Профессиональные советы домашнему электрику

12.1. Варианты защиты человека от удара током

Рассмотрим механизм воздействия электрического тока на человека. С самого начала промышленного применения электричества ученые всего мира занимались изучением этого воздействия и его последствий. Однозначно установлено, что при воздействии электрического тока на человека наиболее уязвимым органом является сердце.

Беспорядочные сокращения мышц сердца могут возникать даже при малых значениях тока. Но результат воздействия электрического тока на организм человека зависит не только от значения тока, но и от продолжительности его протекания, пути тока через тело человека, а также, в меньшей степени, от частоты тока, формы кривой, коэффициента пульсаций и других факторов.

Для расчетной оценки опасности поражения электрическим током принято использовать в качестве критерия опасности именно ток через тело человека, а не напряжение, приложенное к нему.

В табл. 12.1 приведено примерное время допустимого воздействия электрического тока на человека в зависимости от тока и напряжения.

При напряжении до 500 В поражение постоянным током менее губительно, чем поражение переменным током той же величины.

При напряжении большей величины различий в воздействии постоянного и переменного токов практически не наблюдаются. Влияние частоты на поражающее воздействие переменного тока (для диапазона напряжений до 500 В) представлено в табл. 12.2.

Теперь приведу три определения разновидностей тока, применяемые в следующей таблице (табл. 12.3):

♦ ощутимый ток — ток, вызывающий ощутимые раздражения при прохождении через организм;

♦ неотпускающии ток — ток, вызывающий при прохождении через человека непреодолимые судорожные сокращения мышц руки, в которой зажат проводник (самому разжать руки невозможно);

♦ фибрилляционный ток — ток, вызывающий фибрилляцию сердца при прохождении через организм (мышцы сокращаются разрозненно и нескоординировано, вследствие чего сердце теряет способность совершать согласованные сокращения).

Для наглядности данные, приведенные в табл. 12.3, представлены в графическом виде. Влияние токов различной силы на организм человека представлен на рис. 12.1.

Рис. 9.1. Влияние токов различной силы на организм человека

Организационные меры:

♦ обеспечение недоступности для человека токоведущих частей электрооборудования;

♦ снижение величины тока через тело человека до безопасного значения;

♦ ограничение времени воздействия электрического тока на организм человека.

Разработаны и технические меры защиты от поражения электрическим током:

♦ применение низких напряжений;

♦ защитное разделение сетей;

♦ контроль, профилактика изоляции, обнаружение ее повреждений, защита от замыканий на землю;

♦ компенсация емкостных токов утечки;

♦ защитное заземление;

♦ защитное зануление;

♦ защитное отключение;

♦ система уравнивания потенциалов;

♦ двойная изоляция, изолирование рабочего места;

♦ грозозащита.

Защитное отключение — одно из наиболее эффективных электрозащитных средств. Должна быть обеспечена защита человека от поражения в двух наиболее вероятных и опасных случаях:

♦ при прямом прикосновении к токоведущим частям электрооборудования;

♦ при косвенном прикосновении.

Под косвенным прикосновением понимается прикосновение человека к открытым проводящим частям электроприбора, на которых в исправном состоянии отсутствует электрический потенциал, но при каких-либо неисправностях, вызвавших нарушение изоляции или ее пробой на корпус, на этих частях возможно появление опасного для жизни человека потенциала.

Для защиты от прямого прикосновения служат меры, предотвращающие прикосновение к токоведущим частям:

♦ изоляция токоведущих частей;

♦ применение ограждений и оболочек;

♦ установка барьеров;

♦ размещение вне зоны досягаемости.

Дополнительная защита от электропоражения при прямом прикосновении достигается путем применения устройств защитного отключения.

УЗО является превентивным электрозащитным устройством и в сочетании с современными системами заземления (TN-S, TN-C-S) обеспечивает высокий уровень электробезопасности при эксплуатации электроприборов.

Когда профессору Сергею Петровичу Капице задали вопрос, без какого достижения современной цивилизации он не представляет себе жизни, последовал ответ: «Без электричества». Это великое благо для человечества, но благо достаточно опасное.

Его использование во всех областях деятельности человека, резкое увеличение количества электроприборов в быту и на производстве естественным образом повлекли за собой повышение опасности поражения человека электрическим током. Поэтому не удивительно, что вслед за расширением использования электрической энергии в промышленности и быту развивалась и система обеспечения электробезопасности или электрической защиты.

