции ниже определенного значения. Обычно под защитным отключением понимают такую систему, которая автоматически отключает аварийный участок сети не более чем через 0,2 секунды с момента возникновения аварийной ситуации, то есть при повреждении электрической изоляции в защищенном электроприемнике.

Два типа УЗО
Защитное отключение осуществляют устройствами двух типов, принципиально отличающихся друг от друга.
Устройства первого типа реагируют на электрическое напряжение, появляющееся в аварийном режиме на корпусе электроприемника, к которому возможно прикосновение человека. Устройства второго типа – на ток утечки на землю в защищаемой части, например, при случайном прикосновении человека к оголенной токоведущей части или при повреждении в защищенном электроприемнике или участке сети изоляции относительно корпуса или земли. УЗО второго типа нашли широкое применение в электроэнергетике, в то время как УЗО первого типа сегодня практически не применяются.
Первые отечественные УЗО по току утечки в нашей стране были разработаны в лаборатории электробезопасности ВИЭСХ еще в начале семидесятых годов. Их массовое производство было налажено на Гомельском электроаппаратном заводе.

Принцип работы УЗО

УЗО содержит так называемый дифференциальный (разностный, суммирующий) трансформатор тока нулевой последовательности (далее – просто трансформатор тока), к вторичной обмотке которого подключен чувствительный орган (реле), воздействующий на автоматический выключатель (защитный аппарат).* Через окно сердечника трансформатора тока проходят нулевой и фазный провода, которые являются его первичной обмоткой.

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема УЗО

В трехфазных электроустановках через окно сердечника проходят три фазных провода и нулевой.
Принципиальная электрическая схема простейшего трехфазного УЗО приведена на рис. 1. Оно включает в себя автоматический выключатель 1, которым управляет чувствительный орган 2, получающий сигнал на отключение со вторичной обмотки 3 трансформатора тока 4, сквозь окно которого проходят нулевой рабочий провод N и фазные провода L1, L2 и L3 (позиция 5).
При равенстве токов (токов нагрузки) в нулевом и фазном (или в трех фазных) проводах их геометрическая сумма, как известно, равна нулю (ток в фазном проводе однофазного УЗО течет в одном направлении, а ток в нулевом проводе точно такого же значения течет в противоположном направлении). Поэтому тока во вторичной обмотке трансформатора тока нет.
При замыкании или утечке тока на заземленный корпус электроприемника, а также при случайном прикосновении стоящего на земле или на токопроводящем полу человека к фазному проводу электрической сети, равенство токов в первичной обмотке трансформатора тока нарушится, поскольку по фазному проводу, помимо тока нагрузки, будет проходить ток замыкания или утечки, и в его вторичной обмотке появится ток. Если он равен или превышает ток срабатывания чувствительного органа (реле), то буквально за считанные доли секунды произойдет отключение аварийного участка сети.
Человек почувствует удар, но останется невредим.

УЗО для воздушных линий. Первоначальная схема
По рекомендации специалистов ВИЭСХ, УЗО с успехом применяются для обеспечения электробезопасности при эксплуатации ВЛ, на которых случаются обрывы и падения на землю проводов, что создает высокую опасность поражения людей и животных электрическим током. Принципиальная электрическая схема применения УЗО с ВЛ приведена на рис. 2.
На этом рисунке в дополнение к позициям 1–5, приведенным на рис. 1, показана находящаяся в земле 6 опора 7 ВЛ с изоляторами 8 и проводами 9. На последней опоре 10 (промежуточные опоры не показаны) установлен блок конденсаторов 11, 12 и 13 одинаковой емкости. Каждый из конденсаторов одним своим концом присоединен к одному из фазных проводов ВЛ, а вторым – к защитному PE-проводнику ВЛ. При этом рабочее напряжение конденсаторов должно быть выше номинального напряжения ВЛ, а емкость – такой, чтобы при нарушении симметрии вызывать срабатывание аппарата (например 10 мкФ). Причем блок конденсаторов должен быть установлен на последней опоре ВЛ (считая по ходу движения энергии), а сам аппарат – на первой опоре ВЛ или вблизи нее.
Если произойдет короткое замыкание фазного провода на корпус электроприемника, соединенного с РЕ-проводником, то по этому фазному проводу через окно дифференциального трансформатора потечет ток короткого замыкания. На вторичной обмотке трансформатора появится напряжение, которое заставит сработать чувствительный орган, и он в свою очередь, воздействуя на выключатель, отключит питание линии и тем самым предотвратит возникновение пожара.

