Характеристики. Устройство защитного отключения (УЗО) – основной современный электроаппарат, обеспечивающий защиту человека от поражения током при нарушении изоляции

Устройство защитного отключения (УЗО) – основной современный электроаппарат, обеспечивающий защиту человека от поражения током при нарушении изоляции электрической проводки и электроприборов. Данный прибор защищает также электроустановку и электропроводку от опасности возгорания в результате повреждения изоляции. Современное название этого прибора – выключатель дифференциального тока (ВДТ).

Дифференциальным током (током замыкания на землю, током утечки) называют ток, протекающий на землю при ухудшении свойств (сопротивления) изоляции (оболочки) в электрической цепи. Как правило, такие токи возникают при механическом повреждении изоляции электропроводки. Значение тока утечки может указываться либо в амперах (А), либо в миллиамперах (мА).

Устройства защитного отключения, реагирующие на дифференциальный ток, в отличие от устройств защиты электроцепей от сверхтока (автоматический выключатель, плавкий предохранитель), в основном, относятся к видам защиты человека от поражения электрическим током и защиты от возгорания электропроводки.

Эта защита обеспечивается путем автоматического отключения питания в 2 случаях:

- в результате повреждения изоляции возникает ток утечки непосредственно на землю (как пример – повреждение изоляции провода электрической дрели, лежащего на земле);

- в результате повреждения изоляции возникает ток утечки на землю через человека, прикоснувшегося к корпусу оборудования под напряжением (как пример – повреждение изоляции внутри электродрели, лежащей на столе, человек, стоящий на земле, прикоснулся к корпусу электродрели).

В основе действия УЗО как средства защиты человека лежит принцип ограничения (за счет быстрого отключения) продолжительности протекания тока через тело человека при случайном прикосновении его к элементам электроустановки, находящимся под напряжением.

Из всех известных электрозащитных средств УЗО является единственным, обеспечивающим защиту человека от поражения электрическим током при прямом прикосновении к одной из токоведущих частей.

На рис. 9 показано принципиальное устройство УЗО.

Рис.9 Схематическое устройство УЗО

УЗО состоит из следующих элементов – дифференциальный трансформатор тока (чувствительная магнитная катушка, состоящая из первичной и вторичной обмотки) (1) отслеживает ток утечки и формирует сигнал для пускового органа. Пусковой орган (чувствительные магнитоэлектрические реле или электронная схема) (2) регистрирует трансформированный дифференциальный ток от катушки. Исполнительный механизм (3), состоит из силовых контактов с механизмом привода, приводится в действие пусковым органом (2).

Кнопка «ТЕСТ» (4), предназначена для периодической проверки работоспособности УЗО, при нажатии на нее искусственно формируется ток утечки. Срабатывание УЗО в этом случае означает, что оно, в целом, исправно. Все эти элементы заключены в корпус из не поддерживающего горение пластика.

В нормальном режиме работы при отсутствии токов утечки, в силовой цепи по проводникам L (фаза) и N (нуль) через магнитную катушку проходят рабочие токи нагрузки R_н. Нагрузкой в этом случае может быть любой электроприбор.

Если обозначить ток, протекающий по направлению к нагрузке как (I₁) а от нагрузки как (I₂) то можно записать равенство:

(I₁) = (I₂).

Приходящий к нагрузке ток равен отходящему от нагрузки току.

Равные токи во встречно включенных обмотках наводят в магнитном сердечнике трансформатора тока равные магнитные потоки Ф₁ и Ф₂, которые векторно направлены навстречу друг другу. Результирующий магнитный поток Ф в магнитном сердечнике катушки равен 0, электрический ток в катушке не возникает. Пусковой орган в этом случае находится в состоянии покоя, силовая цепь замкнута.

При прикосновении человека к открытым токопроводящим частям или к корпусу электроприбора, на который произошел пробой изоляции, по фазному проводнику L через УЗО кроме тока нагрузки (I₁) протекает дополнительный ток – ток утечки (I_D), являющийся дифференциальным (разностным) для трансформатора тока.