Электрическая защита необходима для того, чтобы безопасно эксплуатировать домашнюю электросеть, не допуская поражения человека электрическим током, возгораний, повреждение электротехники грозовыми разрядами. В общем, электрическая защита — понятие комплексное. Задача защитных устройств — отключить напряжение в кратчайший срок при нарушении параметров сети. Какие устройства для этого применяются?

Для защиты человека от смертельного исхода при прикосновении к корпусу неисправного электроприбора служит УЗО, которое подробно будет рассмотрено далее в этой главе.

12.2. Использование устройства защитного отключения

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. Защита от сверхтока (при применений защитного зануления) обеспечивает защиту человека при косвенном прикосновении — путем отключения автоматическими выключателями или предохранителями поврежденного участка цепи при коротком замыкании на корпус.

При малых токах замыкания, снижении уровня изоляции, а также при обрыве нулевого защитного проводника зануление недостаточно эффективно, поэтому в этих случаях УЗО является единственным средством защиты человека от электропоражения.

В основе действия защитного отключения, как электрозащитного средства, лежит принцип ограничения продолжительности протекания тока через тело человека (за счет быстрого отключения) 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.

Вспомогательным, но не менее важным свойством УЗО является его способность осуществлять защиту от возгорания и пожара, возникающих вследствие возможных повреждений изоляции, неисправностей электропроводки и электрооборудования. Ведь более трети всех пожаров происходят по причине возгорания электропроводки в результате нагрева проводников по всей длине, искрения, горения электрической дуги на каком-либо элементе, вызванных токами короткого замыкания.

Короткие замыкания, как правило, образуются из-за дефектов изоляции, замыканий на землю, утечек тока на землю. УЗО, реагируя на ток утечки на землю или защитный проводник, заблаговременно, до развития КЗ, отключает электроустановку от источника питания, предотвращая тем самым недопустимый нагрев проводников, искрение, возникновение дуги и возможное последующее возгорание.

УЗО нецелесообразно устанавливать при наличии старой ветхой проводки в помещении, поскольку в этом случае свойство УЗО обнаруживать утечку тока может вызвать ряд проблем. Например, при старой электропроводке устройство электрозащиты может срабатывать непредсказуемым образом. Поэтому в данном случае рекомендуется установка в местах с повышенной опасностью розеток со встроенным УЗО.

Первое устройство защитного отключения (УЗО) было запатентовано германской фирмой RWE в 1928 г., когда принцип токовой дифференциальной защиты, ранее применявшийся для защиты генераторов, линий и трансформаторов, был применен для защиты человека ot поражения электрическим током.

В 1937 г. фирма Schutzapparategesellschaft Paris & Со изготовила первое действующее устройство на базе дифференциального трансформатора и поляризованного реле, имевшее чувствительность 0,01 А и быстродействие 0,1 с. В том же году с помощью добровольца (сотрудника фирмы) было проведено испытание УЗО. Эксперимент закончился благополучно, устройство сработало четко, доброволец испытал лишь слабый удар электрическим током, хотя и отказался от участия в дальнейших опытах. Все последующие годы, за исключением военных и первых послевоенных, велась интенсивная работа по изучению действия электрического тока на организм человека, разработке электрозащитных средств и в первую очередь — совершенствованию и внедрению УЗО.

Термин устройство защитного отключения — УЗО, принятый в отечественной специальной литературе, наиболее точно определяет назначение данного устройства и его отличие от других коммутационных электрических аппаратов — автоматических выключателей, выключателей нагрузки, магнитных пускателей и т. д.

Но иногда встречается неточность, даже вкравшаяся в стандарты. Это определение УЗО, как «устройства, управляемого остаточным током». Здесь нарушена элементарная причинно-следственная связь. Устройство не управляется этим током, а реагирует на него!

В последних отечественных стандартах (серии ГОСТ Р 51326,51327) запутана терминология: в отличие от принятого в основном стандарте (ГОСТ Р 50807-95) определения, УЗО называется то «выключатель дифференциального тока — ВДТ», то «автоматический выключатель дифференциального тока — АВДТ.

Часто применяется другое, не соответствующее стандартам название УЗО — «дифференциальный выключатель». Это название распространилось из переведенных не специалистами-электриками проспектов зарубежных фирм. Соотношение понятий «УЗО, автомат защиты и дифавтомат» приведены для наглядности в табл. 12.4.

