Дифференциальные выключатели и дифференциальные автоматические выключатели

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}.

- в диапазоне кратности тока от 0,5 до 1, время отключения УЗО не превышает 0,3с.

- в диапазоне кратности дифференциального тока выше единицы, время срабатывания УЗО составляет от 0,1 до 0,01с, уменьшаясь, при возрастании кратности дифференциального тока.

Паспортная защитная характеристика используется для построения реальной защитной характеристики конкретного образца УЗО при оценке селективности защит нескольких УЗО, применяемых в электроустановках здания. В случае использования селективного УЗО данная характеристика будет поднята на величину заданной ступени селективности.

 

Рис.3.4. Времятоковые характеристики дифференциального выключателя

 

Реальная характеристика строится на бланке селективности следующим образом: время срабатывания УЗО берется из паспортной характеристики без изменения, кратность дифференциального тока переводится в именованные единицы тока, с использованием формулы: I_∆ = K I_∆n.

Защитная характеристика дифференциального автомата приведена на рис. 3.5 и разделена на две области: первая область аналогична защитной характеристике дифференциального выключателя, вторая область включает в себя две защитные характеристики: продолжение защитной характеристики дифференциального выключателя, встроенного в корпус дифференциального автомата и защитной характеристики теплового и электромагнитного расцепителя. Допустимость продолжения данной характеристики обусловлена тем, что ток однофазного короткого замыкания на корпус, является полностью дифференциальным.

Рис.3.5. Времятоковые характеристики дифференциального автомата: кратность дифференциального тока (слева) и кратность тока нагрузки (справа)

 

Реальные характеристики дифференциального автомата строятся на бланке селективности следующим образом: время срабатывания УЗО берется из паспортной характеристики без изменения, кратность дифференциального тока переводится в именованные единицы тока, используя формулу: кратность номинального тока максимального расцепителя переводится в именованные единицы, используя формулу: I = K I_n.

Классификация

По техническому исполнению существуют различные виды УЗО, ниже приведена примерная их классификация.

1. По назначению:

а) без встроенной защиты от токов перегрузки и короткого замыкания (сверхтоков) – дифференциальные выключатели. Они должны включаться последовательно с автоматическим выключателем, номинальный ток расцепителей которого рекомендуется выбирать на ступень ниже номинального тока УЗО (рис. 3.3, а; б, 3.6, а; 3.7, а, б).

б) со встроенной защитой от сверхтоков (комбинированные УЗО – дифференциальные автоматы). Они различаются по характеристике мгновенного расцепления (тип В, тип С, тип D).

Конструктивной особенностью этих УЗО является то, что механизм размыкания силовых контактов (механизм свободного расцепления) запускается при воздействии на него любого из трех элементов — катушки с сердечником токовой отсечки, реагирующей на ток короткого замыкания, биметаллической пластины, реагирующей на токи перегрузки и магнитоэлектрического расцепителя, реагирующего на дифференциальный ток (рис. 3.6, б; 3.7, в, г).

2. По способу управления:

а) функционально не зависящие от напряжения в электрической сети (электромеханические). Для этих УЗО источником энергии, необходимой для выполнения защитных функций, включая операцию отключения, является сам сигнал – дифференциальный ток (рис. 3.3, а, б; 3.6, а; 3.7, а, б).

б) функционально зависящие от напряжения (электронные), т.к. напряжение подается для питания электронной схемы. (рис. 3.3, в; 3.6, б; 3.7, в, г).

Электронные УЗО подразделяются:

- устройства, автоматически размыкающие силовые контакты при исчезновении напряжения с выдержкой времени или без нее.

- устройства, не размыкающие силовые контакты при исчезновении напряжения. Имеются также два варианта исполнения устройств этой группы. В одном варианте при исчезновении напряжения устройство не размыкает свои контакты, но сохраняет способность разомкнуть силовую цепь при возникновении дифференциального тока (присутствует независимый источник питания). Во втором варианте, при отсутствии напряжения, устройства неспособны произвести отключение при возникновении дифференциального тока, и это является недостатком данного типа УЗО.

Внимание! Механизм электронного УЗО для выполнения операции отключения нуждается в энергии, получаемой либо от контролируемой сети, либо от внешнего источника.

3. По типу:

- АС – реагирует на переменный синусоидальный дифференциальный ток, возникающий внезапно либо медленно возрастающий;

- A – реагирует на внезапный либо медленно возрастающий переменный синусоидальный дифференциальный ток и пульсирующий постоянный дифференциальный ток;

- B – реагирует на переменный, постоянный и выпрямленный дифференциальный токи;

- S – селективное устройство (имеет выдержку времени на отключение);

- G – то же, что и S, но с меньшей выдержкой времени.

4. По числу полюсов и токовых путей:

- двухполюсные, защищающие две электрические цепи;

- четырехполюсные, защищающие четыре электрические цепи.

5. По условиям регулирования отключающего дифференциального тока:

- с одним значением номинального отключающего дифференциального тока;

- с несколькими фиксированными значениями отключающего дифференциального тока.

6. По способу установки:

- для стационарной установки;

- для подвижной установки (переносные) и шнурового присоединения.

7. По способу защиты от внешних воздействий:

- защищенного исполнения, не требующие для своей эксплуатации защитной оболочки;

- незащищенного исполнения, для эксплуатации которых необходима защитная оболочка.

8. По способу монтажа: поверхностного, утопленного, панельно-щитового.