При этом в фазном проводнике L протекает ток (I₁ + I_D); в нейтральном проводнике N протекает ток (I₂) который равен (I₁). Возникает неравенство:

(I₁ + I_D) ≠ (I₂).

Неравенство токов в первичных обмотках вызывает неравенство магнитных потоков и, как следствие, возникновение во вторичной обмотке катушки трансформированного дифференциального тока. Если этот ток превышает значение тока, на который настроен пусковой орган 2, последний срабатывает и воздействует на исполнительный механизм 3.

Исполнительный механизм, обычно состоящий из пружинного привода, спускового механизма и группы силовых контактов, размыкает электрическую цепь. В результате защищаемая УЗО электроустановка обесточивается.

Виды УЗО:

По условиям функционирования УЗО подразделяются на следующие типы:

• УЗО типа АС – устройство защитного отключения, реагирующее на переменный синусоидальный дифференциальный ток, возникающий внезапно, либо медленно возрастающий. Наиболее распространенный вид УЗО на сегодняшний день.
• УЗО типа А – устройство защитного отключения, реагирующее на переменный синусоидальный дифференциальный ток и пульсирующий постоянный дифференциальный ток, возникающие внезапно, либо медленно возрастающие. В быту применяется, как правило, для защиты стиральных машин с электродвигателем коллекторного типа.
• УЗО типа В – устройство защитного отключения, реагирующее на переменный, постоянный и выпрямленный дифференциальные токи. Применяется для защиты специализированных электроустановок.
• УЗО типа S – устройство защитного отключения, имеющее тип А или АС, селективное (с выдержкой времени отключения). Применяется для использования в качестве вводного УЗО. Обеспечение выдержки времени необходимо для того, чтобы сначала сработали неселективные УЗО на отходящих линиях.
• УЗО типа G – то же, что и типа S, но с меньшей выдержкой времени.

По способу технической реализации цепи питания, УЗО делятся на следующие два типа:

§ УЗО, функционально не зависящие от напряжения питания (электромеханические). Источником энергии, необходимой для функционирования – выполнения защитных функций, включая операцию отключения, является для устройства сам сигнал – дифференциальный ток, на который оно реагирует.

§ УЗО, функционально зависящие от напряжения питания (электронные). Их механизм для выполнения операции отключения нуждается в энергии, получаемой либо от контролируемой сети, либо от внешнего источника. Устройства, функционально зависящие от напряжения питания, применяются реже из-за их меньшей надежности, подверженности воздействию внешних факторов и так далее. Однако основной причиной меньшего распространения таких устройств является их неработоспособность при обрыве нулевого проводника в цепи до УЗО по направлению к источнику питания. В этом случае «электронное» УЗО, не имея питания, не функционирует, а электроустановка по-прежнему остается подключенной к фазному проводнику с опасным для жизни человека напряжением. Такая неисправность чаще всего встречается и является наиболее опасной по вероятности поражения.

Вопрос выбора электронного или электромеханического УЗО имеет очень важное принципиальное значение с точки зрения обеспечения безопасности.

В европейских странах – Германии, Австрии, Франции электротехнические нормы допускают применение УЗО только первого типа – не зависящих от напряжения питания. УЗО второго типа разрешено применять в цепях, защищаемых электромеханическими УЗО, только в качестве дополнительной защиты для конечных потребителей, например, для электроинструмента, нестационарных электроприемников и т.д.

В России таких ограничений нет, поэтому на рынке присутствует большое количество УЗО электронного типа. Такие УЗО существенно дешевле электромеханических, но, как указывалось выше, они крайне опасны в случае обрыва нулевого проводника.

Основное значение при действии на человека имеет величина проходящего через его тело тока, но также влияет и род тока, его частота, путь тока через тело человека, продолжительность действия тока и индивидуальные особенности пострадавшего.

Различные величины тока частотой 50 Гц действуют следующим образом:

§ 5…10 мА — боль в мышцах, судорожные их сокращения, руки с трудом можно оторвать от электродов;

§ 10…20 мА — боли, руки невозможно оторвать от электродов;

§ 25…50 мА — боль в руках и груди, дыхание затруднено, возможен паралич дыхания и потеря сознания;

§ 50…80 мА — при длительном действии возможна клиническая смерть;

• 100 мА и более — при длительности более 3 с возможна клиническая смерть.

