От чего защищает автоматический выключатель

Вопрос защиты человека и оборудования в электроустановках до 1000 В является одним из ключевых в электротехнике. Часто возникает путаница в том, от чего именно защищает автоматический выключатель, и в каких случаях требуется применение УЗО. В данной статье рассмотрим основные функции автоматического выключателя, его защитные характеристики и типовые аварийные ситуации, возникающие в сетях с системой заземления TN

Для начала рассмотрим определение «автоматического выключателя» (АВ), а потом обсудим его функции подробнее

Автоматический выключатель (механический) — механический коммутационный аппарат, способный включать, проводить и отключать токи в нормальном состоянии цепи, а также включать, проводить в течение заданного времени и автоматически отключать токи в указанном аномальном состоянии цепи, например токи короткого замыкания (ГОСТ Р 50345—2010, п.3.1.4)

В определении прямо указано одно из назначений АВ – защита от коротких замыканий.

Вторая задача АВ – защита от токов перегрузки. Если говорить именно о простом (механическом) автоматическом выключателе, то на этом всё. То, что именно эти две задачи должен выполнять АВ видно из его защитной характеристики

Защитная характеристика автоматического выключателя

На рисунке ниже представлена стандартная защитная характеристика миниатюрного автоматического выключателя ВА-103 С, производства компании DEKraft

Первый участок начинается от 1,13*In до тока отсечки Im (с учетом разброса параметров срабатывания). Он предназначен для защиты цепи от перегрузки, которая может появляться при слишком большом количестве подключенных потребителей или вследствие механических перегрузок на валу защищаемого двигателя 0,23–0,4 кВ. Время срабатывания теплового расцепителя (пластины) зависит от величины протекающего тока и может составлять от секунд до десятков минут

Также стоит учесть, что параметры срабатывания расцепителя таких АВ существенно зависит от температуры. Об этом вы можете прочитать в статье «Влияние температуры на характеристики автоматов 0,4 кВ»

Второй участок характеристики начинается от 5*In (для характеристики С), и он предназначен для отключения токов коротких замыканий. При токах, значительно превышающих уставку мгновенного расцепителя, отключение происходит за десятки миллисекунд и слабо зависит от величины тока. Это быстродействующая защита

И для первого, и для второго участка защитной характеристики АВ присутствуют зоны неопределенности, где время срабатывания автоматического выключателя не гарантируется. Это связано с неточностью работы внутренних элементов АВ

Основное назначение автоматического выключателя

Основное назначение автоматического выключателя – это защита электропроводки и электрооборудования от перегрузки и коротких замыканий.

АВ защищает человека от поражения электрическим током только косвенно. Например, АВ может защитить человека от прикосновения к заземлённому металлическому корпусу, оказавшемуся под напряжением из-за нарушения основной изоляции (косвенное прикосновение, согласно ПУЭ 1.7.12). При условии правильного выбора автоматического выключателя и выполнения требований к сопротивлению петли, он быстро обесточит повреждённую линию, что снизит степень воздействия тока на тело человека

Главное, что нужно понимать о защитных свойствах автоматических выключателей – они реагируют на сверхтоки, то есть на токи, которые превышают номинальный ток самого АВ

Например, стандартный автоматический выключатель в домах, магазинах и офисах рассчитан на 16 А. Ток гарантированного срабатывания такого автомата равен 1,45*16 = 23,2 А. Согласно ГОСТ IEC 60898-1, при таком токе данный автомат должен сработать за время, не превышающее 1 час (для АВ с In <= 63 А)

Для человека опасным считается ток 30–50 мА, что почти в 600 раз ниже, чем вышеуказанный ток срабатывания автомата 16 А. Мгновенное отключение автомата С16 будет гарантировано только при токах порядка короткого замыкания, что ещё раз показывает, что основное назначение АВ – это защита элементов электроустановки, а не человека

Для защиты человека от прямого прикосновения к токоведущим частям электроустановки (например, оголенного фазного проводника, находящегося под напряжением) автоматический выключатель не подходит — нужны другие меры и устройства (УЗО, АВДТ)

