Комплекс учебно-методических материалов

А.И. Гардин

 

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ

ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

Предохранители

Общие положения

Плавкий предохранитель – аппарат, который вследствие расплавления одного или нескольких специально спроектированных и рассчитанных элементов размыкает цепь, в которую он включен, отключая ток, превышающий заданное значение в течение достаточно продолжительного времени. В состав плавкого предохранителя входят все части, образующие аппарат в комплекте. Продолжительность отключения зависит от величины тока и составляет от нескольких часов до сотых долей секунды.

Основные элементы плавкого предохранителя:

1) плавкая вставка, включаемая в защищаемую цепь последовательно (состоит из плавкого элемента, токоподводов к нему и удерживающих конструкций внутри дугогасящего устройства и собственно дугогасящего устройства, которое гасит дугу после разрушения плавкого элемента);

2) держатель плавкой вставки (необходим, в том числе, и для быстрой замены плавкой вставки после разрушения ее плавкого элемента вследствие перегрузки или короткого замыкания в электрической сети).

Предохранители в схемах электроснабжения применяются, как правило, в комплекте с рубильником или выключателем нагрузки, т.е. таким аппаратом, который может обеспечить разъединение («видимый разрыв») электрической цепи (см. рис.1.1). Предохранители предназначены для защиты от чрезмерных тепловых и электродинамических воздействий сверхтока на элементы электрической сети (провода, кабели, коммутационные аппараты, измерительное и защитное оборудование), и к ним предъявляются следующие требования.

1. Времятоковая (защитная) характеристика предохранителя должна проходить ниже, но возможно ближе к времятоковой характеристике защищаемого объекта.

2. Время срабатывания при коротком замыкании (КЗ) должно быть минимально возможным, особенно при защите полупроводниковых приборов и для обеспечения требований по электробезопасности. Предохранители должны работать с токоограничением.

3. При КЗ в защищаемой цепи предохранители должны обеспечивать селективность защиты.

4. Характеристики предохранителей должны быть стабильными, а технологический разброс их параметров не должен нарушать надежность защиты.

5. В связи с возросшей мощностью электроустановок предохранители должны иметь высокую отключающую способность.

6. Конструкция предохранителя должна обеспечивать возможность быстрой и удобной замены плавкой вставки при ее перегорании.

Рис.1.1. Предохранители в схеме электроснабжения: а) принципиальная однолинейная схема; б) принципиальная многолинейная схема; в) условное графическое обозначение. Q – рубильник, FU – предохранитель, KM – контактор, КК – тепловое реле, СШ – сборные шины, КЛ – кабельная линия, М – электродвигатель

Классификация предохранителей [9]

1) по виду плавких вставок в зависимости от диапазона токов отключения:

- с отключающей способностью в полном диапазоне токов отключения тип g;

- с отключающей способностью в части диапазона токов отключения тип а;

2) по виду плавких вставок в зависимости от быстродействия:

- небыстродействующие (типы а и g);

- быстродействующие (типы aR и gR);

3) по наличию и конструкции основания:

- с калиброванным основанием;

- с некалиброванным основанием;

- без основания;

4) по способу монтажа:

- на собственном основании;

- на основаниях комплектных устройств;

- на проводниках комплектных устройств;

5) по способу присоединения внешних проводников к выводам предохранителя:

- с задним присоединением;

- с передним присоединением;

- с передним и задним (универсальным) присоединением;

6) по конструкции плавкой вставки:

- с разборной плавкой вставкой (со сменными плавкими элементами);

- с неразборной плавкой вставкой (с несменными плавкими элементами);

7) по наличию указателя срабатывания и бойка:

- с указателем срабатывания и бойком;

- с указателем срабатывания;

- с бойком;

- без указателя срабатывания и бойка;

8) по наличию свободных контактов:

- со свободными контактами;

- без свободных контактов;

9) по количеству полюсов:

- однополюсные;

- двухполюсные;

- трехполюсные.

Выбор предохранителей

Выбор предохранителей по условиям эксплуатации и пуска электродвигателей

1. Температура предохранителя по условиям эксплуатации не должна превосходить предельно допустимого для него значения в нормальном режиме. Если ток плавкой вставки будет составлять не менее номинального значения тока электроустановки I _{н (эу),}то защитная характеристика предохранителя будет более стабильной и соответствовать паспортным данным:

I _В ³ I _н(эу).

