Научно-технические статьи

Маньков В.Д. Директор НТЦ "Аксиома Электро" Почетный энергетик России, доцент

Заграничный С.Ф. Заместитель директора - начальник научно-методического отдела НТЦ "Аксиома Электро" Почетный энергетик России

Принцип действия устройств защитного отключения,

реагирующих на дифференциальный ток

С введением ГОСТ Р 51326.1-99 (МЭК 61008-1-96) "Выключатели автоматические, управляемые дифференциальным током, бытового и аналогичного назначения без встроенной защиты от сверхтоков. Часть 1. Общие требования и методы испытаний" Госэнергонадзором рекомендуется для защиты от пожаров при замыканиях в сети и поражения электрическим током применять устройства защитного отключения, реагирующие на дифференциальный ток.

Наиболее часто такие УЗО применяются в двухполюсном и четырехполюсном исполнении. Наиболее распространенное обозначение указанных устройств УЗО-Д.

Рассмотрим состав и принцип действия УЗО-Д на примере двухполюсного устройства, функционально независимого от напряжения питающей сети*.

В состав УЗО-Д входят (рис.3): дифференциальный (суммирующий) трансформатор тока 1, содержащий две первичные обмотки, образованные проходящими через сердечник трансформатора фазным и нулевым проводниками, и вторичную обмотку 2; расцепитель 3 на основе магнитоэлектрического реле, воздействующий на исполнительный механизм, приводящий в действие пружинный привод 4 контактной группы 5 коммутационного аппарата QF₃, размыкающей цепь питания электроустановки А; контрольная кнопка (ТЕСТ) 6 (QF₂) для проверки работоспособности УЗО, при ее включении искусственно создаются токи утечки.

ЭУ с нагрузкой R_Н подключена к трехфазной четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью, система заземления TN-С.

Рассмотрим принцип работы УЗО-Д на примере схемы сети и двухполюсного УЗО, представленных на рис.4. В качестве датчика в приведенном устройстве используется дифференциальный (суммирующий) трансформатор тока 1, у которого две первичные обмотки  w₁ и w₂ и одна вторичная w₀ . Электроустановка потребителя электрической энергии 2 представлена сопротивлением нагрузки R_Н ; электромагнитный расцепитель 3, исполнительное устройство 4, отключающее коммутационный аппарат 5 (QF), дополняют состав УЗО.

Человек, прикоснувшийся к токоведущему проводнику, находится на изолированном полу (R_П >> 0) и протекающий через него ток I_Ч  будет достаточно небольшим (до 30 - 50 мА).

|I₁| = |I₂| или I₁ + I₂ = 0,

а ток утечки, т.е. дифференциальный (разностный) ток отсутствует.

Намагничивающее  действие  магнитодвижущих  сил I₁w₁  и  I₂w₂  при протекании по обмоткам w₁ и w₂ равных, но противоположно направленных токов I₁ и I₂ взаимокомпенсируется, т.е.

I₁w₁ = I₂w₂.

При этом компенсируются и магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ в сердечнике дифференциального трансформатора тока, пропорциональные магнитодвижущим силам

Ф₁ = I₁w₁, Ф₂ = I₂w₂.

При этом справедливо равенство

Ф₁ = Ф₂,

Следовательно, дифференциальный ток (ток небаланса) I₀ в обмотке w₀ отсутствует и УЗО не срабатывает.

При прикосновении человека к токоведущим частям или пробое изоляции фазного провода на открытые проводящие части электроприемника или на землю (аварийный режим) появляется ток утечки. Когда ток через тело человека I_Ч достигает значений, больших предельно допустимых значений токов, или напряжение прикосновения U_ПР достигает значений, больших предельно допустимых значений напряжений в нормальном и аварийном режимах ЭУ (ток утечки превышает ток уставки УЗО), нарушается баланс токов, протекающих по фазному и нулевому проводам, а значит и по обмоткам w₁ и w₂  УЗО, т.е.

I₁ ≠ I₂.

Это приводит к нарушению равновесия в сердечнике трансформатора тока и появлению в нем магнитного поля и магнитного потока ΔФ

ΔФ = |Ф₁ - Ф₂|,

которое наводит во вторичной обмотке трансформатора тока э.д.с., равную напряжению

U₀ = e₀ = - w₀ (dФ/dt).

В результате, в обмотке расцепителя 3 появляется ток I₀, вызывающий его срабатывание

I₀ = U₀ / √(r₀²  + x₀²),

где r₀ и  x₀ – активное и индуктивное сопротивление жил соединительных проводов и вторичной обмотки w₀ трансформатора тока.

Поврежденный участок электрической цепи или человек, прикоснувшийся к токоведущим частям, быстро отключаются от сети коммутационным аппаратом QF (5).

Предельно допустимые значения напряжений прикосновения U_ПР и токов через тело человека в нормальном режиме работы ЭУ составляют: U_ПР = 2,0 В, I_Ч = 0,3 мА для сетей напряжением до 1000 В частотой f = 50 Гц и продолжительностью воздействия тока на человека не более  10 минут в сутки.

Сопротивление тела человека принимается равным 1000 Ом при напряжении U_ПР = 50 В и выше, а при U_ПР = 36 В сопротивление тела человека R_Ч = 6000 Ом.

Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов через тело человека при аварийном режиме электроустановок переменного тока частотой f = 50 Гц напряжением до 1000 В в зависимости от продолжительности воздействия в секундах приведены в табл.2.

Таблица 2

Предельно допустимые значения U_ПР и I_Ч в ЭУ до 1000 В

в зависимости от продолжительности воздействия

УЗО выполняет также роль защиты сети от пожара при появлении тока утечки вследствие замыкания фазного провода на землю. Механизм работы УЗО в этом случае аналогичен рассмотренному ранее.

При возникновении пожара в сети из-за коротких замыканий, для отключения поврежденной части сети или ЭУ последовательно с УЗО устанавливается защита от сверхтоков (предохранители, автоматические выключатели).

Применяются УЗО-Д в сетях с любым режимом нейтрали, как правило, напряжением до 1000 В. Однако, применение УЗО должно быть экономически обосновано и целесообразно, так как существуют другие средства и способы защиты от поражения электрическим током.