Продолжаем серию о современных устройствах защиты в вашем электрощите.
Далее идут устройства, которые окупаются за 1/100 секунды.
В этом посте вы узнаете, почему может перегореть нейтральный проводник, откуда берутся «скачки электричества» и зачем нужны реле контроля напряжения.
У этого поста есть видеоверсия: Вы почти наверняка встречали новостные сюжеты о том, как «из-за скачка напряжения в подъезде многоэтажки сгорела бытовая техника».
К счастью, чаще всего в новостях нет информации о пожаре или погибших, а убытки зачастую исчисляются миллионами рублей.
Чаще всего возмещение ущерба с виновной стороны происходит после длительных и изнурительных юридических процедур и зачастую далеко не в полном объеме.
▍Природа мифического «прыжка».
Ведь при обрыве нулевого проводника возможна ситуация под жаргонным названием «перекос фаз», когда напряжение в розетке вместо 230В может как уменьшиться, так и увеличиться до 400В.
Причем это не кратковременный всплеск из-за переходных процессов от переключения мощных нагрузок, а длительное явление, при котором бытовая техника начинает выходить из строя.
Давайте разберемся, откуда такой «скачок» электричества.
Исторически трехфазная система переменного тока завоевала популярность в энергетической отрасли.
Возможны системы с разным количеством фаз, но именно трехфазная система стала наиболее популярной благодаря своим преимуществам.
Генератор (или трансформатор на подстанции) имеет три обмотки, каждая из которых индуцирует ток, который передается потребителю.
Да простят меня электрики за повторение объяснения общеизвестных вещей.
Ток наводится в обмотках с небольшой разницей во времени.
Для удобства эта разница выражается не в секундах, а в виде угла, где за полный круг принимается один текущий период. Трехфазный ток очень четко показан на этот анимации: 
Представьте, что черная стрелка делает полный оборот на частоте сети 50 раз в секунду.
В зависимости от текущего положения в обмотках генератора наводятся токи; длина вектора стрелки соответствует значению напряжения на обмотках (в анимации фазы обозначены буквами U, V, W).
Как видите, в любой момент времени значения напряжений разных фаз изменяются, поэтому угол между векторами учитывается с помощью тригонометрии или их сложения графически.
Максимально возможное напряжение получается при соединении фаз и получается путем сложения векторов, как показано на анимации.
Внутренний черный кружок соответствует фазному напряжению 230 В (между общей точкой N и любой из фаз), внешний кружок соответствует линейному напряжению 400 В (между любыми двумя фазами).
Идеальным вариантом для такой системы электроснабжения является трехфазный потребитель, например, асинхронный электродвигатель.
Он берет ток от генератора одинаково по всем трем фазам и баланс токов не нарушается.
На картинке выше изображен нулевой проводник N («ноль» на жаргоне электриков), если значение нагрузки во всех трех фазах одинаково, то при сложении всех векторов напряжения и тока потенциал точки N будет равен нулю.
.
Часто это изображают на векторной диаграмме, также часто изображают тремя векторами линейных напряжений, расположенными так, чтобы образовать треугольник, я заменил их пунктирной линией.
(Для упрощения изложения будем считать, что ток не имеет реактивной составляющей, т. е.
фаза тока и напряжения не различаются.
) Увы, не всем потребителям это так удобно.
Почти все бытовые электроприборы используют только одну фазу переменного тока.
В этом случае все потребители делятся на три группы примерно равной мощности и подключаются к генератору.
Например, в многоквартирном доме к каждой фазе подключено примерно 1/3 квартир, а для трансформатора на подстанции весь дом — это всего лишь еще один трехфазный потребитель.
Но на самом деле добиться идеального баланса нагрузок по всем трем фазам невозможно, поэтому важную роль начинает играть нейтральный проводник – по нему начинает протекать уравнивающий ток, и чем больше дисбаланс тока потребления по фазам, тем тем больше уравнительный ток.