Лучшая защита сетей, не подверженных перегрузке (например, сети освещения), будет выполняться при равенстве токов:

I _В = I _н(эу).

2. Номинальный ток плавкой вставки должен быть таким, чтобы предохранитель не отключал электроустановку при перегрузках, которые являются эксплуатационными.

В период пуска не должно происходить «старение» плавкой вставки. «Старение» – это уменьшение площади сечения плавкой вставки вследствие окисления ее поверхности. Поэтому плавкую вставку предохранителя стараются выбрать наименьшего сечения для обеспечения лучшей чувствительности защиты, но в то же время таким образом, чтобы не происходило «ложных» срабатываний.

Номинальный ток плавкой вставки I _В и ток I ₁₀ для предохранителя типа gG, при котором происходит расплавление вставки через 10 с, связаны соотношением:

.

(1.6)

При защите короткозамкнутых АД следует учитывать, что пусковой ток двигателя в 5-7 раз больше номинального значения, а время пуска может достигать десяти секунд. Поэтому номинальный ток плавкой вставки должен быть не менее следующих величин:

, .

(1.7)

где , – соответственно номинальный ток плавкой вставки для защиты одиночного электродвигателя и для защиты групповой сети с электродвигателем;

– кратность пускового тока электродвигателя по отношению к номинальному;

I _нд – номинальный ток электродвигателя;

– коэффициент, зависящий от условий пуска электродвигателя, = 2,5 для двигателей с нормальными условиями пуска (редкие пуски с временем разгона 5-10 с), = 1,6 -2,0 для двигателей с тяжелыми условиями пуска (частые пуски и большая длительность разгона, более10 с);

I _расч – расчётный ток сети;

I _п1 – пусковой ток наиболее мощного двигателя.

3. Предельный ток отключения предохранителя должен быть выше максимального расчетного тока КЗ. В трехфазных сетях переменного тока в качестве расчетного тока берется ток трехфазного короткого замыкания в месте включения предохранителя в сети.

Замечания:

1. Предохранители, выбранные таким образом, работают с большим запасом и даже в процессе пуска не нагреваются до значительных температур. Поэтому при возможных перегрузках предохранитель не защитит объекты электрической сети и следует предусматривать другую защиту (например, тепловое реле КК или специальные устройства защиты двигателя).

2. Предохранитель будет отключать токи однофазного КЗ с недопустимо большим временем. При этом создаётся опасность поражения людей, которые прикасаются к корпусам электроприёмников. Поэтому в жилых, общественных, административных и бытовых зданиях предусматривают специальную защиту – устройство защитного отключения (УЗО), выполненную на основе выключателей дифференциального тока (см. раздел 3).

Общие положения

Автоматические воздушные выключатели (автоматические выключатели, «автоматы») (АВ) – это электрические аппараты, предназначенные для проведения тока в нормальном режиме работы электрической сети и отключения электрической цепи при перегрузках, коротких замыканиях (у некоторых АВ при недопустимых снижениях напряжения питания), а также для редких (от 3 до 30 в час) оперативных включений и отключений (ВО) номинальных токов нагрузки.

АВ в схемах электроснабжения (см. рис. 2.1), также как и предохранители предназначены для защиты от чрезмерных тепловых и электродинамических воздействий сверхтока на элементы электрической сети (провода, кабели, коммутационные аппараты, измерительное и защитное оборудование), и к ним предъявляются аналогичные требования (см. раздел 1.1)

Достоинства автоматических выключателей:

1. Защитные (времятоковые) характеристики обладают большей стабильностью по сравнению с предохранителями, и в некоторых случаях предусмотрена возможность их регулирования.

2. Отключение всех трёх фаз происходит одновременно.

 

Рис. 2.1. Автоматические выключатели в схеме электроснабжения: а) принципиальная однолинейная схема; б) принципиальная многолинейная схема; в) условное графическое обозначение. QF – автоматический выключатель, KM – контактор, КК – тепловое реле, СШ – сборные шины, КЛ – кабельная линия, М – электродвигатель. – функция выключатель, – функция автоматическое срабатывание согласно ГОСТ 2.755-87

3. Многократность действия при эксплуатационных включениях–отключениях электрических цепей, многократное отключение предельных токов КЗ и способность после отключения этих токов длительно пропускать номинальный ток.

