Апаратура за електрозащита в сгради

Основни видове технически решения за защита на хората, инсталациите и уредите

Надеждността на работа на електроинсталациите в сгради и сигурността на обитателите в тях се осигурява чрез различни видове предпазни устройства. Сред поверените им функции са защита на захранващите линии и консуматорите от пренапрежение, късо съединение, попадение от мълния и други.

 В настоящата статия са разгледани основните технически средства за електрозащита - автоматични предпазители, дефектнотокови защити и уреди за мълниезащита, техните конструктивни специфики, характеристики и работни параметри.

Автоматичните предпазители
Автоматичните предпазители представляват електрически комутационни апарати, предназначени да предпазват захранващите линии и консуматорите от къси съединения и претоварвания. Също така могат да изключват ръчно части от захранващата мрежа ниско напрежение.
Основни техни функционални елементи са термичен и електромагнитен изключвател. Термичният изключвател предпазва от претоварване по ток (трайно протичане на ток, по-голям от номиналния). Обикновено той работи с помощта на биметална пластина, която при токове, надвишаващи стойността на номиналния, се огъва и прекъсва контактите. Електромагнитният изключвател се използва предимно за предпазване от къси съединения. В конструкцията му е включена дъгогасителна камера, чиято цел е да прекъсне надеждно токът на късо съединение. При прекъсване на веригата възниква електрическа дъга, която е необходимо да бъде овладяна, охладена и изгасена така, че пространството между контактите да може отново да поддържа напрежението във веригата. Различните автоматични предпазители използват различна среда за тази цел - вакуум, въздух, изолационен газ (най-често това е серен хексафлуорид - SF6), специални масла. Друг основен елемент на един автоматичен предпазител са контактите. Тяхното предназначение е да провеждат работния ток без прекомерно нагряване. Условието е да издържат на нажежаването, предизвикано от възникналата при изключването дъга. Контактите обикновено се изработват от мед или медни сплави, сребърни сплави, както и други материали. Животът им се определя от степента на износване вследствие гасенето на дъгите. При износване на малките автоматични предпазители е необходимо да се смени целият апарат. За мощните предпазители се предлагат сменяеми контакти.

Характеристики на автоматични предпазители
Сред основните параметри на автоматичните предпазители са тяхната комутационна способност, класът на селективност, максималното постоянно напрежение на комутация за полюс, степента на защита, кривата на изключване, работната температура и др. Комутационната способност се дефинира като тока на късо съединение, който предпазителят би могъл да прекъсне. Комутационната способност се измерва в килоампери (kA) и има стойности от 4.5, 6, 10, 15 kA, и дори по-високи. Съответно, по-ниските стойности (4.5 и 6 kA) се отнасят за автоматични предпазители с битово предназначение, а по-високите - за предпазители с промишлено предназначение.
Друг основен параметър на автоматичните прекъсвачи е класът на селективност. Известно е, че селективността е необходима за изключване само на засегнатите консуматори или областта от веригата, в случай на претоварване или късо съединение. Селективността се осигурява с правилно проектиране на електрическата схема.
Сред основните характеристики на автоматичните прекъсвачи са и максималното постоянно напрежение на комутация за полюс, което обикновено е 48 VDC.

