Обеспечение защиты при косвенном прикосновении в системах электроснабжения типа tn с источниками бесперебойного питания

УДК 621.316

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗАЩИТЫ ПРИ КОСВЕННОМ ПРИКОСНОВЕНИИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ТИПА TN С ИСТОЧНИКАМИ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ

А.В. РАГУТКИН, Е.В. РАУБАЛЬ, М.Е. ВИХРОВ

Московский энергетический институт

Приведены особенности питания ответственных электроприемников от источников бесперебойного питания (ИБП), расчет токов при однофазном коротком замыкании (КЗ) в системе электроснабжения с ИБП, и представлена методика практической проверки обеспечения защиты при косвенном прикосновении в случае электроснабжения нагрузки от ИБП.

Ключевые слова: источники бесперебойного питания (ИБП), косвенное прикосновение, однофазное короткое замыкание (однофазное КЗ).

В последние годы происходит активная интеграция России в международное сообщество. В вопросах электроэнергетики это проявляется в гармонизации отечественной нормативной базы, в частности, регламентирующей правила безопасности и устройства электроустановок с международными стандартами. Например, в 2003 году введена в действие глава 1.7 «Заземление и защитные меры электробезопасности» ПУЭ 7-го издания [1], в которой были ужесточены требования к времени автоматического отключения питания в сетях до 1 кВ, как основному способу защиты при косвенном прикосновении.

Критерием успешности автоматического отключения питания в ПУЭ 6-го издания [2] считалось обеспечение определенной кратности тока короткого замыкания (КЗ) к номинальным токам плавких вставок предохранителей и расцепителей автоматических выключателей. Такой подход устанавливал степень надежности отключения повреждений, но не гарантировал быстрого отключения. В ПУЭ 7-ого [1] издания время срабатывания коммутационного аппарата жестко привязано к уровню напряжения сети. Так для электроустановок жилых, общественных и промышленных зданий, получающих питание от источника питания с глухозаземленной нейтралью с применением системы TN, время защитного автоматического отключения не должно превышать: для номинального фазного напряжения U0=127 В - 0,8 с; U<,=220 В - 0,4 с; U<,=380 В - 0,2 с; U >380 В - 0,1 c.

Методика проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении на этапе проектирования, в соответствии с требованиями [1], для систем электроснабжения, получающих питание от цеховых трансформаторов (источников бесконечной мощности), подробно изложена в работе [3]. Суть методики заключается в оценке достаточности величины минимального тока КЗ в конце поврежденного участка для своевременного срабатывания аппарата защиты при вариативном изменении соотношения длина/сечение питающей кабельной линии с учетом время-токовой характеристики коммутационного аппарата.

В последнее время широкое распространение получили системы электроснабжения, содержащие ИБП - источники бесперебойного питания (источники ограниченной мощности), для которых требования ПУЭ также должны выполняться, но их обеспечение методически не проработано.

Согласно стандарту МЭК IEC 62040-3 [4] источники бесперебойного питания можно разделить на три группы, различающиеся топологией и принципами функционирования:

1) раззгуе standby (резервного типа) - инвертор работает параллельно сети в пассивном ожидании. Когда параметры питающей сети не соответствуют требованиям или произошло повреждение сети, после небольшого времени переключения (обычно менее 10 мс) инвертор и батарея обеспечивают непрерывность электроснабжения. ИБП продолжает работать в течение автономного времени работы (определяемого емкостью батареи) или до восстановления параметров сети, после чего происходит переключение в нормальный режим работы;

2) line interactive (линейно-интерактивного типа). В этой топологии нагрузка питается от основной сети, одновременно инвертор, работая в реверсивном режиме как конвертор, производит заряд аккумулятора. При ухудшении параметров питающей сети, не соответствуют требованиям или произошло повреждение сети, инвертор и батарея обеспечивают непрерывность электроснабжения;

3) double conversion (с двойным преобразованием).

Эти ИБП получили наибольшее распространение в схемах питания ответственных электроприемников, поэтому в данной статье они будут рассмотрены более подробно.

Структурная схема ИБП double conversion показана на рис. 1.

Рис.1. Структурная схема ИБП типа double conversion

ИБП double conversion могут функционировать в следующих режимах: нормальный, автономный и байпас (питание через резервную сеть).