Недостатки автоматических выключателей:

1. Более дорогой электрический аппарат, чем предохранитель.

2. Требуется высокая квалификация обслуживающего персонала.

Главные контакты

Назначение:

1) обеспечивать, не перегреваясь и не окисляясь, продолжительный режим работы при номинальном токе;

2) не повреждаясь, включать и отключать токи короткого замыкания.

В простейшем случае состоят из одной пары рабочих контактов: условно неподвижного, жестко связанного с несущими конструкциями АВ, и подвижного – его перемещение приводит к размыканию электрической цепи [23, раздел 4.3]. У мощных АВ на токи более 630 А с высокой отключающей способностью применяются многоступенчатые (двух- и трёхступенчатые) контактные системы, состоящие из рабочих и дугогасительных контактов. При включении сначала включаются дугогасительные, а потом рабочие контакты. При отключении сначала отключаются рабочие, а потом дугогасительные контакты. Это исключает образование электрической дуги между рабочими контактами. Использование металлокерамики позволяет в современных электрических аппаратах на большие токи применять преимущественно двухступенчатые контактные системы, а на малые и средние токи (до 630 А) – одноступенчатые контактные системы. Разделение точек рабочего контактирования и точек дугогашения обеспечивается за счет перекатывания и проскальзывания контактов в процессе включения-отключения.

У нормальных (небыстродействующих) АВ контактные системы на средние и большие токи выполняются с компенсацией отбрасывающих усилий. Наиболее эффективным считается принцип электродинамической компенсации. Компенсирующее усилие (как и электродинамические силы, отбрасывающие контакты), растет пропорционально квадрату тока, и систему можно выполнить так, что компенсирующая сила всегда будет превосходить отбрасывающую силу. Электромагнитная компенсация с использованием ферромагнитных материалов становится неэффективной при больших токах, так как при насыщении (при токах 10-25кА) компенсирующее усилие мало возрастает с увеличением тока, в то время как отбрасывающая сила продолжает возрастать пропорционально квадрату тока. У быстродействующих АВ отбрасывающие электродинамические усилия в контактах используются для получения токоограничивающего эффекта. В этом случае еще до срабатывания расцепителя отбрасывается неподвижный контакт. Между контактами возникает электрическая дуга, обладающая определенным электрическим сопротивлением, которое ограничивает величину тока, и только затем, после того как расцепитель освободит отключающую пружину, приходит в движение подвижный контакт и главные контакты размыкаются (см. рис. 2.1).

Дугогасительная система

Назначение: обеспечивает совместно с контактной системой отключение рабочих токов и токов короткого замыкания с гашением возникающих дуг в ограниченном объёме.

Непосредственный разрыв цепи при КЗ производится в дугогасительной камере, назначение которой состоит в перераспределении пространственного положения электрической дуги, возникающей при размыкании контактов, для снижения энергии дуги. Энергия дуги значительна, до 100 кДж при температуре 20 000°С, и может вызвать эрозию контактов из-за испарения их металла. Поэтому дугу следует гасить как можно быстрее.

Задача дугогасительного устройства заключается в том, чтобы ограничить размеры дуги и обеспечить ее гашение в малом объеме. С этой целью широкое применение получили камеры с дугогасительными решетками (на переменном токе) и камеры с узкими щелями (на постоянном токе) и пламягасительные решетки [23, раздел 4.4]. Для того чтобы камера не разрушилась под воздействием высокой температуры, дуга быстро перемещается с большой скоростью под действием электромагнитных сил [23, раздел 4.1]. Дуга, являясь проводником, обладает магнитным полем, что и используется для втягивания ее в дугогасительную камеру и растягивания ее там до полного гашения.

Расцепители

Расцепитель – это элемент защиты, который контролирует заданный параметр защищаемой цепи (ток, напряжение) и при отклонении параметра от установленного значения, воздействуя на механизм свободного расцепления, запускает механизм отключения выключателя.

Расцепители тока

Расцепитель, который контролирует ток в электрической цепи, получил название - максимальный расцепитель тока (МРТ). Расцепители тока входят в состав главной цепи АВ (см. рис. 2.2). Сверхтоки обнаруживаются тремя способами:

- тепловым при перегрузках,

- электромагнитным при коротких замыканиях (КЗ),

- электронным при перегрузках и КЗ.