Степента на защита
на автоматичните предпазители най-често е IP 20, тъй като тези апарати са предназначени за монтаж в апартаментни или промишлени електрически табла. Обикновено е предвидена и защита от допир, съгласно VBG 4 / OVE EN 6.
Основен параметър на предпазителите е и характеристиката на изключване, наричана още крива на изключване. Тя представлява времетокова характеристика, представяща кратността на номиналния ток, който предпазителят може да изключи (ос Х) и времето за сработване на предпазителя (ос Y). Например, характеристиката B има кратност на номиналния ток в границите 3 - 5, характеристиката C - от 5 до 10, а характеристиката D - от 10 до 20.
Експлоатационният срок на автоматичните предпазители се измерва в т. нар. електрически и механични цикли на работа. Принципно, предпазителите издържат повече от 8000 превключвания. Обикновено са оборудвани с индикатор за включено/изключено състояние и с пета за монтиране на DIN-шина (EN 50 022).
Сечението на клемите обикновено е в диапазона от 1 до 25 mm2. Определено е, че моментът на затягане на винта на клемата е 2 - 2.4 Nm. За покриване на изискванията за координация на изолацията е необходимо разстоянието между контактите да е по-голямо или равно на 4 mm. Работната температура на автоматичните предпазители най-често е в диапазона от -25 до +50 °С. Като допълнение към автоматичните предпазители и към евентуалните други мерки за безопасност (корпуси, бариери и други препятствия към опасни тоководещи части) в електрическите табла или контакти се вгражда и дефектнотокова защита
В еднофазна мрежа токът, който влиза по един от проводниците на електрически товар или инсталация във всеки момент от времето, излиза със същата големина от другия проводник. При трифазни мрежи сумата от токовете на трите фази е равна на тока в нулевия проводник. И в двата случая, когато по някаква причина част от влезлия ток бъде отклонена към земята, излизащият ток ще се окаже по-малък. Именно тази разлика предизвиква задействане на устройствата за ДТЗ (понякога те се наричат прекъсвачи за остатъчен ток) и тя прекъсва подаването на мрежово напрежение. Описаният принцип на работа се осъществява чрез електрическата схема на фиг. 1. Токовете на проводника на фазата IL и на нулевия проводник IN протичат съответно през намотките WL и WN на т. нар. диференциален токов трансформатор с тороидална сърцевина. При равенство на токовете създадените от тях магнитни полета в сърцевината са с еднаква големина и различна посока, и сумата им е 0. Поради това в намотката WЕ не се индуцира напрежение, електромагнитното реле ЕМР не е задействано, контактите му са затворени и предпазваната инсталация или електроуред са свързани към електрическата мрежа. При протичане на ток IGR от фазата към земята, токът през нулевия проводник е IN = IL - IGR, и създаденото от него магнитно поле намалява. Следователно, полето в сърцевината вече не е равно на 0 и в намотката WЕ се индуцира напрежение, което при стойност над определен праг задейства променливотоковото реле ЕМР. А то чрез отваряне на контактите си изключва подаването на мрежово напрежение към предпазваната инсталация или електроуред. Този тип устройства са основните, които се използват в Стария континент.
Възможно е между WЕ и ЕМР да се включи електронен блок, който преобразува променливото напрежение от намотката в постоянно напрежение, сравнява го с вградено опорно напрежение, и когато го надхвърли, т.е. при ток IGR над определена стойност, се задейства ЕМР. Следователно, чрез стойността на опорното напрежение се задава прагът на задействане на ДТЗ. Това е принципът на широко използваните в други области електронни релета, които в областта на сградните инсталации намират ограничено приложение (обикновено в индустриални предприятия и големи търговски обекти). Причината е, че изискват допълнителен източник за захранване (резервиращо), което се явява не само усложнение, но и създава несигурност във функционирането на ДТЗ - при отпадането му защитата престава да работи. Същевременно някои от тях имат предимството да изключват предпазваната верига и когато захранващото напрежение се понижи под стойност, която не гарантира нормалното им функциониране.

Видове дефектнотокови защити
Устройствата, реализирани по схемата на фиг. 1, са предназначени за защита на еднофазни мрежи и електроуреди и се наричат двуполюсни, тъй като имат две клеми за свързване на уреда. За трифазни електроуреди без нулев проводник (свързани по схема “триъгълник”) се използват триполюсни устройства, в които трансформаторът има 3 намотки: WR, WS и WT по една за всяка от фазите. Третият тип ДТЗ са четириполюсните устройства, предназначени за трифазни уреди с отделен нулев проводник (свързани по схема “звезда”). Техният трансформатор има четвърта намотка WN.
В зависимост от формата на тока IGR, при която се осигурява задействане на ДТЗ, съществуват три типа устройства, определени от стандарта IEC 60775 на Международната електротехническа комисия. Най-старият тип АС са устройства със синусоидален IGR, т. е. без хармоници и без пулсиращ постоянен ток. Тип А са с повече възможности - освен със синусоидален IGR, те работят и при наличие в него на хармоници, както и с пулсиращ постоянен ток. Такива токове са характерни за компютри, луминесцентни лампи и най-вече за тиристорно управление на електродвигатели с регулируеми обороти, за някои димери, осигуряващи плавно регулиране на силата на светлината, както и за някои отоплителни електроуреди с плавно задаване на температурата в помещението. Работата на тези ДТЗ се гарантира и при постоянен ток IGR, върху който има насложен трионообразен ток с амплитуда 6 mA. Такива са случаите на редица устройства с импулсно захранване. С още по-големи възможности са устройствата от най-новия тип В, които се задействат и при синусоидален IGR с честота до 1 kHz, при постоянен IGR с насложен върху него синусоидален ток, при пулсиращ постоянен ток и при форма на тока, характерна за еднофазни, трифазни и шестфазни токоизправители, използвани масово в индустриални машини.
Важно е да се има предвид, че съществуват ограничения за монтиране на устройствата за ДТЗ в болнични заведения, в които прекъсването на тока поради задействането им може да увреди състоянието на пациентите.

