Устройства защитного отключения (УЗО)

Общие сведения

Устройства защитного отключения, реагирующие на дифференциальный ток, наряду с устройствами защиты от сверхтока, относятся к дополнительным видам защиты человека от поражения при косвенном прикосновении, обеспечиваемой путем автоматического отключения питания. В основе действия защитного отключения, как электрозащитного средства, лежит принцип ограничения (за счет быстрого отключения) продолжительности протекания тока через тело человека при непреднамеренном 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. Другим не менее важным свойством УЗО является его способность осуществлять защиту от возгораний и пожаров, возникающих на объектах вследствие возможных повреждений изоляции, неисправностей электропроводки и электрооборудования. УЗО устанавливают в распределительных щитах жилых и общественных зданий, производственных помещений.

Применение УЗО целесообразно и оправдано по социальным и экономическим причинам в электроустановках всех возможных видов и самого различного назначения. Затраты на установку УЗО несоизмеримо меньше возможного ущерба − гибели и травм людей от поражения электрическим током, возгораний, пожаров и их последствий произошедших из-за неисправностей электропроводки и электрооборудования.

Принцип действия УЗО

УЗО – быстродействующий автоматический выключатель, реагирующий на дифференциальный ток в проводниках, подводящих электроэнергию к защищаемой электроустановке.

Принцип действия УЗО [18, 19] дифференциального типа основан на применении электромагнитного векторного сумматора токов – дифференциального трансформатора тока. Сравнение текущих значений двух и более (в четырехполюсных УЗО – четырех) токов по амплитуде и фазе наиболее эффективно, т.е. с минимальной погрешностью, осуществляется электромагнитным путем – с помощью дифференциального трансформатора тока (рис. 12.1).

Рис. 12.1. Дифференциальный трансформатор тока

 

Суммарный магнитный поток в сердечнике ΦΣ, пропорциональный разности токов i_L и i_N в проводниках, являющихся первичными обмотками трансформатора, наводит в его вторичной обмотке соответствующую ЭДС, под действием которой в цепи вторичной обмотки протекает ток i ∆, также пропорциональный разности первичных токов. К магнитопроводу трансформатора тока электромеханического УЗО предъявляются особые требования – он должен обладать высокой чувствительностью, линейными характеристиками намагничивания, стабильностью параметров по температуре и времени и т.д. По этой причине для изготовления магнитопроводов трансформаторов тока УЗО, используют специальное высококачественное аморфное (некристаллическое) железо. Основные блоки УЗО представлены на структурной схеме (рис.12.2).

Рис. 12.2. Структурная схема УЗО

 

1 – дифференциальный трансформатор тока; 2 – пороговый элемент; 3 – исполнительный механизм; 4 – цепь тестирования; 5 –силовые контакты; 6 – защитный контакт цепи тестирования; Т – кнопка «Тест»; R т – тестовый резистор; 1, 2, N – клеммы УЗО.

Пусковой орган (пороговый элемент) 2 представляет собой особо чувствительное (мощность 50…100 мкВт) магнитоэлектрическое реле прямого действия или электронную схему.

Исполнительное устройство 3 состоит из силовой контактной группы и механизма привода. В нормальном режиме, при отсутствии дифференциального тока − тока утечки, в силовой цепи по проводникам, проходящим сквозь окно магнитопровода и образующим встречно включенные первичные обмотки дифференциального трансформатора тока 1, протекает рабочий ток нагрузки I ₁= I ₂. I ₁– ток, протекающий по направлению к нагрузке, I ₂ – от нагрузки.

Равные токи во встречно включенных обмотках наводят в магнитном сердечнике трансформатора тока равные, но векторно встречно направленные магнитные потоки Ф₁и Ф₂. Результирующий магнитный поток равен нулю, ток во вторичной обмотке дифференциального трансформатора также равен нулю. Пусковой орган 2 находится в этом случае в состоянии покоя.

Принцип действия УЗО поясняется на схеме электроустановки, приведенной на рис.12.3.

Рис. 12.3. Пример электрической схемы с применением УЗО

 

При прикосновении человека к открытым токопроводящим частям или к корпусу электроприёмника, на который произошел пробой изоляции, по фазному проводнику через УЗО кроме тока нагрузки I ₁ протекает дополнительный ток – ток утечки I ∆, являющийся для трансформатора тока дифференциальным (разностным).

Неравенство токов в первичных обмотках (I ₁ + I ∆ в фазном проводнике) и (I ₂, равный I ₁, в нейтральном проводнике) вызывает небаланс магнитных потоков и, как следствие, возникновение во вторичной обмотке трансформированного дифференциального тока.

Если этот ток превышает значение уставки порогового элемента пускового органа 2, последний срабатывает и воздействует на исполнительный механизм 3.

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

Для осуществления периодического контроля исправности (работоспособности) УЗО предусмотрена цепь тестирования 4.При нажатии кнопки «Тест» искусственно создается отключающий дифференциальный ток. Срабатывание УЗО означает, что оно в целом исправно.