- МРТ формируют времятоковую (защитную) характеристику автоматического выключателя. Для защиты оборудования (кабельных линий, электродвигателей, трансформаторов и т.д.) от сверхтоков необходимо, чтобы времятоковая характеристика расцепителя находилась ниже времятоковой характеристики защищаемого объекта. Наиболее просто это получается с помощью тепловых расцепителей.

 

 

Рис. 2.2. Принципиальные схемы главной цепи выключателя: а) с комбинированным расцепителем тока; б) с электромагнитным расцепителем тока и с замедляющим устройством T (гидравлическим у АВ типа АК, с анкерным часовым механизмом у АВ типа АВМ; в) с электронным расцепителем тока; ГК – главный контакт, КК – тепловой расцепитель, КYА – электромагнитный расцепитель, БПР – блок полупроводниковых реле, YA – исполнительный электромагнит

Тепловой (термический) расцепитель состоит из биметаллической пластины, которая располагается вблизи токоведущих частей и при нагреве (при протекании сверхтока) выше определенной температуры изгибается, воздействует на защелку механизма свободного расцепления, освобождая расцепляющее устройство (МСР), которое отключает выключатель. Быстродействие биметаллической пластины прямо пропорционально значению тока. Тепловой расцепитель характеризуется тепловой инерцией и этим обеспечивается зависимая от тока характеристика, так как для изгиба пластины и перемещения ее окончания на определенное расстояние до защелки МСР требуется некоторая постоянная энергия W. Источником этой энергии является тепловая энергия W_Q, получаемая при прохождении тока по нагревательному элементу согласно закону Джоуля-Ленца:

, отсюда .

(2.1)

Если принять, что W_Q = W и R _НЭ (сопротивление нагревательного элемента) – постоянные величины, то получим, что время срабатывания теплового расцепителя обратно пропорционально квадрату тока, проходящего через выключатель (см. рис. 2.3). Нагревательный элемент может быть сменной частью расцепителя, и, заменяя его на другой тип, с иным сопротивлением, можно создавать расцепители на различные номинальные токи в одном типоразмере выключателя. Изменением расстояния между нагревательным элементом и биметаллической пластиной (l) можно обеспечить регулирование номинального тока расцепителя в пределах (0,7-1,0) I _нр.

Тепловые расцепители обладают слабой термической стойкостью и низким быстродействием при отключении больших токов. Поэтому автоматические выключатели только с одним тепловым расцепителем применяются редко, обычно применяется комбинация из электромагнитного и теплового расцепителя. Электромагнитный расцепитель работает при КЗ, тепловой – при перегрузках.

 

Рис. 2.3. Тепловой расцепитель: а) времятоковая (защитная) характеристика, б) принцип действия; I нр– номинальный ток расцепителя, I сп – ток срабатывания при перегрузке, I сп.= (1,05-1,4) I нр, МСР – механизм свободного расцепления, ГК – главные контакты

Электромагнитный расцепитель представляет собой электромагнит, который при возникновении сверхтока также воздействует на расцепляющее устройство, удерживающее главные подвижные контакты, что приводит к их размыканию. Расцепитель характеризуется мгновенным срабатыванием (сотые доли секунды) и обеспечивает независимую от тока характеристику.

Рис. 2.4. Электромагнитный расцепитель: а) времятоковые (защитные) характеристики, б) принцип действия. I нр(In) – номинальный ток расцепителя, I со(Im) – ток срабатывания отсечки для характеристик: B – I со= (3-5) I нр, C – I со.= (5-10) I нр, D – I со= (10-50) I нр t со (tm) – время срабатывания отсечки, МСР– механизм свободного расцепления, ГК – главные контакты.

Время срабатывания отсечки t _со не регулируется, так как независимо от величины тока (после тока уставки расцепителя) отключение произойдет за одинаковое время (0,01-0,04)с. Катушка может быть заменяемой частью расцепителя, и, заменяя ее на другую с иным количеством витков, можно создавать электромагнитные расцепители на различные номинальные токи в одном типоразмере выключателя. Изменением силы натяжения пружины можно обеспечить регулирования тока уставки расцепителя. В автоматических выключателях некоторых производителей имеется возможность регулировать ток срабатывания в широком диапазоне (до 10 ступеней), что позволяет настроить автоматический выключатель под конкретные требования защиты. Кроме того, такую регулировку можно использовать для обеспечения селективности по току.

