1. Статьи
2. Источники питания
3. Электроснабжение – основа безопасности

Кукушин Николай Викторович директор ООО СЕТИ ПЛЮС

Защита линий электроснабжения - ключевой эле-мент системы безопасности. Предназначенная для повышения безопасности система не должна быть источником угроз, но на практике довольно часто встречаются «бикфордовы шнуры», которые протянуты, например, к тому или иному видеорегистратору без соблюдения простейших норм ПУЭ, не говоря о требованиях Технического регламента ФЗ-123.

К сожалению, не только монтажники, но и проектировщики систем безопасности зачастую весьма далеки от осознанного расчета столь важной части проекта, что хорошо видно по документации, которую различные заказчики выставляют на торгах. Многие проектировщики никогда не проходили аттестации Ростехнадзора на знание норм ПУЭ и ПТЭЭП, но проблема не только в этом.

Не менее существенным фактором является технологическая составляющая самих аппаратов защиты, в качестве которых используются автоматические выключатели (АВ), их реальное качество в последнее время упало ниже допустимых значений, что усугубляется профанацией измерений, когда многие ЭТЛ оформляют протоколы даже без выезда на объект, о чем свидетельствует печальная статистика пожаров.

Совокупность всех этих факторов (неквалифицированные монтажники и проектировщики, падение качества аппаратов защиты, профанация измерений ЭТЛ...) влечет весьма опасные последствия для владельцев любых объектов.

Вероятно, многие разбирали в детстве утюг и находили в нем биметаллическую пластину, которая по мере нагрева отключает электрический ток. За сто лет в электротехнике почти ничего не изменилось и линии большинства объектов защищены таким же «дедовским» способом, который сам по себе просто не может считаться надежным и требует периодического вмешательства персонала по той простой причине, что контактные соединения по мере увеличения и уменьшения протекающих токов разогреваются и охлаждаются, поэтому ухудшаются, что постепенно уменьшает вероятность срабатывания подобной защиты. Среди других сложных опасных проблем стоит отметить искрение, отслеживать которое призваны аппараты AFCI (Arc Fault Circuit Interrupter), а также нелинейных характер потребления современными приборами с импульсными источниками питания, что существенно снижает работоспособность УЗО.

Требования Технического регламента ФЗ-123 МЧС существенно строже, чем требования ПУЭ. В эпоху импульсных источников питания прежними подходами пользоваться уже стало рискованно. В частности, в отличие от ФЗ-123 нормы ПУЭ не требуют ставить УЗО в цепях освещения, что приводит к пожарам.

Рис. 1. Китайские компоненты — техническая основа предпосылок пожара

Иллюстрирующий проблему рисунок 1 демонстрирует, что происходит в светильнике при пробое дросселя, если электропроводка была оборудована УЗО. Смысл работы УЗО состоит в том, что при появлении разницы в токах, протекающих по фазному и нулевому проводникам более чем на установленную величину, линия должна быть отключена. Если бы линия освещения не была оборудована УЗО, то легковоспламеняющийся светорассеивающий пластик стал бы прологом пожара. Такова разница между ПУЭ и ФЗ-123. Но часто ли электрики читали ФЗ-123? Вопрос вовсе не риторический.

Почему УЗО является эффективным в противодействии пожарам? Электропроводка обычно состоит из трех проводов (фазный, нулевой и защитный). В плоских кабелях ВВГнг защитный проводник РЕ (желто-зеленый) расположен между фазным и нулевым проводниками.

Если вдуматься, то плоская конструкция кабелей по отношению к круглым кабелям дает значительно больше шансов для превентивного определения повреждения изоляции в кабеле. Расположение провода РЕ между фазным и нулевым проводами существенно повышает вероятность срабатывания автоматического выключателя при повреждении кабеля, что проиллюстрировано на рисунке 3.

В плоском кабеле сопротивление изоляции между фазным и нулевым проводниками более чем вдвое больше сопротивления круглого кабеля. Это дополняется тем, что при повреждении наиболее вероятна утечка электроэнергии на провод РЕ, которая сразу определяется в УЗО.