Типы УЗО

По техническому исполнению существующие виды УЗО классифицируются следующим образом [18, 19]:

1.По назначению:

– без встроенной защиты от сверхтоков;

– со встроенной защитой от сверхтоков.

2. По условию зависимости от напряжения:

– функционально не зависящие от напряжения;

– функционально зависящие от напряжения.

3. По положению силовых контактов и сохранению защитных функций при отсутствии напряжения:

– автоматически размыкающие силовые контакты при исчезновении напряжения и замыкающие их при восстановлении напряжения;

– автоматически размыкающие силовые контакты при исчезновении напряжения и не замыкающие их при восстановлении напряжения;

– устройства, не размыкающие силовые контакты при исчезновении напряжения, но сохраняющие свои защитные функции, т.е. способность разомкнуть силовую цепь при протекании дифференциального тока;

– устройства, не размыкающие силовые контакты при исчезновении напряжения и теряющие защитные функции, т.е. неспособные произвести отключение при протекании дифференциального тока.

4. По способу установки:

– для стационарной установки при неподвижной электропроводке;

– для подвижной установки (переносного типа) и шнурового присоединения.

5. По числу полюсов и токовых путей:

– двухполюсные с двумя защищенными полюсами;

– четырехполюсные с четырьмя защищенными полюсами.

6. По условиям функционирования при наличии составляющей постоянного тока:

– типа АС, реагирующие на переменный синусоидальный дифференциальный ток – медленно нарастающий, либо возникающий скачком;

– типа А, реагирующие как на переменный синусоидальный дифференциальный ток, так и на пульсирующий постоянный дифференциальный ток, медленно нарастающие, либо возникающие скачком;

– типа В, реагирующие на дифференциальные токи – синусоидальый переменный, пульсирующий постоянный, пульсирующий постоянный с наложенной сглаженной пульсацией постоянного тока значением 0,006 А – медленно нарастающие, либо возникающие скачком.

7. По наличию задержки по времени:

– без выдержки времени – общего применения;

– с выдержкой времени – типы S и G (селективные).

8. По характеристике мгновенного расцепления (для УЗО со встроенной защитой от сверхтоков):

– типа В;

– типа С;

– типа D.

Принципиальное значение при рассмотрении конструкции УЗО имеет разделение устройств по условию зависимости от напряжения на следующие два типа:

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

– функционально зависящие от напряжения питания (электронные). Их механизм для выполнения операции отключения нуждается в энергии, получаемой либо от контролируемой сети, либо от внешнего источника.

Применение устройств, функционально зависящих от напряжения питания, ограничено. Основной причиной меньшего распространения таких устройств является их неработоспособность при часто встречающейся и наиболее опасной по условиям вероятности электропоражения неисправности электроустановки, а именно – при обрыве нулевого проводника в цепи до УЗО по направлению к источнику питания. В этом случае «электронное» УЗО, не имея питания, не функционирует, а на электроустановку по фазному проводнику выносится опасный для жизни человека потенциал. Второй причиной является меньшая надежность (вероятность выхода из строя какого-либо из большого количества электронных компонентов довольно высока), большая подверженность электронных схем воздействию внешних факторов – электромагнитных полей, импульсов тока и др.

Напротив, электромеханические устройства в рассмотренном аварийном режиме сохраняют работоспособность и при возникновении тока утечки, вызванного прикосновением человека, размыкают электрическую цепь и обеспечивают надежную защиту человека от поражения электрическим током.

Нормируемые параметры УЗО

Действующие в настоящее время стандарты на УЗО − ГОСТ Р 50807−95, ГОСТ Р 51326.1−99 (УЗО без встроенной защиты от сверхтоков) и ГОСТ Р 51327.1−99 (УЗО со встроенной защитой от сверхтоков) регламентируют следующие параметры УЗО:

Номинальное напряжение U_n − действующее значение напряжения, при котором обеспечивается работоспособность УЗО.

U_n = 220; 380 В

Номинальный ток нагрузки I_n − значение тока, которое УЗО может пропускать в продолжительном режиме работы.

I_n = 6; 16; 25; 40; 63; 80; 100; 125 А

Номинальный отключающий дифференциальный ток I∆n – значение дифференциального тока, которое вызывает отключение УЗО при заданных условиях эксплуатации.

I ∆ n = 0,006; 0,01; 0,03; 0,1; 0,3; 0,5 А

Номинальный неотключающий дифференциальный ток

I ∆ n о – значение дифференциального тока, которое не вызывает отключение УЗО при заданных условиях эксплуатации.

I ∆ n 0 = 0,5 I ∆ n

Предельное значение неотключающего сверхтока I_nm − минимальное значение неотключающего сверхтока при симметричной нагрузке двух- и четырехполюсных УЗО или несимметричной нагрузке четырехполюсных УЗО.

I_nm = 6 I_n

Сверхток − любой ток, превышающий номинальный ток нагрузки.