Контроль и ограничение токов утечки в электроустановках зданий

Н.Д. Душкин, И.И. Листопад, В.С. Розанов, А.В. Трубицын
Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики,
г. Москва

При эксплуатации электроустановок зданий и сооружений существуют проблемы, связанные с наличием значительных токов утечки через изоляцию в распределительных сетях. Это приводит к непроизводительным потерям электроэнергии, снижению кпд сети, ускоренному старению изоляции, повышению вероятности ее пробоя и возникновению, как следствие, аварийных ситуаций. Решение проблемы контроля и ограничения токов утечки является существенным резервом на пути решения комплексной проблемы энергосбережения.

Ошибки при проектировании и выборе комплектующих изделий, типов проводов и видов изоляции, низкая культура монтажа электроустановок зданий, некачественное проведение планово-предупредительных и регламентных работ составляют основные причины возникновения токов утечки.

Согласно ПУЭ в последней редакции при монтаже новых сетей и реконструкции существующих сетей электроснабжения внедряется трех- и пяти проводные схемы, предусматривающие использование дополнительного нулевого защитного проводника. При этом весьма распространенной является ошибка в подключении электрооборудования по этим схемам, состоящая в том, что нулевой защитный и нулевой рабочий проводники имеют одну или даже несколько общих электрических контактов во внутренней распределительной сети, и что приводит к появлению неконтролируемого растекания токов по металлическим конструкциям, трубопроводам систем водоснабжения, отопления и канализации зданий.

Помимо ошибок монтажа существует ряд других причин, которые приводят к появлению токов утечки: ухудшение состояния контактных соединений в цепях нулевых рабочих проводников, ухудшение состояния изоляции фазных проводов и др.

Наличие токов утечки помимо непроизводительных потерь энергии вызывают ускоренное старение изоляции, что, в свою очередь, приводит к еще большему увеличению токов утечки, «неоправданному» срабатыванию УЗО и, как следствие, неадекватному снижению надежности электроснабжения.

Старение изоляции, связанное с увеличением токов утечки, может носить также и лавинообразный характер, что приведет к срабатыванию УЗО по неизвестной для технического персонала причине и перерывам в электроснабжении.

Кроме того, наличие токов утечки в распределительных сетях может вызвать также ускоренную коррозию металлических сооружений.

Для оценки токов утечки через изоляцию на землю группой компаний «Интерэлектрокомплект» были проведены экспериментальные исследования различных схем электроустановок зданий.

Целью исследований являлось определение основных факторов, влияющих на величину токов утечки в электрических сетях зданий. В процессе измерения токов утечки фиксировались марка электропроводов, срок ее эксплуатации, режим работы электроустановки (отключенная и включенная электрическая нагрузка), протяженность питающих линий, мощность и вид нагрузки (осветительная, электротермическая и электродвигательная). Измерению тока утечки подвергались наиболее распространенные электропроводки скрытого и наружного исполнения.

Измерения производились с помощью специального прибора АСТРО I_? [1], в основе которого лежит принцип работы устройства защитного отключения. Измерительный прибор включается в рассечку фазных и нулевого рабочего проводов, что дает возможность замерить токи утечки в осветительных и силовых сетях, как при отключенной нагрузке, так и под нагрузкой.

Проведенные измерения показали наличие в распределительных сетях фоновых токов утечки, которые присущи любой системе электроснабжения. Естественный фон токов утечки в электрических сетях электроустановок зданий зависит от многих факторов: физических и геометрических параметров электропроводки, качества монтажа и обслуживания, вида нагрузки, длительности эксплуатации и т.д. Поэтому можно считать, что естественный фон токов утечки является некоторым функционалом от ряда случайных переменных.

Полученные данные измерений токов утечки на ряде электроустановок зданий были обработаны на персональном компьютере с помощью ряда прикладных программ, в которых реализованы необходимые методы обработки данных, что позволило сделать следующие выводы:

1. Токи утечки зависят от вида электрической нагрузки и не превышает следующих значений: для сети освещения – не более 5…7 мА; для электротермической нагрузки – 15…20 мА; для электродвигателей - не более 22…30 мА.

2. При включении нагрузки происходит заметное увеличение токов утечки, однако верхний предел их в трехфазных сетях не превышает 40 мА. Значительное увеличение токов утечки наблюдается при включении электротермических устройств (один киловатт активной нагрузки соответствует приращению тока утечки примерно на 0,5 мА). При включении электродвигателей в результате переходного процесса наблюдаются кратковременные скачки токов утечки.

3. Замеры, проведенные в электросетях со значительными сроками эксплуатации, показали увеличение токов утечки на 15-30 % из-за ухудшения изоляционных свойств электропроводки зданий.

4. Максимальные отклонения замеренных значений токов утечки выше среднестатистических значений в отдельных распределительных сетях составляли 30-50 %.

Таким образом, полученные результаты показали проблематичность точной оценки токов утечки в электрических сетях, а следовательно, невозможность прогнозировать ожидаемые значения токов утечки в рабочем режиме по заданным характеристикам электросетей.

В настоящее время нашло широкое применение устройство защитного отключения (УЗО) - автоматическое устройство защиты людей от поражения электрическим током и электрооборудования от возгорания при снижении сопротивления изоляции. Данное устройство по существу выполняет функцию контроля токов утечки и работает по принципу отключения контролируемой сети при превышении током утечки порога срабатывания УЗО.

Хотя УЗО, благодаря своей простоте, надежности и эффективности защиты, и получили массовое распространение, однако им присущ один существенный недостаток: УЗО производятся на одну фиксированную уставку из стандартного ряда (10, 30, 100 и 300 мА) и работают по упрощенному принципу «да-нет». Это приводит часто к неадекватным отключениям электроустановки.

Все известные УЗО[1] содержат датчик дифференциального тока (ДТ), пороговый элемент (ПЭ) и исполнительный элемент (ИЭ). Выделяемый датчиком ДТ сигнал - переменное напряжение или ток с частотой защищаемой сети - поступает на пороговый элемент и, при превышении значения его порога срабатывания (уставки), приводит к переходу ПЭ в состояние, при котором срабатывает исполнительный элемент и осуществляется защитное отключение электроустановки.

Кафедрой ИЭТ МГТУ МИРЭА совместно с ООО «ИНТЕРЭЛЕКТРОКОМПЛЕКТ» предложено новое устройство УЗО с функцией анализа отклонений токов утечки от их фоновых значений, присущих конкретной электроустановке. Данное устройство кроме основных элементов УЗО имеет дополнительную схему измерения токов утечки с блоком памяти (БП), который запоминает существующий «фоновый» ток утечки в контролируемой цепи. Кроме того, устройство имеет блок сигнализации (БС), срабатывание которого происходит при определенном превышении токов утечки над значениями «фонового» тока. При этом основная измерительная цепь работает в стандартном режиме и при достижении током утечки значения уставки ПЭ воздействует на ИЭ и приводит к отключению устройства.

Таким образом, разработанное УЗО с функцией контроля токов утечки позволит своевременно зафиксировать снижение сопротивления изоляции и провести профилактические мероприятия по предотвращению аварийной ситуации – отключению потребителя.

Применение данного устройства позволит получить значительный экономический эффект за счет предотвращенного материального ущерба от возникновения недопустимых токов утечки и отсутствия неоправданных отключений электроустановок.

Список литературы

1. Душкин Н.Д., Монаков В.К., Старшинов В.А. УЗО – устройства защитного отключения. Учебно-справочное пособие. – М.: ЗАО «Энергосервис», 2003. – 232с. 

Назад к списку