Комбинированный (термомагнитный) расцепитель реализуеттепловой и электромагнитный способы защиты и изготовляется по проверенной временем недорогой технологии. Термомагнитные расцепители обеспечивают ограниченно зависимую времятоковую характеристику (см. рис. 2.5).

Характеристика такого вида получается за счет комбинации двух расцепителей (теплового и электромагнитного). Область действия теплового расцепителя ограничивается областью перегрузок, так как после значения тока I _со действует электромагнитный расцепитель, который срабатывает раньше, чем тепловой расцепитель.

 

Рис. 2.5. Комбинированный (тепловой и электромагнитный) расцепитель: а) времятоковые (защитные) характеристики, б) принцип действия.

I _нр(I_n) – номинальный ток расцепителя, I _со (I_m)– ток срабатывания отсечки для характеристик: B – I _со= (3-5) I _нр, C – I _со= (5-10) I _нр, D – I _со= (10-50) I _нр

t _со (t_m) – время срабатывания отсечки, МСР – механизм свободного расцепления,

ГК – главные контакты.

 

Такая характеристика получила название «двухступенчатая характеристика» и, кроме комбинированного расцепителя, может быть обеспечена полупроводниковым расцепителем, а также электромагнитным расцепителем в комбинации с часовым анкерным механизмом или гидравлическим замедлителем.

Электронный (полупроводниковый) расцепитель

В каждом полюсе автоматического выключателя размещен измерительный трансформатор тока, измеряющий протекающий через него ток. Измеренное и заданное значение токов сравниваются в электронном модуле, который, в случае превышения заданного значения, также воздействует на расцепляющее устройство, удерживающее главные подвижные контакты, что приводит к их размыканию. Времятоковая характеристика имеет три зоны срабатывания, параметры которых (ток и время) можно настраивать:

- зона срабатывания «Большая задержка» подобна зоне тепловых расцепителей и защищает цепи от перегрузки.

- зона срабатывания «Малая задержка» защищает от удаленных коротких замыканий (обычно в конце защищаемой линии). Порог срабатывания по току I _m (I _со) можно настроить, можно регулировать и время задержки t_m (t _со)до 1 секунды (обычно 0,1-0,4с), что используется для обеспечения надежной селективности срабатывания расположенных ниже аппаратов защиты.

- зона срабатывания «Мгновенно» защищает от «мощных» коротких замыканий. Порог срабатывания по току I_f (I _мгн) устанавливается при изготовлении и зависит от модели автоматического выключателя.

 

Рис. 2.6. Электронный расцепитель, вид времятоковой характеристики, возможности регулирования уставок тока и времени

Электронный расцепитель формирует трёхступенчатую защитную характеристику, которая аналогична двухступенчатой характеристике с выдержкой времени, но в зоне близких коротких замыканий при токе более I_f (I _мгн) автоматический выключатель отключается без выдержки времени.

Расцепители напряжения

Расцепитель минимального напряжения (минимальный расцепитель) – расцепитель, который контролирует снижение напряжения в электрической цепи и предназначен для отключения выключателя при снижении напряжения ниже определенного значения (см. рис. 2.7).

 

Рис. 2.7. Принципиальная схема расцепителя минимального напряжения

При наличии напряжения на шинах по электромагниту КYU протекает ток, который по закону полного тока создает магнитный поток. Якорь намагничивается и втягивается в катушку, сжимая при этом пружину. Механизм свободного расцепления (МСР) позволяет производить все операции с выключателем. При исчезновении напряжения на шинах или снижении его ниже какого-то уровня электромагнитная сила будет недостаточной, чтобы противодействовать силе пружины F _п, якорь выталкивается, воздействует на защёлку МСР, и автоматический выключатель отключается. Кнопкой SB можно разорвать цепь тока электромагнита, что позволяет дистанционно отключить выключатель.

Независимый расцепитель

Независимый расцепитель (рис.2.8)предназначен только для дистанционного отключения автоматических выключателей.

При замыкании кнопки SB по катушке начинает протекать ток, создающий магнитный поток. Якорь намагничивается, втягивается в катушку и своим окончанием воздействует на защёлку МСР, отключая автоматический выключатель.

