Дефектнотокова защита

Методи за определяне на оптималната работна точка
на системата

В продължение на статиите за фотоволтаични системи, публикувани в предишни броеве на сп. Технологичен дом, в настоящата статия продължаваме темата с техни характеристики, както и с основни пречки пред масовото им използване у нас.

Роля на постояннотоковия преобразувател в системата
В реалните системи фотоволтаиците не се свързват директно към постояннотоковия товар (фиг. 1). Системата за управление използва постояннотоков преобразувател, който има за задача да преобразува постоянното напрежение на изхода на фотоволтаика до постоянно напрежение с друг волтаж - този на шините на товара. Най-често постояннотоковият преобразувател се реализира като повишаващ преобразувател, чиято схема е показана на фигура 2. Характерно за този тип преобразуватели е, че постоянното напрежение на изхода (от страната на RT) е по-високо от напрежението на входа. При отпушване на транзистора, токът през индуктивността започва да се повишава, запасявайки в нея енергия. При запушване на транзистора, ЕДН на самоиндукция на индуктивността се сумира с напрежението на фотоволтаика. Логично, кондензаторът се зарежда до сумата от двете напрежения. През времето, когато транзисторът е отпушен, товарът се захранва от запасената в кондензатора енергия.

Необходимост от дефектнотокова защита
На основата на съществуващите изследвания за физиологичното въздействие на променливия електрически ток с честота между 15 и 100 Hz върху човешкия организъм Международната електротехническа комисия публикува през 2005 г. стандарта IEC60479-1, в който се дава диаграмата време-ток на фиг. 1 с 4 зони.
Зона АС-1 е в сила при ток до 0,5 mA независимо от времето на протичането му и от него се получават неприятни усещания.
В зона АС-2 се наблюдава нежелано свиване на мускулите по пътя на тока, което зависи както от големината му, така и от времето на протичане. От фигурата се вижда, че тази реакция на организма може да настъпи при ток 5 mA с продължителност над 2 s, докато при продължителност 10 ms или по-малко е необходим ток 200 mA.
Реакцията на мускулите е още по-голяма в зона АС-3 - те се свиват неконтролирано, което се нарича тетанизация, и е напълно възможно импулсивната реакция на човек да доведе до самонараняване. При значителни стойности на тока може да се окаже трудно отделянето от мястото под напрежение или свиването на мускулите да е толкова рязко и силно, че да отхвърлят човек настрана. Всичко това е възможно да бъде съпроводено с нарушаване на нормалния процес на дишане, когато токът протече през управляващите го мускули, както и с евентуално нарушаване на сърдечния ритъм (сърдечна фибрилация), но те изчезват след прекратяване на тока.
Най-опасна е зона АС-4, в която се засилват описаните реакции от предната зона, към които се прибавя вероятност от трайно нарушаване на сърдечната дейност, когато токът съвпадне с физиологичните токове на сърцето. В подзона АС-4.1 вероятността е около 5%, в подзона АС-4.2 достига около 50% и е още по-голяма в подзона АС-4.3. При това може да се стигне до спиране на сърцето и дишането, опасността от която нараства с увеличаване силата на тока и неговата продължителност. Дори това да не стане, нарушената сърдечна дейност може да продължи и след отстраняване на външния ток. Към всичко това се прибавя опасността от изгаряния поради нагряването на тялото от тока. При възрастни хора описаните реакции е напълно възможно да настъпят дори при няколко пъти по-малък ток. На основата на тези изследвания за максимална безопасна стойност на тока през човешкото тяло в Европа е приета 30 mA.
Две са възможностите за протичане на ток през тялото при ползване на свързаните към електрическата мрежа уреди. На първо място при докосване поради невнимание на проводника на фазата (т.нар. директен допир) протича електрически ток през тялото обратно към земята (фиг. 2а). Неговата големина е пропорционална на съпротивлението на веригата му, а то има две последователно свързани части - съпротивлението на тялото RB и това от мястото му на допир до земята RGR. Средната стойност на RB e около 1,7 kW, поради което за безопасно за човека се приема променливо напрежение със средноквадратична стойност 1,7 kWx30mA»50 V, а според стандарта IEC60479-1 допустимото време за прилагането му не трябва да надхвърля 5 s. Според същия стандарт допустимото напрежение за безкрайно дълго време на прилагане е 25 V. Същото напрежение е и според стандарта IEC 60364-4-41, но в него като допустимо постоянно напрежение без пулсации е дадено 120 V.