Рассмотрим случай обрыва провода ВЛ (провода ВЛ на рис. 2 показаны пунктирными линиями). Допустим, оборвался фазный провод L1. Тогда по двум другим оставшимся целыми проводам пойдут токи от конденсаторов 12 и 13. Поскольку эти токи не будут скомпенсированы током через конденсатор 11 из-за обрыва провода L1, то произойдет мгновенное срабатывание УЗО и линия будет обесточена раньше, чем провод упадет на землю.

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема применения УЗО с ВЛ

Таким образом, упавший на землю провод уже не будет представлять собой никакой опасности. То же самое произойдет при обрыве провода L2 или L3.

УЗО для воздушных линий. Доработанная схема
Одним из недостатков первоначальной схемы (рис. 2) является отсутствие реакции УЗО на обрыв защитного РЕ-проводника. Для устранения этого изъяна было предложено применить конденсатор (один из установленных в конце линии) вдвое меньшей емкости. Еще один точно такой же конденсатор вдвое меньшей емкости устанавливается в начале линии. Его присоединяют одним выводом к РЕ-проводнику, а другим – к тому из фазных проводов, к которому присоединен такой же конденсатор меньшей емкости в конце линии. В этом случае симметрия емкостной нагрузки сохраняется, а при обрыве РЕ-проводника она нарушится и УЗО мгновенно сработает.

Вторым недостатком рассмотренной схемы является сравнительно низкая надежность электроснабжения за счет возможных ложных срабатываний УЗО при появлении резкой асимметрии напряжения в сети. Его удалось исправить включением блока конденсаторов в фазные провода до трансформатора тока, причем таким образом, чтобы их общий провод проходил через окно трансформатора тока в обратном направлении, как это показано на рис. 3.

Рис. 3. Принципиальная электрическая схема усовершенствованного УЗО с ВЛ

На этом рисунке конденсатор 14 выполняет функцию защиты при обрыве РЕ-проводника, о чем говорилось ранее, а конденсаторы 15, 16 и 17 устраняют ложные срабатывания устройства защитного отключения при асимметрии фазных напряжений в сети.
Усовершенствованное УЗО работает следующим образом. При появлении асимметрии напряжения в электросети геометрическая сумма емкостных токов в фазных проводах L1, L2 и L3, вызванных наличием конденсаторов, включенных в конце ВЛ, будет отлична от нуля и при определенных значениях могла бы привести к срабатыванию УЗО. Наличие же конденсаторов 15, 16 и 17 автоматически компенсирует ток асимметрии благодаря тому, что ток от них течет через окно трансформатора тока в обратном направлении.
В схемах защиты ВЛ для исключения ложных срабатываний применены низкочувствительные УЗО с токами срабатывания от 100 до 500 мА в зависимости от протяженности линий и качества электроприемников (с позиции наличия естественных токов утечки). Конструктивно они выполнены из двух частей – дифференциального реле и так называемого выносного дифференциального трансформатора тока. Выносной трансформатор имеет достаточно большое окно (50–60 мм), сквозь которое пропущены показанные на схемах провода. Можно использовать и серийно выпускаемые УЗО на большие токи нагрузки.
В блоке конденсаторов применены обычные бумажные конденсаторы, рассчитанные на номинальное напряжение не ниже 300 В, емкостью от 10 до 50 мкФ. Они помещены в герметичные металлические корпуса с проходными фарфоровыми изоляторами. Корпуса установлены и закреплены шурупами на верхних частях последних опор каждой защищенной от обрыва проводов ВЛ.

Литература

1. ГОСТ Р 51326.1-99 (МЭК 61008-1-96) Выключатели автоматические, управляемые дифференциальным током, бытового и аналогичного назначения без встроенной защиты от сверхтоков. Часть 1. Общие требования и методы испытаний.
2. ГОСТ Р 51327.1-99 (МЭК 61009-1-96) Выключатели автоматические, управляемые дифференциальным током, бытового и аналогичного назначения со встроенной защитой от сверхтоков. Часть 1. Общие требования и методы испытаний.
3. Луковников А.В. Охрана труда. – М.: Колос, 1973.
4. УЗО – устройство защитного отключения: Учебно-справочное пособие. – М.: ЗАО «Энергосервис», 2003.