 

Рис. 2.8. Принципиальная электрическая схема независимого расцепителя:

QF – главный контакт АВ, QF. 1 – вспомогательный контакт АВ

 

Таким образом, независимый расцепитель кинематически связан с механизмом управления и обеспечивает отключение выключателя при подаче на его катушку напряжения. Питание подается через замыкающий контакт вспомогательной цепи, что предохраняет катушку независимого расцепителя от длительного нахождения под током.

Нулевой (специальный) расцепитель

Нулевой (специальный) расцепитель (имеет схему подобную схеме расцепителя минимального напряжения, но подключается после главных контактов со стороны нагрузки) – это расцепитель, который не позволяет (запрещает) включить выключатель на возможное короткое замыкание в цепи нагрузки.

Проверка выбора выключателя

Условие проверки	Расчётное выражение	Численное значение проверки
1. Соответствие номинальному напряжению сети	U нв ³ U нс	660 В > 380 В
2.Соответствие номинальному току электродвигателя	I н р³ I нд	63 > 56
3.Стойкость при КЗ	ПКС ³ I к^(3)	6 кА > 4,35 кА
4.Отстройка от пусковых токов и проверка чувствительности при минимальных токах к.з.	Кн I пуск < I со < I к^(1)/Кч	200 < 630 < 2000
5.Отстройка от времени пуска	t сзп > 1,5 t пуск	20c > 15c
6.Проверка селективности	t соб > t сом	0,1 > 0,02

Общие сведения

Дифференциальные выключатели и дифференциальные автоматические выключатели относятся к устройствам защитного отключения (УЗО) и предназначены для защиты людей и животных от поражения электрическим током при случайном прикосновении к неизолированным токоведущим частям или корпусам электрооборудования, оказавшимся под напряжением вследствие нарушения изоляции, а также для защиты имущества от теплового воздействия.

На рис. 3.1. приведены последствия влияния электрического тока на организм человека в виде силы тока и времени его протекания. Ток до 0,5 мА человеком почти не ощущается. Ток до 10 мА ощущается, но опасных последствий не имеет. Ток в 200 мА при кратковременном воздействии не вызывает органических повреждений, но при воздействии дольше 2с может спровоцировать рефлекторное сокращение мышц, находящихся в непосредственном контакте с источником тока (явление «неотпускания провода»), затруднение дыхания, судороги и даже паралич мышц, а также фибрилляцию сердца. Ток более 500 мА даже при кратковременном влиянии на человека приводит к наиболее печальным последствиям – параличу мышц грудной клетки (остановке дыхания) или сердечных мышц и, следовательно, летальному исходу. Оба вида паралича могут быть как результатом непосредственного прохождения тока через область грудной клетки, так и рефлекторными – ответной реакцией нервной системы на протекание тока через любую область организма.

Рис.3.1. Последствия влияния электрического тока на организм человека

I – сила тока, протекающего через тело человека в миллиамперах, t – длительность воздействия в миллисекундах

Таким образом, необходим аппарат, который отключит электроустановку при токах утечки более 10-100мА за время менее 100мс.

Принцип действия УЗО

Устройство защитного отключения является быстродействующим защитным выключателем, автоматически отключающим от сети контролируемую электроустановку в случае возникновения в ней однофазного или трехфазного тока утечки. УЗО реагирует на дифференциальный ток в проводниках, подводящих электроэнергию к защищаемой электроустановке. Например, для однофазной нагрузки дифференциальным током будет являться разность токов в прямом и обратном проводнике (см. рис. 3.2).

Рис.3.2. Принцип действия устройства защитного отключения

1 – дифференциальный трансформатор тока; 2 – пусковой орган (пороговый элемент); 3 – исполнительный механизм; 4 – цепь тестирования.

С точки зрения электробезопасности УЗО принципиально отличаются от устройств защиты от сверхтока (предохранителей) тем, что предназначены именно для защиты от поражения электрическим током, поскольку они срабатывают при утечках тока 0,01-0,3А за время не более 25-40 мс, что значительно меньше, чем у предохранителей (обычно от 2 А и более для бытовых предохранителей, что во много раз превышает смертельное для человека значение). УЗО должны срабатывать до того, как электрический ток, проходящий через организм человека, вызовет фибрилляцию сердца – наиболее частую причину смерти при поражениях электрическим током.

