УЗИс, AFDD, AFCI – что это и зачем?

Сегодня публикую очередную статью летнего Конкурса статей 2018 года. Автор постоянный, Алексей Филиппов, его статьи публикуются на СамЭлектрике уже не в первый раз.

Статья на тему, которая сейчас вызывает споры на электрических форумах и сайтах – Устройство Защиты от Искрения, УЗИс.

Для начала рекомендую мою статью на эту тему, где я подробно рассмотрел это устройство – Защита от искрения в электропроводке. Статья особенно ценна тем, что в комментариях бурно обсуждаются вопросы, на которые отвечают разработчики УЗИС.

Итак, мнение Алексея Филиппова по вопросам защиты от искрения:

 

Причины пожаров и защита от них

В современных квартирных электрощитах применяется множество устройств, которые призваны повысить безопасность.

• Автоматы (автоматические выключатели) отключают потребителя в случае короткого замыкания или перегрузки.
• Дифавтоматы отключают потребителя в тех же случаях, что и автоматы, но еще и при возникновении утечки тока, тем самым уберегая человека от поражения током.
• УЗО отключает при утечке, но используется только совместно с отдельным автоматом, так как он туда не встроен.
• Недавно  массово стали устанавливать в щиток реле напряжения, которое следит  за напряжением и отключает потребителя в случае, когда напряжение выходит за установленные рамки, тем самым спасая технику от поломки.

Не так давно изобрели новый тип устройств, позволяющих минимизировать возможность возникновения пожара. О них  пойдет речь дальше.

Если задуматься и проанализировать из за чего может возникнуть пожар, то окажется, что большая часть происходит по причине неисправности в электропроводке. Попробуем перечислить все возможные ситуации возникновения возгорания с участием электричества:

• забытый утюг :)
• неправильная эксплуатация или неисправность электронагревательных приборов
• короткое замыкание или перегрузка проводки, но только в случае, когда автомат по какой то причине не сработал или сработал поздно.
• скачки напряжения в питающей сети, которые могут вызвать неисправности бытовых приборов, например, пробой изоляции фильтрующих конденсаторов, и как следствие – возгорание.

Искрение – оно же электрическая дуга, может возникнуть при разных неисправностях изоляции или плохого контакта в соединениях. Нагревание и обугливание изоляции в местах плохого контакта и повышенного сопротивления, вызывает обугливание изоляции, обугленная изоляция уменьшает свое сопротивление, что еще больше усугубляет эффект нагрева. Таким образом обугленные части изоляции, могут начать проводить ток с последующим лавинообразным нарастанием этого процесса и возникновение дуги, что может вызвать возгорание.

В первым и втором случае, сами производители бытовых приборов, принимают меры исключающие возможность возгорания, устанавливая в них всевозможные системы безопасности.

В утюгах подороже например, ставят датчик положения и движения, которые отключат  утюг  в горизонтальном положении без движения  за время меньше минуты, и  в вертикальном положении без движения  за несколько минут, что позволяет исключить человеческий фактор. Забывчивым рекомендую искать в продаже именно такой утюг :)

В обогревателях обычно есть несколько датчиков перегрева и датчик отслеживающий правильное рабочее положение, а именно – кнопка отключающая прибор при опрокидывании.

В случае перенапряжения в сети помогает реле напряжения. Оно срабатывает при повышенном напряжении или от скачка напряжения.

Для частных домов особенно актуальна защита от скачков напряжения во время грозы. Такой скачок напряжения может оказаться значительным. Для полной защиты поможет варисторная защита –  ОПС1-D или подобное. Варистор поглощает энергию во время скачка напряжения.

 

Как выявить искрение?

Предусмотрев и исключив все предыдущие случаи, остаётся найти решение для  последнего пункта.

Бороться и вовремя выявить  искрение в проводке, в розетке, в соединительном кабеле или самом электроприборе немного сложнее технически, чем в остальных случаях.

В огнеопасных помещениях или деревянных домах делают проводку в огнеупорных рукавах. Приборы защищают разными не горючими корпусами и т.п., мер и правил довольно много. Но нас интересует способ обезопасить себя в быту, в обычной квартире, доме даче или гараже, при этом желательно без грандиозных перестроек, капремонта и сумасшедших вложений.

Для этого придуманы защитные устройства, которые отключают подачу энергии и исключают возможность возгорания и пожара от электрической дуги, которые можно применить как на старой проводке, так и при капремонте или обустройстве новой электропроводки в новых постройках.

Название устройства – УЗИС (Устройство Защиты от Искрения), или AFDD в иностранной аббревиатуре.