В нормальном режиме работы питание осуществляется по цепи выпрямитель — инвертор, где происходит преобразование переменного тока в постоянный и наоборот, что и дало название топологии. При потере питания от сети ИБП переходит в режим автономной работы, в котором электроснабжение нагрузки осуществляется от батареи через инвертор в течение времени, определяемого емкостью и степенью разряда батареи или до восстановления нормального электроснабжения. Байпас включается автоматически в случаях внутреннего повреждения ИБП, перегрузки, разряде батареи. Сеть питания ИБП и байпаса должны быть синхронизированы для обеспечения перевода нагрузки без перерыва электроснабжения. Есть также ручной байпас для осуществления регламентных работ.

При перегрузке или при внешнем КЗ инвертор переключается в режим источника тока, ограничивая максимальное значение тока нагрузки на величине

1 огр , которая, согласно ГОСТ 27699-88 [5], не должна превышать 2/ном инвертора в

течение 0,1 с. Для современных ИБП инвертор обеспечивает 1 огр = (2...3)/ном в течение 1 с; эта характеристика указывается производителем в каталожных данных. В рабочих режимах ИБП обеспечивает стабилизацию выходного напряжения инвертора.

Вследствие этих особенностей при питании электроприемников от ИБП значение токов при возникновении внешних КЗ может оказаться меньше, чем при традиционной схеме (через трансформатор), Это может привести к увеличению времени отключения КЗ и нарушению требования к безопасности электроустановок [1]. Наиболее неблагоприятный вариант внешнего КЗ — когда ток однофазного короткого замыкания /к(1) окажется меньше величины /огр, и аппарат защиты будет нечувствительным к току повреждения.

С целью разработки методики практической проверки обеспечения защиты при косвенном прикосновении для режимов питания нагрузки от инвертора (нормальный и автономный режим) и питания нагрузки от сети (через байпас) выполним расчет токов при однофазном КЗ в системе электроснабжения с ИБП.

На рис. 2 показана перегрузочная характеристика, которая представляет собой время-токовую зависимость (ток нагрузки и время его протекания), определяющую режим работы ИБП.

Рис. 2. Перегрузочная характеристика ИБП: 1 - область инверторного режима; 2 - область режима байпас; 3 - область автоматического отключения

При нормальном и автономном режимах работы ИБП и возникновении однофазного КЗ в цепи инвертора возникнет ток, который можно определить по формуле

(1) _ и ном .вых. ИБП 1К _ ,

Крк + ^РЕ

где ином вых •ИБП - стабилизированное выходное напряжение ИБП; , ^РЕ -активные сопротивления фазного и нулевого защитного проводника соответственно.

7(1) /

Следует сравнить полученное значение тока К с величиной огр инвертора

/К1) /

ИБП. Если К < огр , то аппарат защиты необходимо отстраивать от величины /

тока К • При этом если в качестве защитного аппарата применяется предохранитель, необходимо проверить, что ток однофазного КЗ вызывает срабатывание предохранителя за время, не превышающее указанное в ПУЭ [1], то есть выполняется условие

11 < 10,

I /(1) I

где 1 - время срабатывания предохранителя при однофазном КЗ К ; 0 -

нормированное время срабатывания предохранителя, которое зависит от

номинального напряжения сети.

Если защитный аппарат - выключатель, то достаточно проверить, что /

величина К превышает ток срабатывания электромагнитного расцепителя, формула (3). В этом случае размыкание контактов автоматического выключателя происходит за время меньшее, чем установленное допустимое время [1] (рис. 3, б):

I (1) > I

1К >/т,

где / то — ток отсечки автоматического выключателя.

Отметим, что при определении максимального значения уставки срабатывания токовой отсечки автоматического выключателя необходимо учитывать допустимый разброс по току срабатывания, заявленный производителем. В общем случае, согласно [6], максимально допустимый разброс по току срабатывания расцепителя составляет ±20 %.

Рис. 3. Время-токовые характеристики предохранителя

/(1) I

Если К < огр и защитным аппаратом является автоматический выключатель, выполнены расчеты максимальных длин кабельных линий, при которых обеспечивается защита при косвенном прикосновении, для системы TN при напряжении сети 220/380 В при питании от ИБП. Результаты этих расчетов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Максимальная длина(м) кабельной линии в системе TN к однофазному или трехфазному электроприемнику при напряжении питающей сети 220/380 В при питании от инвертора, при которой обеспечивается защита при косвенном прикосновении