При ползването на всички тези стойности не трябва да се забравя, че съпротивлението на човешкото тяло намалява след употребата на алкохол, с което съответно се увеличава опасността от поражения. Съпротивлението RGR може да е в твърде широки граници. При неизолирани подове (например циментови) и стени с мазилка то е твърде малко, особено когато са влажни (бани, мазета), и сумата от двете съпротивления може да е дори под няколко килоома, което означава през тялото ток доста над 100 mA (зона АС-4 на фиг. 1 при времетраене на протичането над около 0,5 s).
Съществуват изолационни подове и стени, които според Наредба №3 на МЕЕР от 09.06.2004 г., глава VII, член 212 трябва да имат съпротивление не по-малко от 50 kW, определящо протичането на малък и безопасен ток. Най-малка е стойността на RGR и следователно токът е най-опасен при допир на друга част от тялото до заземен метален предмет, каквито са тръбите на водопроводната  мрежа и домакинските електроуреди, свързани към нея (перални, бойлери, съдомиялни машини). Подобно е положението при работата на открито с електрически инструменти (бормашини, ъглошлайфове, триони, косачки на трева, храсторези), когато човек е стъпил на земята. Също често срещан случай е нарушаване на изолацията на свързващия кабел, например срязването й при невнимателна работа, и допиране на проводника на фазата до корпуса на прибора.
Втората възможност е свързана с добре известното намаляване на   съпротивлението на изолаторите с течение на времето и поради външни въздействия, което е особено силно при напукването им. Подобно намаляване се наблюдава и при овлажнена изолация и такава замърсена с масла, кал или проводящи течности. Не трябва да се забравя и фактът, че работата на кабели и електродвигатели с ток над номиналния може да нагрее недопустимо изолацията и след време да намали съпротивлението й. В резултат на това металните части на електроуредите се оказват свързани към фазата през намаленото изолационно съпротивление RIS и при докосването им (т.нар. индиректен допир) тялото се оказва под напрежение и през него протича ток. Неговата големина по принцип е по-малка в сравнение с директния допир, тъй като RIS е свързано последователно на RB и RGR (фиг. 2б), но също е опасна. Има още една особеност, присъща на масово използваните у нас електрически мрежи тип TN-C, която може да се оцени чрез тяхната структура (фиг. 2б). Носещата конструкция и металният корпус на електроуредите се съединяват чрез трети защитен неутрален проводник (PE) в свързващия кабел и пластините на щепсела “шуко” към неутралния проводник N на мрежата в контакта, а от своя страна N е свързан към земята в трафопоста. Така N се оказва едновременно неутрален и защитен неутрален проводник между контакта “шуко” и трафопоста с означение PEN. Когато той е изправен, през него и съпротивлението на електроуреда протича по-голямата част на тока от проводника на фазата L и по-малко “остава” за тялото. Значително по-опасно е когато нулевият проводник е прекъснат - тогава целият ток протича през тялото. Това е една от причините в такива мрежи да не се поставя ДТЗ.
За избягване на съществуващата опасност от прекъсване на PEN трябва да се използват мрежи тип TN-S (фиг. 2в), в които проводникът РЕ е отделен от N и се свързва към него в трафопоста. При липса на такава мрежа може да се използва междинният вариант TN-S-C, в който РЕ се свързва към N в електрическото табло на апартамента или сградата. Според чл. 1792 от Наредба №3 е забранено РЕ да се свързва към N в охраняваната инсталация, а това може да се направи само преди (по посока на електрическата мрежа) устройството за ДТЗ. Освен това РЕ трябва да преминава извън трансформатора на устройството.
Допълнителна и немаловажна опасност е непрекъснатото протичане на ток през влошената изолация. Установено е, че има реална опасност от възникване на пожар при негова стойност над около 0,3 А, което е лесно обяснимо - умножаването на 220 V с 0,3 А означава мощност 66 W, която при продължително отделяне може да  доведе до значително нагряване. Същевременно дори по-малки токове предизвикват образуване на слой въглерод върху повърхността на много изолации, през който може да се получи електрически пробив и да ги възпламени заедно с изолацията. Според изследвания над 40% от пожарите в Германия в периода 1980-90 г. се дължат на електричеството и въпреки че част от тях са поради електрически искри от късо съединение, не са малко възниквалите поради влошена изолация. Не по-малко важно е, че влошената изолация на кабели може да доведе до късо съединение, чиито последици да се избегнат чрез ДТЗ.