За рубежом приняты следующие обозначения:

♦ в США и Канаде — RCD (residual-current device), RCCB (Residual Current Circuit Breaker), GFI (ground fault interrupter), ALCI (appliance leakage current interrupter); GFCI (Ground Fault Circuit Interrupter — размыкатель тока утечки на землю);

♦ в Австралии — Safety Switch;

♦ в Великобритании — Trip, Trip Switch, e.l.c.b. (earth leakage circuit breaker — выключатель тока утечки на землю);

♦ В Германии, Австрии — Fehlerstrom-Schutzschalter (Fehlerstrom-Schutzeinrichtung). Сокращенно: FI-Schutzschalter (F-Fehler — повреждение, неисправность, утечка, I — символ тока в электротехнике, Schutzschalter — защитный выключатель, Schutzeinrichtung — защитное устройство);

♦ во Франции — DD — disjoncteur differentiel (дифференциальный выключатель).

В настоящее время действует международная классификация УЗО, разработанная международной электротехнической комиссией (МЭК):

♦ RCD (residual current protective device) — защитное устройство по дифференциальному (разностному) току, общее название УЗО;

♦ PRCD (portable residual current protective device) — переносное защитное устройство по дифференциальному току;

♦ PRCD-S (portable residual current protective device-safety) — переносное защитное устройство по дифференциальному току (в кабеле-удлинителе);

♦ SRCD (fixed socket outless residual current protective device) — защитное устройство по дифференциальному току (встроенное в розетку);

♦ RCCB (residual current operated circuit-breakers without integral overcurrent protection) — защитное устройство по дифференциальному току без встроенной защиты от сверхтоков;

♦ RCBO (residual current operated circuit-breakers with integral overcurrent protection) — защитное устройство по дифференциальному току со встроенной защитой от сверхтоков;

♦ RCM (residual current monitor) — устройство контроля дифференциального тока (тока утечки).

12.3. Электромеханические и электронные УЗО

Электромеханические УЗО — т. е. устройства защитного отключения, функционально не зависящие от напряжения питания. Приводятся в действие дифференциальным током (током утечки), на который оно и реагирует. Имеют наибольшую цену, но и набольшую надежность.

Электронные УЗО с функцией отключения от сети при исчезновении напряжения питания — т. е. устройства защитного отключения, которые приводятся в действие (срабатывают) от напряжения питания и автоматически срабатывающие при исчезновении напряжения питания. Электромагнитное реле удерживает силовые контакты во включенном состоянии только при наличии напряжения питания и отсутствии тока утечки.

Электронные УЗО без функции отключения от сети при исчезновении напряжения питания — т. е. устройства защитного отключения, которые приводятся в действие (срабатывают) от напряжения питания и не отключаются при исчезновении напряжения питания.

Внимание, с ними проблема: при обрыве питающего нейтрального провода УЗО останется включенным, а опасный потенциал на электрооборудование подается!

Более подробно следует рассмотреть отличия электронного УЗО от электромеханического. Основное отличие уже определено в названии. Электронное УЗО для принятия решения об уровне тока утечки и необходимости отключения поврежденной линии использует схему, собранную на электронных компонентах.

Очень редко, а при правильной эксплуатации и своевременном обслуживании, вообще никогда, но, тем не менее, ситуация мажет возникнуть — нулевой проводник поврежден и через защитное устройство проходит только фазовый провод. И именно в этот момент кто-то случайно касается оголенного провода. Человек создает новый путь для электрического тока и его уровень может быть любым — защитное устройство все равно не может оценить уровень угрозы, так как нарушена схема подачи питания на само устройство.

Это похоже на электрический фонарик с вытащенными батарейками — пока нет питания, не будет и света. Многие страны Европы запретили электронные УЗО к применению. У нас тоже к этому, несомненно, придут, но сначала необходимо пройти путь насыщения любых защитных устройств.

У электронных УЗО есть не только минусы, но и плюсы. И не самый последний из них — низкая цена. Электронные компоненты постоянно дешевеют и защитное устройство тоже. Также, немалым плюсом, является многофункциональность. Электронное устройство очень просто наделять дополнительными функциями. О защите от повышенного напряжения или высоковольтных импульсных помехах писалось выше.

