УЗО ПРОТИВ ВОЗГОРАНИЙ

Владимир Монаков,
заведующий кафедрой
инженерной экологии МИРЭА,
г. Москва

В России за 4 месяца 2004 года:

• зарегистрировано 75545 пожаров;
• погибли 7571 человек, в т.ч. 253 ребенка;
• ежедневно в среднем происходило 630 пожаров, в результате которых погибали 63 человека и 39 получали травмы;
• ежедневный материальный ущерб от пожаров – 12,6 млн. рублей;
• каждый четвертый пожар (25,6%) произошел в результате нарушения правил устройства и эксплуатации электрооборудования, доля причиненного ими ущерба составила 25,4%.

Первое УЗО запатентовано германской фирмой RWE в 1928 г.
Впервые принцип токовой дифференциальной защиты, ранее служивший для защиты генераторов, линий и трансформаторов, был применен для защиты человека от поражения электрическим током.
В 1937 г. фирма Schutzappara-tegesellschaft Paris & Со. изготовила первое действующее устройство на базе дифференциального трансформатора и поляризованного реле, имевшее чувствительность 0,01 А и быстродействие 0,1 с.
В 1960-70 гг. во всем мире, в первую очередь в странах Западной Европы, в Японии, США, началось активное внедрение УЗО, и сегодня это устройство – привычный и непременный элемент любой электроустановки. Этими устройствами в обязательном порядке оборудованы все распределительные щиты, все передвижные объекты (жилые домики-прицепы, фургоны, временные электроустановки), ангары, гаражи.
УЗО встраивают в розеточные блоки или вилки, через которые подключают электроинструмент или электроприборы, эксплуатируемые в особо опасных помещениях. Страховые компании при оценке риска, определяющего сумму страховки, обязательно учитывают наличие на объекте страхования УЗО и их техническое состояние. В настоящее время на каждого жителя промышленно развитых стран приходится в среднем по два УЗО.

Рис.1 Диаграмма мощности возгорания и сопротивления изоляции

Рис.2 Расчетная схема. Rз- сопротивление заземлителя, Rиз - сопротивление изоляции (локальное)

Токи утечки зажигают
По данным ВНИИ противопожарной обороны (ВНИИПО МЧС РФ), более трети всех пожаров имеют электротехническое происхождение, т.е. возникают из-за возгорания электропроводки в результате нагрева проводников, искрения в месте плохого электрического контакта, утечки тока по загрязнениям, пыли и т.п. с неизолированных участков цепи, горения электрической дуги на каком-либо участке цепи, вызванного током короткого замыкания. Причина коротких замыканий – ток утечки.
В месте дефекта изоляции между находящимися под напряжением проводниками начинает протекать крайне малый точечный ток и со временем образуется проводящий мостик, по которому протекает ток утечки (трекинг).
По мере ухудшения состояния изоляции, начиная со значения тока примерно 1 мА, постепенно происходит обугливание проводящего канала, возникает так называемый «угольный мостик» и в диапазоне от 5 до 50 мА ток уже течет постоянно и постепенно растет. При значениях тока утечки 150 мА (это означает, что на данном участке цепи выделяется мощность 33 Вт) возникает реальная опасность возгорания изоляции.
В силу того, что под напряжением сопротивление «угольного мостика» ниже, чем в «холодном» состоянии, процесс носит лавинный характер, ток утечки быстро растет и при значениях 300–500 мА в канале между зернами обугленного материала образуется тлеющий разряд, микродуга, ведущая к возникновению электрической дуги.
При возгорании электрической изоляции в результате пиролиза часть ее под действием высокой температуры переходит в газообразное состояние. Самостоятельное горение происходит в том случае, если пары вещества смешиваются с воздухом в соответствующей пропорции и объекту передается энергия, достаточная для достижения температуры воспламенения. При возгорании в электроустановках энергия поступает к участку изоляции при протекании токов утечки, КЗ, электрических разрядов различных видов. (Горение электрической дуги имеет другую природу и не требует наличия окислителя).
Для воспламенения изоляции необходимо действие мощности 40-100 Вт (по данным ВНИИПО – от 20 Вт). Выделение такой мощности возможно при протекании токов утечки в месте повреждения изоляции или возникновении «горячей точки» в зоне плохого контакта (незатянутые клеммы и т.п.). На рис.1 на примере простой цепи (рис.2) показана диаграмма мощности, выделяемой в месте дефекта изоляции в зависимости от сопротивления изоляции (локального тока утечки на землю).
Из диаграммы следует, что уже при сопротивлении изоляции ниже 1000 Ом возможно выделение мощности, достаточной для воспламенения изоляции. Расчет мощности, выделяемой на сопротивлении изоляции, выполнен по формуле:



где: U – напряжение сети; Р_ут – мощность, выделяемая на сопротивлении изоляции; R_S – суммарное сопротивление в цепи утечки;
R_из – сопротивление изоляции (локальное);
R_з – сопротивление заземлителя.