Если потребителей довольно много и они распределены по фазам равномерно, то можно посчитать статистику и обнаружить, что уравнительный ток через нулевой проводник обычно меньше по величине, чем ток любой из фаз.
А если проводник используется не полностью, то его сечение можно уменьшить, сэкономив ценный металл.
В некоторых старых домах такое можно встретить – нулевой провод имеет меньшее сечение, чем фазный.
И это работало до недавнего времени.
Итак, еще раз.
В трехфазных сетях при сбалансированной нагрузке ток к генератору через нулевой провод («ноль») отсутствует. Если нагрузки фаз не сбалансированы, то нейтральный проводник становится критическим для поддержания равного напряжения на фазах, но ток через него заметно меньше тока любого из фазных проводников.
▍ Так почему же сгорает ноль?
Есть две проблемы, которые приводят к увеличению величины тока через нулевой проводник – это сильная несимметрия нагрузки, которую мы рассмотрим чуть позже, и гармоники тока, кратные трем.А поскольку в старых сетях нулевой и защитный проводник совмещены (система TN-C), то никаких устройств защиты его от перегрузки (предохранитель, автоматический выключатель) не устанавливается.
Это приводит к тому, что ток, превышающий максимально допустимый, может протекать по нейтральному проводнику незаметно.
А если по проводнику протекают токи, он нагревается и при больших токах может перегореть.
Чаще всего это происходит в местах подключения; плохой контакт тоже греется и дает повод для шуток про суровый светодиод: 
Откуда берутся гармоники и почему они вызывают увеличение тока через нейтральный проводник? Если нагрузка нелинейная, например в виде импульсного источника питания, то ток из сети потребляется неравномерно каждый период колебаний напряжения, что сильно искажает форму питающего напряжения.
Если подключить осциллограф к сети, то вместо красивой ровной синусоиды мы можем увидеть странную горбатую кривую.
Небольшое количество черной математической магии в виде преобразования Фурье позволяет разложить любую периодическую кривую, какой бы горбатой она ни была, на сумму простых синусоид, составляющих ее спектр.
Синусоиды спектра, частота которых кратна основной частоте, называются гармониками.
Видно, что корявую кривую слева можно заменить суммой простых синусоид. Каждая газоразрядная лампа, сварочный аппарат, светодиодная лампа с импульсным драйвером и т.п.
из-за своей нелинейности искажают форму сетевого напряжения, которое можно представить как протекание токов, частота которых кратна частоте сети.
.
И чем больше форма потребляемого тока отличается от синусоиды, тем мощнее вклад гармоник.
Наиболее вредны для нас гармоники те, частота которых кратна трем – то есть 150 Гц, 300 Гц, 450 Гц и т. д. Их особенность в том, что они синхронны по всем трем фазам! Смотрите картинку: 
В результате они складываются в общей точке и заставляют протекать по нейтральному проводнику токи с частотами, кратными 3. В результате мы можем идеально распределить мощность по фазам, но из-за нелинейности нагрузок В нулевом проводе будут складываться токи высших гармоник и ток через него может быть весьма ощутимым, и даже больше, чем любой из фазных! А там, где большие токи, проводник нагревается с опасностью перегорания.
Именно из-за этой проблемы различные правила строго ограничивают количество помех и гармоник, генерируемых устройствами при работе от сети.
Но добавление фильтров, блоков коррекции коэффициента мощности (PFC) и других мер делает устройства более дорогими.
Светодиодные лампочки/зарядные устройства/блоки питания китайского производства пользуются большей популярностью из-за низкой цены, а это только ухудшает ситуацию с более высокими гармоническими токами в сети.
Вторая причина протекания тока через нейтральный проводник – это несимметричная нагрузка по фазам.
Для иллюстрации представим, что у нас есть многоквартирный дом с тремя подъездами, и каждый подъезд электрики подключили к одной фазе.