В случае повреждения изоляции, которая могла быть сдавлена, прокушена, ободрана и т. д., обычно возникает дифференциальный ток, приводящий к срабатыванию УЗО. Если говорить о кабеле, то такие функции УЗО работоспособны только при наличии защитного проводника РЕ, поэтому электропроводка должна быть трехпроводной, включая удлинители и тройники. Рисунок 4 поясняет, что УЗО может контролировать линию электропитания и без ее отключения в тех случаях, когда отключение недопустимо. Этот небольшой пример поясняет, как УЗО вполне надежно следит за состоянием изоляции кабелей, что позволяет существенно уменьшать риски и ОРеХ, увеличивая интервалы дорогостоящих услуг ЭТЛ неизвестного качества.

Рис. 2. Расположение проводников в плоском кабеле ВВГнг

Рис. 3. Преимущество плоского кабеля перед круглым

Рис. 4. Пример применения УЗО на компонентах АВВ

Выход именно в том,чтобы применять заведомо надежные технологии контроля и защиты, позволяющие минимизировать риски собственника, в том числе влияние «человеческого фактора». Появилось замечательное оборудование, построенное на совершенно иных принципах, что дает надежду на существенное снижение рисков пожаров, связанных с электропроводкой.

ПАРАДОКСЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

В системах безопасности, как правило, используются источники питания постоянного тока с напряжением 12, 24 и 48 В. В Правилах устройства электроустановок (издание б-е, 1985) в разделе «Контроль изоляции» п. 1.6.12 указано: «В сетях переменного тока выше 1 кВ с изолированной или заземленной через дугогасящий реактор нейтралью, в сетях переменного тока до 1 кВ с изолированной нейтралью и в сетях постоянного тока с изолированными полюсами или с изолированной средней точкой, как правило, должен выполняться автоматический контроль изоляции, действующий на сигнал при снижении сопротивления изоляции одной из фаз (или полюса) ниже заданного значения, с последующим контролем асимметрии напряжения при помощи показывающего прибора (с переключением)».

Как известно, лидеры электротехники позиционируют свои выключатели для переменного и постоянного тока, но характеристик для постоянного тока не найти ни на одной из версий сайта (немецкая, английская и русская). В чем дело? Каким же образом проектировать? Где найти время-токовые характеристики автоматических выключателей, например, для напряжения 48 В? Имеется важная информация в каталоге АВВ: «В цепях постоянного тока с напряжением до 60 В (до 125 В - с последовательно включенными нагрузками) обычно используются модульные автоматические выключатели S200/S200M. При этом полярность не имеет значения, автомат может находиться как перед нагрузкой, так и за ней. В цепях постоянного тока с более высоким напряжением (до 440 В) необходимо устанавливать S280UC».

Многие проектировщики глубоко убеждены, что время-токовые характеристики при соблюдении данных условий якобы не отличаются от аналогичных на переменный ток. Другие специалисты зачастую ошибочно полагают, что для получения характеристик для 48 В постоянного тока нужно умножить на 1,5 время-токовые характеристики, указанные для переменного тока с напряжением 220 В. Этот коэффициент установлен заводом-производителем и действителен якобы для всего рабочего диапазона постоянного напряжения.

В действительности же этот множитель применим только к электромагнитному расцепителю, а тепловой останется прежним, как и для переменного тока.

Информацию по данным выключателям можно найти в каталоге АВВ в главе 2. По ссылке на каталог System Pro M Compact, на стр. 349 файла pdf, либо стр. 12/2 бумажной версии каталога, представлены время-токовые характеристики на AC. На стр. 413 pdf, либо 12/66, указан коэффициент при работе автоматических выключателей серии S200 на DC (=1,5).

Думаю, что эти ссылки будут весьма полезны при проектировании систем безопасности.

Рис. 5. Максимально допустимое напряжение между проводниками в зависимости от количества полюсов и схемы подключения

ПРЕИМУЩЕСТВА АППАРАТОВ ЗАЩИТЫ НА ЭФФЕКТЕ ХОЛЛА

Появились микросхемы с датчиком на основе эффекта Холла или просто датчики Холла, обладающие неоценимым и, пожалуй, непревзойденным по точности сенсором, который имеет одинаковые характеристики на постоянном и переменном токе, что не требует от электриков углубления в дебри науки и позволяет применять автоматический выключатель по величине тока, которая указана на нем без поправочных коэффициентов для время-токовых характеристик, о которых шла речь выше. Это не просто удобно.