Ну и самое главное — отказ в работе возможен только при отсоединении питающего провода, а это очень легко диагностируемый случай и быстро устранимый. Электромеханические устройства защитного отключения не имеют и не требуют собственного питания. В качестве исполнительного элемента используется обычный постоянный магнит. В случае появления тока утечки на этот магнит оказывается воздействие по его размагничиванию, и как только он оказывается не в силах удерживать металлическую защелку, — происходит отключение.

Описание принципа работы простое, но в реализации данные устройства довольно сложны и высокотехнологичны. Этим объясняется достаточно высокая стоимость подобных устройств. Споры о целесообразности применения электронных и электромеханических устройствах шли ранее и будут идти. Статистика поражения человека электрическим током, как таковая, не ведется.

Но с точки зрения здравого смысла, преимущества электромеханических защитных устройств не столь очевидны. Если не нарушать элементарных правил электробезопасности при работе в электрощите, то разницы нет, электроника или механика входят в состав УЗО.

Следует отметить, что основной причиной меньшего распространения электронных УЗО 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 поступает опасный для жизни человека потенциал.

В развитых европейских странах электротехнические нормы допускают применение только УЗО, 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.

В конструкции электронных УЗО, производимых в США, Японии, Южной Корее и в некоторых европейских странах (рис. 12.2), 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, что аналогично магнитному пускателю.

Рис. 12.2. Электронное УЗО с функцией отключения сети

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. В США применяются в основном УЗО, встроенные в розеточные блоки. На одном объекте, например, небольшой квартире устанавливается по 10–15 устройств. Розетки, не оборудованные УЗО, обязательно запитываются шлейфом от розеточных блоков с УЗО.

Современные качественные УЗО имеют быстродействие Т_п = 20–30 мс (0,02-0,03 с). Это означает, что УЗО — «быстрый» выключатель, поэтому на практике возможны ситуации, когда УЗО срабатывает раньше аппарата защиты и отключает как токи нагрузки, так и сверхтоки.

Но разработаны и УЗО, срабатывающие с некоторой задержкой для обеспечения «каскадности» отключения.

12.4. Классификация и характеристики УЗО

УЗО типа АС — устройство защитного отключения, реагирующее на переменный синусоидальный дифференциальный ток, возникающий внезапно либо медленно возрастающий. Бюджетный вариант. Не реагирует на пульсирующий постоянный ток утечки, возникающий в схемах, где используются импульсные источники питания.

УЗО типа А — устройство защитного отключения, реагирующее на переменный синусоидальный дифференциальный ток и пульсирующий постоянный дифференциальный ток, возникающие внезапно либо медленно возрастающие. Рекомендуется использовать практически во всех обычных случаях, но они значительно дороже варианта АС.

Обозначения представлены в табл. 12.5.

УЗО типа В — устройство защитного отключения, реагирующее на переменный, постоянный и выпрямленный дифференциальные токи. Реагирует на утечку даже постоянного тока!

УЗО типа S — устройство защитного отключения, селективное (с выдержкой времени отключения). Задержка на срабатывание УЗО типа S составляет 200–300 мс (0,2–0,3 с). Применяется в сетях, где предусматривается каскадное включение устройств, при котором головное УЗО должно срабатывать в последнюю очередь, а также в сельской местности в районах с высокой грозовой активностью (у такого УЗО намного ниже вероятность ложных срабатываний).

УЗО типа G — то же, что и типа S, но с меньшей выдержкой времени, составляющей 60–80 мс (0,06-0,08 с). Используется в случаях последовательного каскадного включения устройств вместе с УЗО S, чтобы головное УЗО (типа S) срабатывало в последнюю очередь.

Номинальное напряжение U_n = 380 В для четырехполюсных и U_n = 220 В для двухполюсных УЗО.

Нормами установлен также диапазон напряжений, в котором УЗО должно сохранять работоспособность. Это имеет принципиальное значение лишь для «электронных» УЗО, функционально зависимых от напряжения питания (табл. 12.6).

Номинальный отключающий дифференциальный ток I_Dn (ток уставки) выбирается из следующего ряда: 6 мА, 10 мА, 30 мА, 100 мА, 300 мА, 500 мА.

Каждое конкретное устройство имеет, как правило, определенное стабильное значение отключающего тока, находящееся в указанном диапазоне.