Същност на дефектнотоковата защита
Най-простото обяснение на нейното действие се свежда до формулата “колкото влиза, толкова излиза”. Това означава, че 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. Този принцип се осъществява чрез електрическата схема на фиг. 3. 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 става IN = IL - IGR и създаденото от него магнитно поле намалява. Следователно полето в сърцевината вече не е 0 и в намотката wЕ се индуцира напрежение, което при стойност над определен праг задейства променливотоковото реле ЕМР, и то чрез отваряне на контактите си изключва подаването на мрежово напрежение към предпазваната инсталация или електроуред. Този тип устройства са основните използвани в Европа за жилища и подобни на тях случаи. Възможно между wE и ЕМР да се включи електронен блок, който преобразува променливото напрежение от намотката в постоянно напрежение, да го сравнява 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 тук имат ограничено приложение (обекновено в индустриални предприятия и големи търговски обекти). Причината е, че изискват допълнителен източник за захранване (резервиращо), което е не само усложняване, но и създава несигурност в действието на ДТЗ - при отпадането му защитата престава да работи. Същевременно някои от тях имат предимството да изключват предпазваната верига и когато захранващото им напрежение намалее под стойност, не гарантираща нормалното им реагиране на тока IGR.
Не по-малко важна е фукцията на ДТЗ да изключи напрежението само при влошена изолация, без човек да докосне корпуса под напрежение. В такъв случай от фазата през нейното съпротивление RIS и проводника РЕ към земята протича остатъчен ток и защитата се задейства по описания начин. В инсталация TN-C задействане няма, тъй като остатъчният ток протича през общия проводник PEN (вж. фиг. 2б) и намотката wN на трансформатора в устройството за ДТЗ, т.е. токът остава равен на този през wL и върху wE не се получава напрежение. При мрежи TN-S и TN-S-C остатъчният ток не преминава през трансформатора и задействането е възможно.
За проверка на действието на устройствата за ДТЗ  при първоначалното им монтиране и периодично по време на експлоатацията (различните производители препоръчват веднъж на 1, 3 или 6 месеца) те съдържат специална верига с бутон, дадена с прекъсната линия на фиг. 3. При натискане на бутона Т част от тока на проводника на фазата (допуска се да е до 2,5 пъти по-голям от този за нормално задействане на защитата) преминава през резистора, който реално представлява проводник с определено съпротивление. При трифазни устройства веригата е аналогична - между една от фазите и нулевия проводник. Сред последните новости са самотестващите се устройства за ДТЗ.
В зависимост от поведението на ЕМР след прекъсването на веригата има два вида ДТЗ. При самозадържащата се (пасивна) ДТЗ релето запазва задействаното си състояние и е необходимо натискане на специален бутон, за да бъде то изключено и отново подадено напрежение на електроуреда. Използването й е в случаите, когато задействането най-вероятно се дължи на повреда, а не докосване от човек. Основно това са уреди, работещи без човешка намеса, например хладилници и фризери. ДТЗ без самозадържане (активна ДТЗ) автоматично възстановява захранването на електроуреда след прекратяване на тока IGR. Тя е предназначена главно за електрически инструменти, машини за косене на трева и други подобни, където има значителна вероятност човек да докосне проводника на фазата.
Важна принципна особеност на ДТЗ, която е и неин недостатък е, че когато токът през тялото протече от фазовия към нулевия проводник или между две фази (например едновременно докосване на двата) тя не се задейства, тъй като не се получава разлика между токовете.