По значению отслеживаемого тока утечки (чувствительности) УЗО делятся на несколько типов:

§ 10 мА

§ 30 мА

§ 100 мА

§ 300 мА

§ 500 мА

Чем меньше значение отслеживаемого тока утечки УЗО (выше чувствительность), тем оно, как правило, дороже.

Относительно безопасными для человека являются токи утечки величиной до 30 мА, таким образом, в качестве защитного устройства от поражения человека током используются УЗО на токи утечки только 10мА и 30мА.

Причем для защиты человека при подключении электроприборов во влажных помещениях используется УЗО с чувствительностью 10мА.

УЗО на токи утечки 100, 300, 500 мА применяются для защиты электроустановок от возгорания в случае нарушения изоляции.

Большинство УЗО по размерам и конфигурации изготавливаются модульного типа (как модульные АВ) и предназначены для использования в качестве готового отдельного электроаппарата. Однако существуют УЗО, выполненные в виден отдельных блоков, стыкуемых к каким-либо сериям АВ (как модульных, так и панельных).

По количеству полюсов УЗО делятся на 2 группы:

- 2-полюсные – применяются для защиты однофазных электрических цепей, сочетание полюсов 1L+N

- 4-полюсные – применяются для защиты трехфазных электрических цепей, сочетание полюсов 3L+N

Большинство УЗО разработаны с использованием нулевого проводника в схеме контроля, поэтому при подключении необходимо использовать как фазные, так и нулевые проводники. Однако существуют УЗО, выполненные в виде стыкуемых блоков, в которых производится контроль токов утечки между тремя фазными проводниками.

Как правило, клемма для подключения нулевого проводника к УЗО четко зафиксирована (отмечена на корпусе УЗО буквой N), и замена местами нулевого и фазного проводника невозможна.

Это ограничение не всегда удобно при монтаже электроаппарата в щите, поэтому некоторые производители нашли выход и разработали двухполюсное УЗО с подключением нулевого провода к любой клемме.

В каталогах зарубежных производителей могут встречаться обозначения УЗО типа:

Электромеханические УЗО производят ведущие европейские фирмы – Siemens, ABB, GE Power, Hager, Kopp, AEG, Legrand, Merlin-Gerin, и др.

К сожалению, список российских производителей УЗО не так широк. Среди них ОАО «Электроаппарат» г.Курск производящий УЗО серии УЗО-Д40; предприятие ТЕСС-Инжиниринг, производящее УЗО серии ВКЗ; государственное предприятие ОПЗ МЭИ с приборами серии Астро-УЗО; холдинг Энергомера с приборами серии УЗО-ВАД2.

Также на российском рынке представлено большое количество УЗО китайского производства (ИЭК, ДЭК, ЭКФ, Щит, Chint и прочее). Подавляющее большинство таких УЗО являются электронными.

На рисунке 10 представлен внешний вид УЗО серии F364

Рис.10 УЗО серии F364

Основными характеристиками для подбора УЗО по параметрам являются:

1. Количество полюсов – 2 или 4.

2. Номинальный ток In, А – от 16 до 125А.

3. Значение тока утечки, мА – от 10 до 500мА.

4. Тип УЗО по отслеживаемому току – АС, А, S.

5. Исполнение по способу установки – модульное или в виде стыкуемого блока к АВ.

Важные особенности:

§ Большинство УЗО с In = 16А выпускается только с током утечки 10 мА – такие УЗО, как правило, применяются в быту для защиты электроприборов в помещениях с повышенной влажностью. Исключение – УЗО китайского производства.

§ Характеристика In в конструкции УЗО влияет только на массивность силовых контактов и сечение токопроводящих элементов, поэтому защитное устройство с меньшим In можно с успехом заменить на УЗО с большим значением номинального тока. Пример – для замены УЗО с характеристиками 25А 30мА подойдет УЗО 32А 30мА.