Рис. 6. Время-токовые характеристики автоматических выключателей

Рис. 7. Время-токовые характеристики автоматических выключателей с датчиком Холла

В электротехнике важнее не столько удобства, сколько простая и понятная адекватность защиты, без чего неминуем пожар, а кабель горит сразу в нескольких местах одновременно и очень быстро, намного быстрее, чем успеет прибежать кто-либо с огнетушителем. Приведенные выше время-токовые характеристики обычных автоматических выключателей показывают, что ошибка автоматических выключателей превышает 50% для переменного тока и 75% на постоянном токе. Поскольку разброс параметров дополнительно составляет около 40%, общая погрешность АВ на постоянном токе достигает 105%. При таком огромном разбросе проектировщики вынуждены на ту же величину увеличивать сечение кабелей, а заказчики переплачивают вдвое.

Благодаря точности датчика Холла время-токовые характеристики (ВТХ), показанные на рисунке 7, не имеют неустранимого для обычных автоматических выключателей разброса, но по-прежнему состоят из трех основных частей - отключение для предотвращения теплового перегрева при превышении номинального тока в 1,13 раз (аналог теплового расцепителя), область превышающих номинальный ток пусковых токов с ограничением их по времени и область токов, превышающих значения пусковых и короткого замыкания, где отключение производится сразу (для 220 В величина не должна превышать 0,4 с в системах TN-C, п. 1.7.79 ПУЭ). При этом в автоматическом выключателе на датчике Холла не происходит сдвига ВТХ на постоянном токе.

В современных линиях электроснабжения, которые в будущем планируется постепенно переводить на постоянный ток, где используемые в УЗО трансформаторы тока оказываются вовсе бессильны, актуальность датчика Холла будет расти. Но и сейчас, когда в системах безопасности стали доминировать импульсные источники питания с нелинейным характером потребления, УЗО на эффекте Холла несравнимо надежнее традиционных УЗО.

Соответственно, аппараты защиты, работающие на основе датчика Холла, будут пользоваться все возрастающим спросом, потому что такие автоматические выключатели способны более чем в 50-75 раз точнее определять величины токов вне зависимости от формы тока постоянного и переменного, что наиболее важно для обеспечения надежной защиты.

Добавим к этому, что на одном и том же базовом выключателе могут быть созданы любые время-токовые параметры, а это означает их многосерийность и надежность по всему спектру -одним ударом убиваются сразу тысячи «зайцев».

МАЛОИЗВЕСТНЫЕ АСПЕКТЫ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Современный автоматический выключатель (АВ) состоит из двух частей - электромагнитного расцепите-ля (ЭР) и теплового расцепителя (ТР).

ЭР представляет собой включаемый последовательно с нагрузкой тривиальный соленоид с подвижным сердечником, который вибрирует с амплитудой,

пропорциональной силе тока.Сердечник колеблется и бьет по затвору защелки, удерживающей расцепитель. При достижении, например, 10-кратной величины номинального тока для характеристики С, сердечник должен выбить затвор, и защелка перестанет удерживать расцепитель подобно тому, как это происходило в сказке про Красную Шапочку, где нужно было дернуть за веревочку, чтобы дверь открылась. Иными словами, конструкция напоминает обычную деревенскую калитку. При пробое изоляции соленоида, его чувствительность резко падает и при расчетной величине тока КЗ автоматический выключатель не сработает. Малейший заусенец, неровность, подделка - и защелка не сработает, а кабель становится «бикфордовым шнуром», сила горения которого будет зависеть только от присоединенной мощности.

ТР изготавливается по аналогии биметаллического терморегулятора утюга, при росте тока он выгибается и выталкивает защелку, что приводит к отключению. Разумеется, чем выше плотность набивки щита, тем больше ложность срабатывания, потому что нагрев в соседних АВ будет существенно влиять. Из-за этого проектировщики идут на еще большее увеличение сечений кабеля, ведь им не заплатят больше за эффективность проектирования щитов. Поэтому даже там, где для перевозки одной коробки хватило бы «запорожца», все равно вызывают 12-тонный самосвал, так проще. Потребители, конечно, страдают, но они сами виноваты, раз выбрали таких проектировщиков.