Видове дефектнотокови защити
Устройствата, реализирани по схемата на фиг. 3, са предназначени за защита на еднофазни мрежи и електроуреди и се наричат двуполюсни (вид 2Р), тъй като имат две клеми за свързване на уреда. За трифазни електроуреди без нулев проводник (свързани по схема “триъгълник”) се използват триполюсни устройства (вид 3Р), в които вместо wL и wN трансформаторът има 3 намотки wR, wS и wT по една за всяка от фазите. И третият тип са четириполюсните устройства за ДТЗ, 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 3 типа устройства, определени от стандарта IEC 60775 на Международната електротехническа комисия. Най-старият тип АС са такива 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. Тези токове се получават от компютри, луминесцентни лампи и най-вече при тиристорно управление на електродвигатели с регулируеми обороти, от някои димери за плавно регулиране на силата на светлината и от някои отоплителни електроуреди с плавно задаване на температурата в помещението. Работата на този тип се гарантира и при постоянен ток IGR, върху който има насложен трионообразен ток с амплитуда 6 mA. Това пък са случаите на някои устройства с импулсно захранване. С още по-големи възможности са устройствата от най-новия тип В, които освен от токовете на тип А 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 има ограничения за монтиране на устройстват за ДТЗ в болнични заведения, където прекъсването на тока поради задействането им може да увреди състоянието на пациентите.

Разпространение на ДТЗ
Първият прибор е създаден през 1937 г., но реалното приложение започва през 70-те години на миналия век, като от 1973 г. те стават задължителни за външните електрически инсталации и баните на жилищата в САЩ. Вграждането им в електрически инсталации отново там започва около 1980 г., а от 1987 г. ДТЗ става задължителна и за кухните, но без хладилниците. В това отношение Европа изостава. Например Норвегия определя задължителното поставяне на ДТЗ в новостроящи се сгради от 2002 г.,  а Германия ги налага за всички контакти с ток до 20 А през 2007 г. В Англия ДТЗ е задължителна за новостроящи се сгради едва от юли 2008 г. У нас  в Наредба №3, глава седма, раздели IV - VII  са дадени изискванията за осигуряване на безопасност при директен и индиректен допир. Реално те могат да се осигурят само от ДТЗ, като в чл. 1796 е фиксиран максималният ток на задействането й от 30 mA. Освен това устройствата за ДТЗ трябва да съответстват на БДС EN61008-1/2-1 и БДС EN61009-1/2-1. Независимо от това при желание за повишаване на безопасността на работа могат да се използват устройства с праг на задействане 10 mA.

Комбинирана защита
Тя представлява съчетание в едно устройство на ДТЗ и максималнотоков предпазител (или предпазители). Обикновено се нарича ДТЗ с прекъсвач, а английското й съкращение е RCBO (от Residual Current Breaker with Overload). В тези устройства ДТЗ обикновено е свързана в една електрическа верига, а максималнотоковият предпазител - в друга, докато ЕМР може да е общо или да има две отделни ЕМР. Максималнотоковият предпазител може да е електронен, а токът му на задействане се означава с IDC.