Уставку УЗО для каждого конкретного случая применения, теоретически, выбирают с учетом следующих факторов:

♦ значения существующего в данной электросети суммарного (с учетом присоединяемых стационарных и переносных электроприемников) тока утечки на землю — так называемого «фонового тока утечки»;

♦ значения допустимого тока через человека на основе критериев электробезопасности;

♦ реального значения отключающего дифференциального тока УЗО, которое в соответствии с требованиями ГОСТ Р 50807-94 находится в диапазоне 0,5I_Dn…I_Dn.

Рекомендуемые значений I_Dn (уставки) УЗО для диапазона номинальных токов 16–80 А представлены в табл. 12.7.

В некоторых случаях для определенных потребителей значение уставки задается нормативными документами. В ГОСТ Р 50669-94 применительно к зданиям из металла или с металлическим каркасом задается значение уставки УЗО не выше 30 мА. Временные указания предписывают:

♦ для сантехнических кабин, ванных и душевых устанавливать УЗО с током срабатывания: 10 мА, если на них выделена отдельная линия; в остальных случаях, (например, при использовании одной линии для сантехнической кабины, кухни и коридора) допускается использовать УЗО с уставкой 30 мА (п. 4.15);

♦ в индивидуальных жилых домах для групповых цепей, питающих штепсельные розетки внутри дома, включая подвалы, встроенные и пристроенные гаражи, а также в групповых сетях, питающих ванные комнаты, душевые и сауны УЗО с уставкой 30 мА;

♦ для устанавливаемых снаружи штепсельных розеток УЗО с уставкой 30 мА (п. 6.5).

В ПУЭ (7-е изд. п. 7.1.84) рекомендуется для повышения уровня защиты от возгорания при замыканиях на заземленные части на вводе в квартиру, индивидуальный дом и тому подобное установка ПОЖАРНЫХ УЗО с током срабатывания до 300 мА.

Нейтральный провод не должен быть заземлен после УЗО (в контуре «под защитой УЗО»), он может быть заземлен до УЗО, но не после.

Существуют нагрузки, т. е. электрические устройства, которые не будут работать в схеме с УЗО (нечасто, но встречаются). Так, если за (после) УЗО установлен настоящий (неполупроводниковый, не «авто»= гальванически развязанный) трансформатор, то никакое УЗО на утечки из вторичного контура трансформатора работать не будет.

Чем выше номер в кодировке IP (Ingress Protection, защита от проникновения), тем выше класс защиты (табл. 12.8).

По степени защиты от воздействия окружающей среды обычное исполнение УЗО — IP 20. Встречаются также УЗО специального исполнения — IP 40. При более высоких требованиях по степени защиты УЗО должны устанавливаться в защитный кожух.

УЗО обычного исполнения имеют диапазон рабочих температур от -5 до 40 °C. В специальном исполнении — для диапазона температур от -25 до 40 °C на УЗО наносится знак.

Номинальный ток короткого замыкания I_nс — один из основных параметров УЗО, характеризующий, прежде всего, качество изделия. Указанное заводом-изготовителем значение этого параметра проверяется при сертификационных испытаниях устройства. Смысл испытания заключается в определении термической и электродинамической стойкости изделия при протекании сверхтоков.

При испытании на специальном стенде создается цепь из мощного источника и нагрузки, обеспечивающая протекание заданного сверхтока из ряда: 3; 4,5; 6; 10 кА. Испытательный ток не достигает заданного значения, поскольку отключается ранее последовательно включенным защитным аппаратом с нормированной уставкой.

Как правило, для этой цели применяются плавкие вставки в виде серебряных проводников калиброванного сечения. Значение I_nс, как важнейшего параметра УЗО, должно обязательно быть приведено на лицевой панели устройства, или в сопроводительной технической документации на УЗО.

Для УЗО типов S и G (с задержкой срабатывания) предъявляются повышенные требования по данному параметру, поскольку предполагается, что, во-первых, УЗО этого типа устанавливаются на головном участке сети, где токи короткого замыкания, естественно, выше, во-вторых, такие устройства, имея задержку по срабатыванию, могут находиться под воздействием аварийных токов более продолжительное время.

Номинальный дифференциальный ток короткого замыкания I_Dc — параметр аналогичен рассмотренному в I_nс. Главным отличием является то, что сверхток протекает по одному проводнику УЗО и испытания проводятся при включении испытательного тока поочередно по отдельным полюсам УЗО.