Информации в интернете на русском языке на эту тему мало, даже на Википедии нет, на английском на Википедии есть только.

 

Как работает защитный автомат при искрении и перегрузках

Важный момент, который знают только специалисты электрики, что нормальный режим для автомата с характеристикой С (для жилых помещений), когда он отключает нагрузку в таких случаях:

• при превышении номинального тока в 1.5 раза, когда срабатывает встроенная тепловая защита при превышении номинального тока в 1.5 раза, за время до 100 сек;
• при превышении в 3 раза за время от 5 сек до 50 сек;
• при коротком замыкании, когда срабатывает электромагнит в автомате, автомат должен сработать при токе превышающем номинальный в 5-10 раз за время 1- 10 сек, а при больших токах, за время 0.5 сек и быстрее. Время срабатывания автомата сокращается с ростом тока в цепи согласно графику характеристик.

Можно только представить, сколько тепловой энергии выделится, пока автомат сработает при К.З. и возникновении при этом дуги. Таким образом автомат защищает только саму электросеть и проводку.

Ток короткого замыкания может не достигнуть значения для срабатывания электромагнитного расцепителя автомата из-за длинных и тонких проводов и большого переходного сопротивления контактов. Поэтому часто (особенно в частном секторе и сельских районах, а также при завышенном номинале автомата) бывает так, что при КЗ ток превышает номинал автомата в 2..6 раз, и выключение аварийного участка может произойти только через время от 3 секунд до 10 минут. А за это время может начаться пожар…

Прим.Администратора)

Теперь представим возникновение электрической дуги при такой неисправности как искрение розетки, или при плохом контакте в соединении, или в поврежденном проводе, который идет к мощной нагрузке, на токе меньшем, чем рассчитан автомат. Такой случай наиболее вероятен при повреждении только в одном проводе, что происходит чаще всего. В такой последовательной схеме ток ограничен сопротивлением нагрузки.

Еще возможен вариант, когда искрящий провод просто слабенький конструктивно, его сопротивление слишком высокое, ток в такой цепи просто может не достигнуть порогового для срабатывания автомата значения. Тоже самое происходит в винтовых соединениях.

В таких случаях автоматический выключатель совсем не сработает или сработает поздно, когда уже возникнет возгорание от горящей дуги. Такое искрение может быть с большим количеством выделения тепловой энергии, а искрить таким образом может довольно долго, пока цепь не разрывается в результате оплавления проводников.

Процессы, которые могут вызвать пожар, начали исследовать на солнечных батареях, предназначенных для выработки электричества и со временем столкнулись с проблемой, что именно электрическая дуга была причиной возгорания в большинстве случаев и существующие устройства защиты не были эффективными.

 

Работа УЗИс

Для бытового применения мне известны такие приборы, как УЗИс и AFDD, которые в отличии от обычного автомата, сработают и отключат нагрузку при токе дуги не более 2.5А. Это важно, именно токе дуги! Так как в дуге выделяется тепло, кроме света и электромагнитных излучений (радио помех), тепло способно поджечь пригодные для горения материалы. Как требует от производителей ГОСТ, прибор защиты должен среагировать на ток дуги 2.5 А.

Выходит, что  энергия тепла от дуги на токе меньшем 2.5 А сводит к минимуму возникновение пожара, к тому же устойчивость и  длительность горения дуги меньше при таком малом токе. В статье “Arc Detection Analysis for Solar Applications” авторства Martin Murnane, опубликованной в “Analog Devices Inc.”, есть график, построенный при проведении опытов, из которого видно, что падение напряжения на дуге 60-100 В. Соответственно, при меньшем напряжении дуга не устойчивая.  Минимальное напряжение для образования дуги должно быть 9-10 Вольт, так как требуется затратить энергию для выхода электрона из атома металла одного электрода и на ионизацию.

Умножив напряжение на ток 2.5 А, можно иметь представление, какая мощность должна выделяться при таких параметрах, назовём такую дугу “опасной”.

Отсюда можно сделать вывод, на какое безопасное искрение, характерное для нормальной работы бытовых приборов не должен реагировать прибор защиты. Прибор защиты должен быть спроектирован так, чтобы его мозги, микроконтроллер со специальной программой(прошивкой),  детектировал и реагировал на электромагнитные помехи от такой опасной дуги.  Другие помехи от работающих бытовых приборов, например искрение щеток работающего коллекторного двигателя, должны отсеиваться и не вызывать срабатывания прибора защиты.