Основни параметри на устройствата за ДТЗ
Номиналният ток IN (или In) на дефектнотоковата защита, позната още като прекъсвач за токове с нулева последователност или защитен прекъсвач, е най-големият, който устройството може да осигури на захранваната инсталация или на електроуред. Най-често използваните му стойности са 16, 25, 40, 63 и 100 А и по-рядко 6, 32, 80 и 125 А. За нормалната работа на устройството е необходимо мрежовото напрежение да е над определена стойност (например 85 или 170 V).
Чувствителността (номинален ток на сработване) IDn представлява стойността на тока през устройството, предизвикващ задействането му. В зависимост от нея има два основни вида устройства. Единият вид обхваща устройства с висока чувствителност. Те имат ток на задействане между 5 и 30 mA и предпазват хората от електрически удар, а електроуредите и инсталациите - от възникване на пожар (първата стойност се отнася за използваните в САЩ устройства, а втората - за тези в Европа). Според чл. 1789 от Наредба №3 на Министерството на енергетиката и енергийните ресурси, устройства за ДТЗ от този вид задължително трябва да се поставят за защита на електрически вериги с контакти за включване на преносими уреди, т. е. в жилища, офиси, хотели и сервизни помещения, а според чл. 1799 - за защита на веригите в опасни помещения, например такива с висока влажност.
Вторият вид устройства са със средна чувствителност. Те имат ток на сработване между 100 mA и 1 А и са предназначени само за предпазване от пожар. В Европа, в съответствие със стандарта IEC60364-4-42:2001-08, както и у нас според чл. 1801 от Наредба №3, горната граница е 300 mA. Сравнително рядко, и то само за предпазване от пожар на някои индустриални машини, се използват устройства с малка чувствителност, чиито ток IDn може да достигне до 30 А. Полезно е да се има предвид, че наименованията в каталозите на устройствата за ДТЗ твърде често съдържат IN/IDn, например 63А/30MA означава IN = 63 A и IDn = 30 mA.

Време на задействане на защитата
Друг основен параметър включва времето на задействане на устройството, което се дефинира от момента на протичане на тока до изключване на предпазваните електроуреди или инсталации. В зависимост от този времеви период се разграничават две групи устройства. Едните са с моментално задействане и се означават като група G. Минималното им време е 0 (идеален случай), а максимално допустимото е обратно пропорционално на големината на тока - при негова стойност IDn се допуска да е до 200 ms, а при 5 пъти по-голям - до 40 ms.
Втората група обхваща т. нар. селективни устройства (означават се като S и по-рядко с Т), които имат време на закъснение на задействане между 130 и 500 ms при ток IDn и между 50 и 150 ms при негова стойност 5IDn. Използват се в електрически инсталации с вероятност от появата на токови импулси, които не трябва да предизвикат грешно задействане на устройството. В каталозите на някои устройства за ДТЗ под формата на графика се предоставя зависимостта на времето на задействане t от отношението I/IDn, в което I е протичащият през тях ток. Устройствата за предпазване на хора са с т. нар. крива В, поради производствените толеранси реалното време е между двете криви. Например при ток I = 7IDn времето е между 0,01 и 0,02 s.

Конструкция на ДТЗ
Съществуват три основни вида конструкции дефектнотокови защити. Най-разпространената е предназначена за монтаж в електрически табла. Обикновено, горните две клеми на устройството са предназначени за свързване към мрежата, а долните две - за свързване към предпазваната инсталация. Освен лостче за включване и изключване на устройството, върху лицевата му страна обикновено е разположен и бутон за тестване. По принцип се дава информация и за най-важните параметри на устройството, и за схемата на свързването му. Подробна схема производителите предоставят в техническата документация и често тя е придружена с допълнителни обяснения.
Друг вид конструктивно решение на ДТЗ е вграждането им в електрически контакти, като конкретно за тези само с ДТЗ се използва съкращението SRCD (от английския термин Socket outlet RCD Socket outlet). Съкращението при комбинирана защита е SRCBO от аналогичния английски израз. Външният вид и размерите им не се различават от тези на обикновените контакти. По-често са с комбинирана защита и са особено подходящи за детски стаи, влажни помещения и за външен монтаж.
Трети вид конструкция са преносимите устройства (PRCD от Portable RCD). Предлагат се и разновидности за монтиране на удължителен кабел. Широко се използват във Великобритания.