ТР обладает еще одним негативным свойством. Чтобы его проверить, требуется значительное время - около двух минут. Помножьте это время на количество аппаратов защиты в щитах предприятия и сразу поймете, какой должна быть минимальная стоимость услуг ЭТЛ. Большинство владельцев крупных объектов, как и их главные инженеры, вряд ли смогут сказать точно, сколько в их электрохозяйстве установлено автоматических выключателей. Поэтому они не могут сориентироваться, сколько времени уйдет на измерения, чем и пользуются ЭТЛ, выдавая цифры наобум. Следовательно, у проблем с пожарной безопасностью есть еще и экономическая сторона. Даже в тех случаях, когда заказчики не скупятся, проектировщики ставят в проекте одну величину АВ, а на практике электрик или монтажник «по многочисленным просьбам трудящихся» ставит значительно большую величину. Но даже если номинал тока АВ соответствовал проекту, то при длительном протекании токов 0,8-0,9 величины происходит перегрев АВ, и его конструкция, изготовленная из пластика, меняется. Это значит, что срабатывание такого АВ может оказаться невозможным из-за перегрева и искривления той самой «деревенской калитки». Такие дефекты должны отслеживаться при производстве измерений ЭТЛ, но они все чаще оформляют протоколы даже без посещения объекта.

Рис. 8. «Утюг перегрелся» по внутренним причинам

Надежность ЭР и ТР давно вызывает нарекания, что косвенно отражается в статистике пожаров из-за КЗ в электропроводке. Защелка во многих АВ выполняется из пластика, качество которого потребитель не имеет возможности оценить. Практика показывает, что даже с металлическими защелками происходит перегрев и перекос пластикового корпуса, если щит набит плотно и токи близки к номинальным автоматических выключателей. Со временем величины токов время-токовых характеристик в АВ смещаются вправо, а с ними и спроектированная защита объекта, т. е. объект постепенно оказывается уже без защиты и находится на грани пожара. Западные производители (АВВ, Siemens, Schneider, Schrack, Moeller) делают защелки из металла, но гарантировать подлинность АВ, например, от АВВ возможно только на складе АВВ из-за огромного числа весьма искусных китайских подделок.

Оба компонента АВ вносят заметные потери около 3-5 Вт каждый (величины из каталогов АВВ, отечественные отличаются). Вдобавок, многие электрики устанавливают АВ не только в фазную цепь, но и в нулевой провод, что увеличивает потери вдвое, т. е. по 10 Вт на линию. В погоне за дешевизной многие бюджетные организации поручали проектирование и монтаж электрики отделочникам, в таких зданиях автоматические выключатели бездумно установлены на входе и на выходе линии, в результате чего они несут потери в 4 раза больше, чем могли бы, если бы пользовались услугами нормальных проектировщиков. Добавим к этому многоярусность схем защиты, где каждый уровень наказывает потребителя на свои 3-10 Вт. В итоге потери могут превышать 15%.

В автоматических выключателях на основе датчика Холла потерями можно действительно пренебречь, поскольку величина сопротивления датчика Холла не отличается от прочих проводников в щитовом оборудовании.

Умножьте 15% на свои годовые затраты на оплату электроэнергии и получите величину выгоды от использования автоматического выключателя на датчике Холла, не считая неоценимых преимуществ, связанных с надежностью.

ЦЕНА, РАЗМЕРЫ, ВЕС И МНОГОЧИСЛЕННЫЕ СКРЫТЫЕ ВЫГОДЫ

Отсутствие трансформатора и малонадежных моточных изделий с сердечниками предопределяют малый вес, высокую повторяемость параметров и низкую себестоимость аппаратов защиты на основе датчиков Холла при несопоставимо меньших размерах.

Как уже было отмечено выше, точность автоматического выключателя позволяет более чем вдвое безопасно уменьшить требуемые сечения кабелей электропитания и тем самым уменьшить общий вес системы электропитания в несколько раз, что особенно актуально в связи с удорожанием меди.

ГЛАВНЫЙ АСПЕКТ АКТУАЛЬНОСТИ И УНИВЕРСАЛЬНОСТИ ДАТЧИКА ХОЛЛА

Разнообразие электротехнических компонентов огромно. В каталогах производителей указано большое количество автоматических выключателей, предохранителей, УЗО и т. д.

Преимущества датчика Холла позволили создать один универсальный компонент, заменяющий сразу почти все, включая автоматические выключатели, УЗО, АВДТ, УЗДР, таймеры, ограничители тока и мощности, тепловые реле.

Нет сомнений в том,что такие аппараты защиты за счет своей более высокой точности будут во много раз надежнее существующих.

Источник: "Алгоритм Безопасности" № 1, 2016 год