Это как с музыкой – человеческий мозг легко отличает шум от музыки, некоторые люди даже слышат, когда музыкант фальшивит :)

Прибор защиты выделяет из всего шума от работы бытовых приборов нужную “музыку”, характерную для опасной дуги, срабатывает и отключает нагрузку.

 

Как работает AFDD. Плюсы и минусы

УЗИс имеет функцию обнаружения опасного искрения и отключения потребителя, также отключит подачу энергии в случае превышения напряжения, что тоже полезно.

AFDD отключит потребителя от питающей сети при:

• перегрузке, так же как автомат;
• при утечке тока 30 мА, также как УЗО;
• при обнаружении искрения, так же как УЗИс.

В случае с применением УЗИс проще выявить причину срабатывания, так как он может сработать либо при обнаружении искрения, либо при перенапряжении. Если сработает другая защита, например автомат, то  это будет видно по положению рычажков.

Ещё, его проще и дешевле заменить, в случае неисправности, или временно обойтись без него, не оставляя при этом щиток и проводку совсем без защиты. AFDD имеет функции 3 в 1, но при его срабатывании неизвестно, что было причиной, так как рычажок один, а причин срабатывания может быть три.

Еще, к недостаткам можно отнести замену AFDD по причине его неисправности, которую  придется проводить на такой же и сразу, или, установить хотя бы  автомат вместо AFDD, что вызывает неудобство. К тому же, замена AFDD будет стоить дороже, чем если менять одно из 3-х неисправных устройств по отдельности, как в случае с УЗИс. Преимущество AFDD это компактность и более простая установка, чем 3-х устройств по отдельности. Ещё такое решение уменьшает количество контактов и повышает надежность.

 

Пример установки УЗИс

Совсем недавно я установил УЗИс и пользуюсь им, нареканий пока нет, ложное срабатывание было один раз за месяц эксплуатации, думаю это терпимо. Моё жилище теперь в этом плане более защищённое, чем было до того.

Слева направо: Узис Эколайт, УЗО, вводной автомат, защита от перенапряжений.

У меня несколько вопросов к построению схемы этого щитка, но пусть их зададут читатели в комментариях)

Прим.Администратора

Про срабатывания могу сказать, что на сегодняшний день их было уже 4, одно из них точно по напряжению, 2 точно по искрению, 1 не знаю от чего, меня не было дома, жена стирала в стиралке. Все случаи срабатывания были при активном пользовании техникой, учесть что у меня квартира и проводка очень старая, всё требует ремонта, то я не уверен, что срабатывания все были ложными. На всем новом было бы более корректно утверждать, что устройство срабатывает ложно.

Еще одно- думаю что американцы и европейцы правы, что прибор защиты ставят в каждую линию, так однозначно лучше.

 

Надо ли ставить УЗИс?

Покупать или не покупать AFDD или УЗИс  – тут каждый решит для себя, стоят они не дёшево. Приведу ещё пример:

Подушки безопасности в автомобиле это уже привычное дело. Хоть они могут и не пригодиться за всю жизнь, или могут не спасти при аварии и сильном ударе, но всё же мало кто экономит при покупке нового автомобиля и ищет комплектацию без подушек, а ведь они сами по себе наверно не дешёвые, тут лучше перебдеть :)

В Северной Америке, в щитке, ставят прибор защиты Arc Fault Breaker на каждую линию, который схож по функциям на AFDD.

Для нашей сети 230 вольт он не подойдёт, так как у них стандартное напряжение сети 120 вольт его схема:

AFCI (Arc Fault  Circuit Interrupter),  УЗИс, AFDD у всех схожее назначение обнаружения дуги.

 

Работа УЗИс

Видео, как работает УЗИс можно посмотреть здесь:

 

УЗИс соответствует ГОСТ IEC 62606-2016. Ссылка на Гост для подобных устройств защиты от дугового пробоя: ГОСТ IEC 62606-2016.pdf.

 

Как работает AFDD при последовательной дуге здесь:

При К.З. и параллельной дуге, как при этом срабатывает AFDD но не срабатывает обычный автомат защиты, смотрите здесь:

 

Статья на английском языке, про исследование описанной проблемы возникновения дуги на солнечных батареях:

http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/technical-articles/Arc-Detection-Analysis-for-Solar-Applications.pdf

 

От Администратора блога СамЭлектрик: Пожелаем Автору удачи в Конкурсе! А главное пожелание – всесторонне исследовать УЗИС, установленный в его жилище, и сообщить, как это устройство защищает от искрения и пожара! Также очень интересует вопрос стабильности работы и ложных срабатываний.