Технически средства за мълниезащита
Сред важните технически средства за защита на електроинсталациите в сгради са и уредите за предпазване от директни попадения на мълнии и техните вторични въздействия. Най-масово използваните средства за защита от пряко попадане на мълнии са мълниеотводите. Функцията им е да привличат върху себе си мълнията, за да не попадне тя върху защитавания обект. За ефективна защита е необходимо върхът на мълниеприемния прът да е поне с два метра над най-високата част на защитаваната площ (включително и от монтирана върху нея антена). Обикновено прътовете се изработват от мед, алуминий или неръждаема стомана.
Сред използваните средства за мълниезащита са и мълниеприемниците с изпреварващо действие. Благодарение на своята конструкция те йонизират въздуха над себе си, като каналът в него се създава по-рано и срещата му с мълнията се реализира на значителна височина над върха им. Колкото времето на изпреварване DT (някои производители го наричат време за формиране на изпреварващата поточна емисия) е по-голямо, толкова по-широка е зоната на мълниезащита. Типични стойности на това време са няколко десетки микросекунди. То се дава във вид на параметър в някои каталози. Например, при скорост на мълнията 80 km/s за време DT = 50 ms тя изминава 4 m, колкото е и ефективното нарастване на височината на мълниеприемника. За тези приемници са в сила 4 нива (или категории) на защита - ниво I, в което вероятността да не попадне мълния е над 98%, ниво II - между 95 и 98%, ниво III - от 80 до 95% и ниво IV - под 80%.

Вторична защита от мълнии
Мълниеприемникът има задачата да предпази сградата, върху която е инсталиран, от сериозни щети. Създаваните напрежения в околните мрежи и уреди при протичането на тока от мълнията през проводника за заземяване, обаче, налагат използването на допълнителни защитни средства - т. нар. вторична защита. Различават се два основни типа елементи за вторична защита, в зависимост от принципа на действие и начина на свързване към предпазвания уред - за защита от свръхнапрежения и за енергийна защита. Елементите за защита от свръхнапрежения не позволяват напрежението между две точки да надхвърли определена безопасна стойност. Когато напрежението между защитаваните точки е нормално, елементът за защита не оказва никакво влияние. При повишаване на напрежението в мрежата над определена стойност (което може да бъде предизвикано не само от падане на мълния), елементът много бързо се задейства и установява неизменно и безопасно напрежение между двете точки и съответно предпазвания уред. Същевременно през елемента е възможно да протече много голям ток (в някои случаи над 10 000 A), но само за много краткото време на наличие на свръхнапрежението.

Елементи за вторична защита от свръхнапрежение
В зависимост от начина на осъществяване на описаното действие съществуват четири вида елементи за вторична защита от свръхнапрежение. Първият и все още най-масово използван сред тях е въздушният разрядник. Той съдържа две метални остриета, разположени на известно разстояние и насочени едно срещу друго. Ако между остриетата възникне напрежение над определена стойност, във въздуха между тях се получава електрически разряд и протича голям ток. Така напрежението между остриетата намалява до много малка и безопасна стойност. След като свръхнапрежението изчезне, пробивът се прекратява и разрядникът е готов за следващата защита. Напрежението за възникване на разряда зависи от разстоянието между пластинките (по-голямо разстояние - по-голямо напрежение).
Вторият вид са газоразрядните елементи. Те имат подобна структура и действие като въздушните разрядници, но електродите им са поставени в херметически затворена керамична капсула, изпълнена с инертен газ с ниско налягане. Той позволява разрядът да възникне при по-ниски напрежения. Токът през задействания елемент може да достигне до десетина хиляди ампера, но за не повече от няколко стотни от секундата.
Третият вид елементи са металоокисните варистори (МОV). Наименованието им показва, че те съдържат метални окиси - най-голямо е количеството на цинковия окис, към който са прибавени малки количества други окиси (напр. бисмутов, кобалтов и магнезиев). За разлика от предните два вида елементи, при варисторите не възниква електрически разряд. При достигане на определено напрежение, елементът започва да променя съпротивлението си, поради което напрежението между защитаваните точки остава практически неизменно. Стойностите на това напрежение са между 100 и 1000 V, т. е. много по-големи в сравнение с предните два елемента. Максимално допустимият ток през елемента е малко по-малък (до 6 - 7 хил. A). Основно предимство на варисторите е осигуряване на много сигурна защита, тъй като времето на задействане (времето на включване на защитата) е значително по-малко от това на предните два елемента - много под една милионна част от секундата.
Последният тип са защитните диоди. Те са с най-бърза реакция. Времето на задействането им трудно се побира в мащабите, с които сме свикнали - то е много по-малко от една милиардна от секундата. Нещо повече, след задействане между защитаваните точки се установява напрежение около 1 V, което е предимство спрямо останалите елементи. Основното ограничение върху приложимостта на тези елементи произтича от факта, че токът през тях едва достига 1000 A, и то само в някои специални типове. При други той е едва няколко десетки A. Практически, това означава невъзможност от използването им за ограничаване на големи свръхнапрежения.