Предельное значение неотключающего сверхтока I_nm — данный параметр характеризует способность УЗО не реагировать на симметричные токи короткого замыкания и перегрузки. Является важным показателем качества устройства. Неправильно считать, что это ток, при котором УЗО должно производить отключение. Нормативы определяют минимальное значение неотключающего тока, равное шестикратному значению номинального тока нагрузки, т. е. I_nm = 6∙I_n

Максимальное значение неотключающего сверхтока не нормируется и может иметь значения, намного превышающие 6∙I_n.

Номинальная включающая и отключающая способность (коммутационная способность) I_m. Коммутационная способность зависит от качества исполнения устройства, качества силовых контактов, мощности пружинного привода, материала (пластмассовых или металлических деталей) и качества механизма, наличия дугогасящей камеры и др.

Этот параметр в значительной степени определяет надежность УЗО. В некоторых аварийных режимах УЗО должно осуществить отключение сверхтоков, опережая автоматический выключатель, при этом оно должно сохранить свою работоспособность.

Номинальная включающая и отключающая способность по дифференциальному току I_Dm. Данная характеристика аналогична рассмотренной выше I_m с той разницей, что предполагается протекание дифференциального сверхтока, например, при коротком замыкании на корпус электроприбора в системе TN-C-S.

12.5. Схемотехника и принцип действия УЗО

Принципиальная схема УЗО включает в себя такие функциональные группы:

♦ дифференциальный трансформатор тока (используется в большинстве УЗО), который измеряет баланс токов между входящими в него проводниками (на рис. 12.3: 1 и 2 — это его первичные обмотки, а 3 — вторичная обмотка;

♦ пусковой элемент (это, как правило, электромагнитное реле), который служит для управления (воздействия) исполнительным механизмом;

♦ исполнительный механизм, который предназначен для аварийного отключения защищаемой цепи.

♦ кнопка «Тест», предназначенная для контроля исправности УЗО путем создания имитации тока утечки.

Принципиальная электрическая схема электромеханического УЗО представлена на рис. 12.3.

Рис. 12.3. Принципиальная электрическая схема однофазного УЗО

Рассмотрим работу принципиальной схемы УЗО. При исправности контролируемой линии нет заданного тока утечки. При этом дифференциальный трансформатор находится в состоянии покоя (равновесия), потому что токи в встречно включенных первичных обмотках трансформатора равны.

Равные магнитные потоки, идущие навстречу друг другу, взаимовычитаются и равны нулю. Поэтому во вторичной обмотке не возникает электромагнитное поле, а, значит, нет напряжения. Значит, и не возникает ЭДС, способная воздействовать на реле, на основе которого собран пусковой механизм.

А как только происходит утечка на защищаемой (контролируемой) линии, равная значению срабатывания УЗО (как правило, от 10 до 30 мА), то нарушатся равенство в первичных обмотках трансформатора. Вследствие этого возникает электромагнитное поле в первичных и вторичных катушках, которое образует связь по напряжению. В итоге, во вторичной обмотке возникает напряжение срабатывания реле (пусковой элемент), которое воздействует на исполнительный механизм и отключает контактную группу, обесточивая, таким образом, защищаемую линию.

Следует помнить, что УЗО требует ежемесячной проверки, которая осуществляется нажатием кнопки «Тест». При этом происходит замыкание цепи, имитирующей искусственную утечку тока и срабатывание устройства защитного отключения. Отсутствие срабатывания укажет на полную неисправность устройства.

Схема трехфазного УЗО аналогична схеме однофазного. Она отличается количеством первичных обмоток (рис. 12.4).

Рис. 12.4. Принципиальная электрическая схема трехфазного УЗО

Основные функциональные блоки УЗО

Функционально УЗО можно определить как быстродействующий защитный выключатель, реагирующий на дифференциальный ток в проводниках, подводящих электроэнергию к защищаемой электроустановке.

Основные функциональные блоки УЗО представлены на рис. 12.5.

Рис. 12.5. Принцип действия УЗО

Важнейшим функциональным блоком УЗО является дифференциальный трансформатор тока, рассмотренный выше. В абсолютном большинстве УЗО, производимых и эксплуатируемых в настоящее время во всем мире, в качестве датчика дифференциального тока используется именно трансформатор тока.