По данным профессора А.А.Сошникова (АлтГТУ), при исследованиях зажигающего действия токов утечки, проведенных в испытательной пожарной лаборатории управления пожарной охраны УВД Алтайского края, минимальный зажигающий ток утечки составил:

• для провода АППВС – 54 мА (11,8 Вт) при времени действия 39,3 с;
• для провода АПВ – 114 мА (25 Вт) при времени действия от 14,7 с до 48,5 с;
• для провода АПР – 68 мА (15 Вт) при времени действия от 101,3 с до 161,1 с.

Рис.3 Структурная схема УЗО: 1 - дифференциальный трансформатор тока; 2 - пороговый элемент; 3 - исполнительный механизм; 4 - цепь тестирования; 5 - силовые контакты

Рис.4 Зависимость мощности, выделяемой в месте повреждения изоляции, от времени отключения УЗО со значениями номинального отключающего дифференциального тока 10, 30 и 300 мА

УЗО предотвратит пожар
Об устройствах защитного отключения (УЗО), защищающих человека от поражения при косвенном прикосновении к элементам электроустановки, находящимся под напряжением, сказано довольно много. Не менее важным свойством УЗО является его способность защищать от возгораний и пожаров, возникающих на объектах вследствие повреждений изоляции, неисправностей электропроводки и электрооборудования.
Функционально УЗО – быстродействующий защитный выключатель, реагирующий на разницу токов (дифференциальный ток) в проводниках, подводящих электроэнергию к защищаемой электроустановке.
Действие УЗО дифференциального типа основано на применении электромагнитного векторного сумматора токов – дифференциального трансформатора тока. Он наиболее эффективно (с минимальной погрешностью) сравнивает текущие значения двух и более токов по амплитуде и фазе: суммарный магнитный поток в сердечнике, пропорциональный разности токов в проводниках, являющихся первичными обмотками трансформатора, наводит во вторичной обмотке трансформатора тока соответствующую эдс, под действием которой в цепи вторичной обмотки протекает ток, также пропорциональный разности первичных токов.
Магнитный сердечник трансформатора тока электромеханического УЗО должен обладать высокой чувствительностью, линейностью характеристики намагничивания, температурной и временной стабильностью и так далее, поэтому изготавливается из высококачественного аморфного (некристаллического) железа.
Основные блоки УЗО представлены на рис. 3: дифференциальный трансформатор тока 1; пусковой орган (пороговый элемент) 2 (выполняется, как правило, на чувствительных магнитоэлектрических реле прямого действия или электронных компонентах); исполнительный механизм 3 (включает в себя силовую контактную группу с механизмом привода).
Режимы функционирования УЗО. В нормальном режиме, при отсутствии дифференциального тока (тока утечки), в силовой цепи по проводникам, проходящим сквозь окно магнитопровода трансформатора тока 1, протекает рабочий ток нагрузки. Проводники, проходящие сквозь окно магнитопровода, образуют встречно включенные первичные обмотки дифференциального трансформатора тока. Если обозначить ток, протекающий по направлению к нагрузке, как I₁, а от нагрузки как I₂, то можно записать равенство: I₁ = I₂.
Равные токи во встречно включенных обмотках наводят в магнитном сердечнике трансформатора тока равные, но встречно направленные магнитные потоки Ф₁ и Ф₂. Результирующий магнитный поток равен нулю, ток во вторичной обмотке дифференциального трансформатора также равен нулю. Пусковой орган в этом случае находится в состоянии покоя.
В случае, когда по фазному проводнику через УЗО, кроме тока нагрузки I₁ протекает дополнительный ток – ток утечки I_ут, являющийся для трансформатора тока дифференциальным (разностным) - I_D (в данном случае I_ут = ID), неравенство токов в первичных обмотках (I₁ + ID в фазном проводнике и I₂ = I₁ в нулевом рабочем проводнике) вызывает небаланс магнитных потоков и, как следствие, возникновение во вторичной обмотке трансформированного дифференциального тока. Если его значение превышает ток уставки порогового элемента, то последний запускает исполнительный механизм, размыкающий силовую цепь.

Что показывает практика
График на рисунке 4 наглядно демонстрирует, что даже УЗО с номинальным отключающим дифференциальным током 300 мА достаточно быстро отключит дефектную цепь, в которой выделяется мощность 30-60 Вт.
В зарубежной практике принято применять УЗО со значениями номинального отключающего дифференциального тока 300, 500 мА в качестве противопожарных устройств. Обычно их устанавливают на главном вводе электроустановки, тем самым защищая всю электроустановку от протекания токов утечки и токов замыкания, способных вызвать возгорание.
Стандарты ГОСТ Р 51326.1-99 и ГОСТ Р 51327.1-99 определяют два временных параметра УЗО: время отключения и предельное время неотключения (для селективных УЗО типа S). Время отключения – это 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 – это максимальный промежуток времени от момента возникновения в главной цепи устройства отключающего дифференциального тока до момента размыкания контактов. Предельное время неотключения является выдержкой времени, позволяющей достичь селективности действия УЗО при работе в многоуровневых системах защиты.
Согласно ГОСТ, предельно допустимое время отключения УЗО составляет 0,3 с (0,5 с для УЗО типа S), однако быстродействие современных устройств составляет 0,02-0,03 с. Таким образом, массовое применение УЗО на всех без исключения объектах радикально изменит ситуацию с возникновением пожаров по электротехническим причинам в нашей стране.