Вверху дома указана суммарная мощность потребителей каждого подъезда.
При такой конфигурации через нейтральный проводник будет течь уравнительный ток силой около 27А.
Когда значения токов и напряжений по трем фазам начинают существенно различаться, это явление в просторечии называется « фазовый дисбаланс ".
Теперь представим, что нулевой проводник не выдержал протекающего через него тока (как говорилось выше — в некоторых старых конструкциях его сечение меньше фазного, так как в нормальных условиях ток через него мал) и сгорел.
.
При этом уравнительный ток не течет, а напряжение, получаемое потребителем каждой фазы, зависит от мощности нагрузок на соседних фазах.
В худшем случае оно может стать равным линейному — 400В (380В по старинке), например, если у соседей включены обогреватели, а у вас всего одна маленькая лампочка.
Понятно, что электроприборы, рассчитанные на 230В, повышение напряжения (до 400В) воспринимают восторженно в виде дыма и других пиротехнических эффектов.
В нашем примере обрыв нейтрального проводника вызовет следующие изменения напряжения на каждом из входов: 
Теперь вы понимаете, откуда возникает скачок напряжения.
Причем такого рода аварии случаются не только в старом жилом фонде или у нерадивых управляющих компаний, которые в принципе решили сэкономить на плановом обслуживании электрооборудования.
Такого рода аварии иногда случаются при ошибке персонала - на подстанции отключают электричество для плановых работ, включают снова, а лампочки горят подозрительно ярко и начинает пахнуть гари.
▍ Защита от перенапряжения.
Специально для защиты от таких аварийных ситуаций, когда напряжение в сети начинает превышать норму, придумали устройства под названием «Реле контроля напряжения».
Это именно то, что называется «must have», поскольку при первой чрезвычайной ситуации оно окупается практически мгновенно.
Несмотря на простоту функций этих устройств, их много на рынке и все они имеют несколько разные функции и подходы к реализации защиты.
На фото разные варианты реле контроля напряжения, которые я наскреб из обрезков: 
В простейшем случае это некий пороговый элемент: если напряжение превышает допустимое значение, устройство отключает нагрузку.
Но тут есть нюансы: 1. Устройство не должно быть слишком быстрым, так как по сети распространяется шум, который можно наблюдать в виде «иглы» с амплитудой выше допустимой, но из-за очень малой ширины, делающей отключение бесполезным.
Для борьбы с такими помехами используются другие устройства (фильтры, УЗИП), и реле контроля напряжения не должно реагировать на такие помехи.
2. Устройства часто имеют регулируемые пороги напряжения отключения.
К сожалению, напряжение не везде соответствует ГОСТу, а на длинных линиях, в колхозах, например, оно может заметно «плавать».
Поэтому строгое соблюдение допустимых отклонений по ГОСТу у некоторых будет вызывать постоянные срабатывания сигнализации, например, ночью, хотя лишние 5-10 вольт, как правило, не приводят к аварии.
3. Наличие гистерезиса и таймера перезапуска.
Многие реле контроля напряжения предназначены для включения всех потребителей, как только напряжение придет в норму.
Если сделать это сразу, да еще и без гистерезиса (то есть разницы между порогом выключения и порогом включения), то можно получить неприятное цикличное включение-выключение.
Реле быстро отключит нагрузку, в результате чего напряжение в сети изменится (провода имеют собственное сопротивление) и реле будет вынуждено снова включить нагрузку, в результате чего напряжение снова превысит пороговое значение и его необходимо будет снова выключился.
Кроме того, например, некоторые компрессоры холодильников могут не запуститься сразу после повторного включения, пока давление не выровняется.
Для них задержки в несколько минут будет достаточно!
▍ Почему низкое напряжение — это тоже плохо
Увы, низкое напряжение также может закончиться катастрофой.Пониженное напряжение опасно для асинхронных электродвигателей.