сечениепроводн Ток уставки токовой отсечки автоматического выключателя 1то, А

икквммм чес ког о вы ключ ател я 1Т о, А

0^63 80 100М 25М6 0Ш 00 250га 20 1,5

94,8 75,6 60М8 37,2^3 0Ш4 19,2 2 ,5Ш0 0,4^1 58,4

8 99,6 га 0,4^62 ,4^50, 4^39,6 31,2 4 320, 4М54 ,4Ш0

15 9,6 128,4 99,6 80, 4^63 ,6га 0,4 6М8

0,4 3 00Ш4(  192^ [ 50М2( 96га 5 ,6 10Ш 500,4

6га 2 0 , 4 249,6 200,4  159,6  124,8 1

5 1 2 , 4 3 99,6^3 20,4 га 55,6

,4 2 5    500,

9,6 3 1 2 35Ш

/(1) /огр

560,4П438 50ППППППППП625,2 Если К > огр , то аппарат защиты

тока огр [7]. Необходимо убедиться, что огр больше или равен току применяемого аппарата защиты. Результаты такой проверки для модельного ряда ИБП и автоматических выключателей приведены в табл. 2, выделена зона рекомендуемых к применению выключателей, при использовании которых будет обеспечена защита при косвенном прикосновении.

Таблица 2

Применение автоматических выключателей в зависимости от номинальной мощности (ограниченного тока) ИБП, при котором обеспечивается защита при косвенном прикосновении

Номинальна ямощность ИБПкВА Номинал ьныйток ИБПАП Ограниче нный ток ИБПАП Ток уставки токовой отсечки автоматического выключателя 7ТО, А

5 0 6 3 8 0 1 0 0 1 2 5 1 6 0 2 0 0 2 5 0 3 2 0 4 0 0 5 0 0 5 6 0 6 3 0 7 0 0

32 60,77 141,6

40 75,97 177,0

48 91,16 212,4

64 121,55 283,2

80 151,93 354,0

96 182,32 424,8

128 243,09 566,4

160 303,87 708,0

При питании от байпаса расчет однофазного короткого замыкания аналогичен расчету для нормальной сети, описанному в работе [3].

Выводы

1. При питании от ИБП величина токов однофазного короткого замыкания при определенных условиях меньше величины токов однофазного короткого замыкания при питании от сети, поэтому для правильного определения минимальных значений токов однофазных КЗ необходимо учитывать влияние ИБП на величину этих токов. При расчете максимальных токов для выбора оборудования необходимо использовать режим питания от сети, который, обычно, является максимальным.

2. Независимо от применяемой топологии ИБП необходимо проверять условия защиты от косвенного прикосновения, учитывая характеристики инвертора, полученные от производителя, такие как ограниченный и номинальный ток, величины, необходимые для выбора аппаратов защиты в сетях TN.

Summary

Features specifics of the feed of responsible electrical receivers from an uninterrupted power supply (UPS), calculation of currents for single-phase short circuit in a system of electrical power supply with a UPS and the technique of practical protection check in case of indirect contacts for loads supplied by UPS.

Key words: uninterrupted power supply (UPS), indirect contact, single-phase short circuit.

Литература

1. Правила Устройства Электроустановок (ПУЭ). 7-е издание. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2002. 184 с.

2. Правила Устройства Электроустановок (ПУЭ). 6-е издание, переработанное и дополненное, с изменениями. М.: Энергоатомиздат, 1998. 608 с.

3. Цырук С.А., Саженкова Н.В., Сибгатуллин А.Х. Обеспечение безопасности при косвенном прикосновении в системе TN // Вестник МЭИ, 2008, № 2. С. 33-38.

4. IEC 62040-3 (1999-03) Uninterruptible power systems (UPS) - Part 3: Method of specifying the performance and test requirements.

5. ГОСТ 27699-88. Системы бесперебойного питания.

6. ГОСТ Р 50030.2. Аппаратура распределения и управления низковольтная. Ч. 2. Автоматические выключатели.

У. UTE C15-402, Guide pratique, Alimentation sans interruption (ASI) de type statiqueet systame de transfert statique (STS), Rngles d'installation, UTE, 2004.

Поступила в редакцию S июня 2009 г.

Рагуткин Александр Викторович - аспирант, ассистент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Московского энергетического института (ТУ). Тел.: 8-92б-б92-48-18. E-mail: Ragutkinav@yandex.ru.

Раубаль Евгения Викторовна - аспирант Московского энергетического института (ТУ). Тел.: 8-91б-213-бб-б0. E-mail: Jk.Raubal@mail.ru.

Вихров Михаил Евгеньевич - инженер кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Московского энергетического института (ТУ). Тел.: 8-92б-123-03-91. E-mail: winney@mail.ru