Пусковой орган (пороговый элемент) выполняется, как правило, на чувствительных магнитоэлектрических реле прямого действия или электронных компонентах. Исполнительный механизм включает в себя силовую контактную группу с механизмом привода (рис. 12.5).

УЗО предназначено для непрерывной, продолжительной работы. Оно должно отключать защищаемый участок сети при появлении в нем синусоидального переменного или пульсирующего постоянного (в зависимости от модификации) тока утечки, равного отключающему дифференциальному току устройства. УЗО, функционально не зависящее от напряжения питания, не должно срабатывать при снятии и повторном включении напряжения сети. УЗО не должно производить автоматическое повторное включение. УЗО, функционально не зависящее от напряжения питания, не должно зависеть от наличия напряжения в контролируемой сети, должно сохранять работоспособность при обрыве нулевого или фазного проводов. УЗО должно срабатывать при нажатии кнопки ТЕСТ.

Конструкция контрольного эксплуатационного устройства должна исключать возможность попадания сетевого напряжения в цепь, подключенную к выходным выводам УЗО при нажатии кнопки ТЕСТ, когда УЗО находится в разомкнутом состоянии. Это означает, что тестовая цепь должна быть подключена к входному выводу УЗО через контакт, сблокированный с силовой контактной группой.

УЗО защищается от токов короткого замыкания последовательным защитным устройством (ПЗУ): автоматическим выключателем или предохранителем, отвечающими требованиям соответствующих стандартов. При этом номинальный ток ПЗУ не должен превышать номинальный рабочий ток УЗО.

Рассмотрим основные режимы работы УЗО (рис. 12.6).

_{Когда изоляция цела и утечки тока нет, в катушке L1 отсутствует магнитный поток, а на катушке нет ЭДС. Контакты замкнуты, оборудование функционирует нормально}

_{При нарушении изоляции в катушке L1 появляется магнитный поток…}

_{…на катушку К1 поступает ЭДС, контакты размыкаются, автоматически прекращается подача напряжения на оборудование}

Рис 12.6. Три режима работы УЗО

Режим № 1. В нормальном режиме, при отсутствии дифференциального тока — тока утечки, в силовой цепи по проводникам, проходящим сквозь окно магнитопровода трансформатора тока, протекает рабочий ток нагрузки. Проводники, проходящие сквозь окно магнитопровода, образуют встречно включенные первичные обмотки дифференциального трансформатора тока. Если обозначить ток, протекающий по направлению к нагрузке, как I₁, а от нагрузки как I₂, то можно записать равенство: I₁ = I₂.

Равные токи во встречно включенных обмотках наводят в магнитном сердечнике трансформатора тока равные, но векторно встречно направленные магнитные потоки Ф₁ и Ф₂. Результирующий магнитный поток равен нулю, ток во вторичной обмотке дифференциального трансформатора также равен нулю. Пусковой орган находится в этом случае в состоянии покоя.

Режим № 2. При прикосновении человека к открытым токопроводящим частям или к корпусу электроприемника, на который произошел пробой изоляции, по фазному проводнику через УЗО кроме тока нагрузки I₁, протекает дополнительный ток — ток утечки (I_D), являющийся для трансформатора тока дифференциальным (разностным).

Неравенство токов в первичных обмотках (I₁ + I_D в фазном проводнике) и (I₂, равный I₁, в нейтральном проводнике) 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.

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

Режим № 3. Для осуществления периодического контроля исправности (работоспособности) УЗО предусмотрена цепь тестирования. При нажатии кнопки ТЕСТ искусственно создается отключающий дифференциальный ток. Срабатывание УЗО означает, что оно в целом исправно. К УЗО, в силу его особого назначения — защиты жизни и имущества человека, предъявляются чрезвычайно высокие требования по надежности, помехоустойчивости, термической и электродинамической стойкости, материалам и исполнению конструкции. Этими особыми требованиями отчасти объясняется сравнительно высокая стоимость современных УЗО.

На рис. 12.7 показано внутреннее устройство УЗО со вспомогательным источником питания (http://ectusow.ru). Данное УЗО имеет номинальный ток 13 А, отключающий дифференциальный ток 30 мА.

Рис. 12.7. Внутреннее устройство УЗО со вспомогательным источником питания, выполняющим автоматическое отключение при отказе вспомогательного источника

Данное устройство содержит вспомогательный источник питания, выполняющий автоматическое отключение при отказе или обесточивании вспомогательного источника. Это означает, что УЗО может быть включено только при наличии питающего напряжения, при пропадании напряжения ОНО автоматически отключается (такое поведение повышает безопасность устройства).