При низком напряжении снижается пусковой момент электродвигателя; ему просто не хватает сил, чтобы раскрутиться вместе с механизмом до номинальной скорости и перейти в рабочий режим.
Это означает, что пусковой ток, значительно превышающий номинальный, будет нагревать обмотки двигателя не за доли секунды, а за десятки секунд. Если защита двигателя не сработает должным образом, двигатель сгорит. Особую изюминку добавляет то, что зачастую единственный асинхронный электродвигатель в доме находится в компрессоре холодильника (и кондиционера).
А двигатель не только работает в герметичном корпусе, частично погруженном в масло, но и в качестве охлаждающей жидкости все чаще используется горючий изобутан (R600a), а не фреон.
Что ж, это звучит безопасно.
Другие устройства просто хуже работают при пониженном напряжении сети – нагреватели меньше нагреваются.
Микроволновые печи перестают нагревать, но при этом вращают блюдо как ни в чем не бывало.
Лампы накаливания светят тускло.
Устройства с импульсными источниками питания – зарядные устройства, компьютеры, светодиодные лампы и т. д. Они вообще не замечают низкого напряжения.
О том, что напряжение в сети упало до 190В, я узнал только потому, что мне пожаловались, что СВЧ-печь плохо греет. Светодиодные лампы, телевизор, компьютер, холодильник работали нормально.
Поэтому, если среди потребителей есть устройства с асинхронными электродвигателями, необходимо отключать как по высокому, так и по низкому напряжению.
Если, например, охраняется караульное помещение с телевизором и обогревателем, то защита от пониженного напряжения будет избыточна; нужна только защита от перенапряжения.
▍ Особые потребности трехфазных потребителей
Просто так взять и установить три обычных реле контроля напряжения не получится, если у вас трехфазный ввод. Три отдельных устройства вместо специализированного трехфазного не позволят реализовать две важные функции.1. Контроль выхода из строя одной из фаз.
Если упустить этот момент, то трехфазные электродвигатели заболеют, а если у них нет собственной защиты, то это чревато аварийной работой.
2. Контроль последовательности фаз.
Если электрик где-то ошибется и перепутает две фазы, их последовательность изменится, а значит, изменится и направление вращения всех трехфазных двигателей, подключенных к сети, что опять же может привести к механическим поломкам.
Поэтому, если у вас дома/мастерской/магазине/гараже потребители используют три фазы одновременно, то реле напряжения должно быть трехфазным.
▍ Это так не работает
Возможно, читатель уже прочитал мою материал про СПД , он может задаться вопросом - может, стоит просто установить УЗИП на входе? Ведь они рассчитаны на работу при превышении номинального напряжения; при превышении напряжения они сработают, создадут короткое замыкание и отключат вводной автомат. Рассуждения не лишены логики, но так не делают - защиты получаются очень дорогими и одноразовыми, а заменой реле контроля напряжения они служить не могут. Кроме того, ограничители перенапряжения зачастую изготавливаются на номинальное напряжение 400В, то есть в нашей задаче они будут совершенно бесполезны.Также не полагайтесь на стабилизаторы напряжения в качестве защиты.
К сожалению, некоторые модели стабилизаторов настолько упрощены, что не будут выполнять функцию защиты при обрыве нуля, и 400В на входе убьют их так же быстро, как и другую бытовую технику.
▍ Практическая реализация
Существует как минимум три варианта реализации устройств защиты с нулевыми потерями.1. Использование универсальные специализированные устройства .
Например, аппарат Новатэк РН-104 и Меандр УЗМ-51МД на этом фото: 
Внутри устройства уже имеется реле, которое своими контактами будет отключать нагрузку, поэтому никаких дополнительных манипуляций для подключения не требуется.
Однако компактность вынуждает идти на компромиссы, поэтому максимальная токовая нагрузка таких устройств пока ограничена.
2. Реле напряжения, требующее отдельного контактора.