В российских стандартах и литературе встречаются следующие наименования УЗО: 1) устройство защитного отключения; 2) выключатели управляемые дифференциальным током без встроенной защиты от сверхтоков; 3) выключатели дифференциального тока (ВДТ); 4) дифференциальные выключатели нагрузки.

УЗО реагирует на дифференциальный ток в проводниках, подводящих электроэнергию к защищаемой электроустановке, поэтому в абсолютном большинстве УЗО, производимых и эксплуатируемых в настоящее время во всем мире, в качестве датчика дифференциального тока используется дифференциальный трансформатор тока 1 (рис. 3.2.).

В нормальном режиме, при отсутствии дифференциального тока (тока утечки), в силовой цепи по проводникам, проходящим сквозь окно магнитопровода трансформатора тока 1, протекают рабочие токи нагрузки I ₁ и I ₂, равные между собой по модулю, но векторно противоположно направленные. Данные токи наводят в магнитном сердечнике встречные магнитные потоки. Результирующий магнитный поток при работе в нормальном режиме равен нулю, следовательно, ток во вторичной обмотке также равен нулю. Вся система находится в состоянии покоя.

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

Неравенство токов в первичных обмотках вызывает неравенство магнитных потоков и, как следствие, возникновение во вторичной обмотке трансформированного дифференциального тока. Если этот ток превышает значение уставки порогового элемента пускового органа, последний срабатывает и воздействует на исполнительный механизм.

Пороговый элемент выполняется, как правило, на чувствительных магнитоэлектрических реле прямого действия (устройства защитного отключения вида дифференциальный выключатель) или электронных компонентах (дифференциальные автоматы).

Исполнительный механизм, обычно 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. При нажатии кнопки «Тест» искусственно создается отключающий дифференциальный ток. Срабатывание устройства означает, что оно в целом исправно.

Для электромеханических устройств защитного отключения (рис. 3.2, 3.3, а, б) источником энергии, необходимой для функционирования, – выполнения защитных функций, включая операцию отключения, является сам сигнал – дифференциальный ток, на который реагирует устройство.

Механизм электронного УЗО (рис. 3.3, в) для выполнения операции отключения нуждается в энергии, получаемой либо от контролируемой сети, либо от внешнего источника. Применение устройств, функционально зависящих от напряжения питания, должно быть ограничено в силу их меньшей надежности. Однако 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 устройства 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.

В конструкции электронных УЗО, производимых в США, Японии, Южной Корее и в некоторых европейских странах, как правило, заложена функция отключения от сети защищаемой электроустановки при исчезновении напряжения питания. Эта функция конструктивно реализуется с помощью электромагнитного реле, работающего в режиме самоудерживания. Силовые контакты реле находятся во включенном положении только при протекании тока по его обмотке (аналогично магнитному пускателю). При исчезновении напряжения на вводных зажимах устройства якорь реле отпадает, при этом силовые контакты размыкаются, защищаемая электроустановка обесточивается. Подобная конструкция УЗО обеспечивает гарантированную защиту от поражения человека в электроустановке и в случае обрыва нулевого проводника.

а) б) в)

Рис.3.3. Схемы включения устройств защитного отключения: а, б – электромеханические (защищены от токов КЗ и перегрузки автоматом QF), в – электронное (с встроенной защитой от токов КЗ и перегрузки)

Устройство защитного отключения (электромеханическое) включается последовательно с автоматическим выключателем, при этом номинальный ток выключателя рекомендуется выбирать на ступень ниже номинального тока УЗО. Дифференциальный автомат (электронное УЗО) имеет встроенную защиту от перегрузки и тока КЗ (рис. 3.3, в).

Защитные характеристики

Защитной характеристикой УЗО называют зависимость времени отключения от кратности дифференциального тока К (отношение реально существующего дифференциального тока в электрической цепи I _∆ к номинальному отключающему дифференциальному току I _{∆ n}).

На рис. 3.3 изображена защитная характеристика дифференциального выключателя, анализ которой позволяет сделать следующие заключения:

- характеристика ограничена слева значением номинального неотключающего дифференциального тока, равного половине номинального отключающего дифференциального тока I _{∆ n}.