Типовые сценарии использования автоматического выключателя

Далее будут рассматриваться электроустановки напряжением до 1000 В с системой заземления типа TN (см. ПУЭ 1.7). Все рассуждения справедливы при условии правильного выбора автоматического выключателя и выполнения требований к сопротивлению петли «фаза-ноль»

Слишком большое количество включенных электроприборов

При подключении прибора к линии питания, которую защищает автомат, прибор начинает потреблять ток, который зависит от его полной мощности и напряжения сети – I = S/U или I = P/(U*cos(fi))

Каждое подключение увеличивает общий ток через автомат. При превышении определенного значения автоматический выключатель отключает перегруженную линию

Междуфазные короткие замыкания

Отключение коротких замыканий – прямое назначение автоматических выключателей

Стоит отметить, что короткие замыкания в сетях до 1000 В во многих случаях сопровождаются дугой, что следует учитывать при выборе автоматического выключателя

Однофазное короткое замыкание

Однофазное короткое замыкание – это замыкание фазы на нулевые проводники N или PE, а также на проводящие части, которые подключены к защитному заземлению (PE). При этом правильно выбранный автомат обеспечит быстрое отключение повреждения

Стоит отличать однофазное короткое замыкание от замыкания фазы на сторонние проводящие части, которые не подключены к проводнику PE. В этом случае автомат может не отключить такое замыкание. Короткое замыкание – это обычно замыкание через малое сопротивление, когда аварийный ток в несколько раз превышает номинальный ток АВ

Если вам интересен расчет однофазного тока КЗ, то рекомендую статью «Особенности расчета однофазных токов КЗ в сети 0,4 кВ»

Прикосновение к металлическому корпусу под напряжением

После повреждения изоляции фаза попадает на корпус. До момента отключения автоматическим выключателем корпус оказывается под напряжением, и при прикосновении к нему человек подвергается воздействию электрического тока (косвенное прикосновение)

Часть тока ответвляется через тело человека, однако вследствие его большого сопротивления по сравнению с сопротивлением петли «фаза-ноль» этот ток будет мал. Основной ток протекает по цепи короткого замыкания, и при достаточном его значении автоматический выключатель отключит питание

Прикосновение к оголённому фазному проводнику

Согласно ПУЭ 1.7.11 такое прикосновение называется «прямым». При этом ток, проходящий через тело человека, будет слишком мал для срабатывания автоматического выключателя.

Сопротивление тела человека зависит от нескольких факторов, но часто за расчётное принимают 1000 Ом. При этом ток через тело человека будет равен:

I = U/R = 230/1000 = 0,23 А — меньше номинального тока АВ, но уже опасно для человека

Таким образом, автоматический выключатель не защищает человека от прикосновения к оголённому фазному проводнику

Для защиты людей от таких прикосновений, помимо стандартных мер, применяют УЗО (АВДТ) с током срабатывания 30 мА

Прикосновение к мокрым поверхностям, находящимся под напряжением

Это вариант предыдущего пункта, когда человек может попасть под напряжение не при прямом прикосновении к оголённой фазе, а опосредованно, через воду или другую проводящую жидкость

В этом случае автомат также не защитит человека от поражения электрическим током, потому что ток утечки будет недостаточен для срабатывания АВ. Именно поэтому необходима установка УЗО (ΔI = 30 мА) в ванных и душевых помещениях квартир и номеров гостиниц (см. ПУЭ 7.1.82)

Воспламенение горючего материала (дерево) от тока утечки

При постепенной деградации фазной изоляции в месте повреждения возникает ток утечки, который нагревает примыкающую поверхность. Если эта поверхность выполнена из горючего материала (например, дерева), то ток утечки может привести к её воспламенению и дальнейшему пожару

Автоматический выключатель не сможет зафиксировать ток утечки и отключить повреждённую линию. Для фиксации подобных токов утечки применяют УЗО с током срабатывания 100–300 мА, которые предназначены для защиты от пожара и не обеспечивают защиту человека