На фото реле ИЭК ОВ-01 и контактор КМ20-11М (контактор я брал для демонстрации, в реальной эксплуатации стоит взять контактор помощнее).
Преимущество здесь в том, что контактор может быть большим и брутальным, контакты которого способны выдерживать мощные скачки тока, а также способны разрывать цепь при больших токах или большой индуктивной составляющей.
Огромное количество импульсных блоков питания в современной технике создают при включении весьма заметные токи, способные приварить мелкие контакты встроенных реле.
Контакторы гораздо более устойчивы к этому просто из-за своего размера и сил, которые они создают. Если вместо контактора применить к выключателю внешний электромагнитный разветвитель, то мы потеряем возможность обратного включения при нормализации напряжения, но не будем иметь постоянно включенного (гудящего и нагревающегося) контактора.
Возможность установки собственных настроек ответа сохраняется.
Также к устройствам «все в одном» всегда можно подключить внешний контактор, но стоимость такого решения будет выше.
3. Аксессуары для автоматических выключателей.
На фото такой вариант ПММ47 для автоматических выключателей ИЭК ВА47-29. 
Эта «заплатка» на автомате защиты имеет рычаг, который может отключить его, если напряжение превысит пороговое значение.
Автоматический перезапуск в этом случае невозможен, но схема оказывается предельно простой, дешевой и сердитой и имеет право на жизнь, например, в щите управления уличным освещением.
Или, если очень хочется добавить защиту, но в щите остался всего 1 модуль.
Такие внешние расцепители есть в каталогах многих производителей модульных автоматических выключателей, но чаще всего они отключаются только при повышении напряжения; внимательно прочитайте документацию.
4. Почти бесплатно – защита от перенапряжения как часть УЗДП (устройства дуговой защиты).
Многие УЗД, представленные на отечественном рынке, имеют встроенную защиту – они отключаются, если напряжение питания превышает пороговое значение, которое, как правило, нерегулируется.
Такая защита не всегда удовлетворительна, но в некоторых случаях вполне достаточна.
Если от стоимости УЗД вычесть стоимость простейшего реле регулирования напряжения, то этот вид защиты становится гораздо привлекательнее.
UPD: В комментарии под видео мне напомнили про реле контроля напряжения в формате адаптера: 
Данное решение вообще не требует вмешательства в электропроводку и подходит для защиты одиночной нагрузки, если в электрощите сложно установить реле.
Обобщить:
1. В электрических сетях возможна аварийная ситуация, когда из-за обрыва нулевого проводника напряжение в розетке в квартире может произвольно как уменьшиться, так и увеличиться до 400В.Вы не можете предотвратить такую ситуацию.
2. Для защиты от подобных ситуаций было придумано реле контроля напряжения.
Реле отключит всех потребителей, если напряжение в сети выйдет за пределы допустимого диапазона.
3. Если у вас есть электроприборы с асинхронными двигателями (холодильник, кондиционер и т.п.
), то вам также необходима защита от низкого напряжения.
Для асинхронных двигателей пониженное напряжение так же опасно, как и повышенное.
4. Если у вас систематически пониженное/высокое напряжение, то необходимо замедлить работу электросетевой компании, либо установить стабилизатор.
Выражаю благодарность Виктору Буракову, Евгению и Павлу Компавлову за ценные замечания и дополнения при рассмотрении проекта.
Другие посты из серии:
- Современные устройства защиты
- Автоматические выключатели
- Как выбрать автоматический выключатель
- Автоматические выключатели
- УЗО
- СПД
- УЗДП
- Испытание всех отечественных AFDP
Теги: #Производство и разработка электроники #Электроника для начинающих #Читальный зал #ruvds_articles #ruvds_articles #электробезопасность #реле контроля сетевого напряжения #обрыв кабеля #чрезвычайные ситуации
-
Обзор Блога №40. Блогер Беларуси
19 Oct, 24