Фазный и нулевой проводники от источника питания подключаются к контактам (1), нагрузка УЗО подключается к контактам (2). Проводник защитного заземления (РЕ-проводник) к УЗО никак не подключается.

При нажатии кнопки (3) контакты (4) (а также еще один контакт, скрытый за узлом (5)) замыкаются, и УЗО пропускает ток. Соленоид (5) удерживает контакты в замкнутом состоянии после того, как кнопка отпущена.

Катушка (6) на тороидальном сердечнике является вторичной обмоткой дифференциального трансформатора тока, который окружает фазный и нулевой проводники. Проводники проходят сквозь тор, но не имеют электрического контакта с катушкой.

В нормальном состоянии ток, текущий по фазному проводнику, точно равен току, текущему по нулевому проводнику, однако эти токи противоположны по направлению. Таким образом, токи взаимно компенсируют друг друга и в катушке дифференциального трансформатора тока ЭДС отсутствует. Любая утечка тока из защищаемой цепи на заземленные проводники (например, прикосновение человека, стоящего на мокром полу, к фазному проводнику) приводит к нарушению баланса в трансформаторе тока. В итоге через фазный проводник «втекает больше тока», чем возвращается по нулевому (часть тока утекает через тело человека, то есть помимо трансформатора).

Несбалансированный ток в первичной обмотке трансформатора тока приводит к появлению ЭДС во вторичной обмотке. Эта ЭДС сразу же регистрируется следящим устройством (7), которое отключает питание соленоида (5). Отключенный соленоид больше не удерживает контакты (4) в замкнутом состоянии, и они размыкаются под действием силы пружины, обесточивая неисправную нагрузку.

Устройство спроектировано таким образом, что отключение происходит за доли секунды, что значительно снижает тяжесть последствий от поражения электрическим током.

Кнопка проверки (8) позволяет проверить работоспособность устройства путем пропускания небольшого тока через оранжевый тестовый провод (9). Тестовый провод проходит через сердечник трансформатора тока, поэтому ток в тестовом проводе эквивалентен нарушению баланса токонесущих проводников, то есть УЗО должно отключиться при нажатии на кнопку проверки. Если УЗО не отключилось, значит, оно неисправно и должно быть заменено.

Условное графическое изображение УЗО на чертежах и схемах приведено на рис. 12.8 (однофазное), а на рис. 12.9 (трехфазное). Число полюсов при однолинейном представлении можно изображать и числом (вверху) и числом черточек.

Рис. 12.8. Однофазное (2-х полюсное) УЗО с током уставки (срабатывания) 30 мА:

_{а — развернутое изображение; б — однолинейное изображение}

Рис. 12.9. Трехфазное (4-х полюсное) УЗО с током уставки (срабатывания) 100 мА:

_{а — развернутое изображение; б — однолинейное изображение}

Конструкции УЗО различных производителей могут отличаться друг от друга не только параметрами, но и схемами подключения. На рис. 12.10 приведены наиболее распространенные схемы включения УЗО. Кроме того, показано включение УЗО в одно-, двух- и трехфазном вариантах.

Рис. 12.10. Схемы подключения УЗО

При включении УЗО по неполнофазному варианту необходимо обратить внимание на правильность подключения проводников к клеммам устройства — должна быть подключена цепь тестирующего резистора. Схема подключения приведена на лицевой или боковой поверхности корпуса УЗО.

Применение УЗО типа А целесообразно в обоснованных случаях, например, в цепях, содержащих потребители с тиристорным управлением без разделительного трансформатора. УЗО типа В применяют в промышленных электроустановках со смешанным питанием — переменным, выпрямленным и постоянным токами.

Схемы включения современного УЗО и АВДТ представлены на рис. 12.11 и рис. 12.12.

Рис 12.11. Схемы включения УЗО

Рас. 12.12. Схемы подключения АВДТ

Схема подключения УЗО приводится на лицевой или боковой поверхности корпуса УЗО. На рис. 12.13 приведены принципиальные схемы подключения УЗО, для однофазной и трехфазной сетей.

Рис. 12.13. Демонстративные схемы подключения вводного (пожарного) УЗО:

_{а — в однофазном варианте ввода; б — в трехфазном варианте ввода}

Существует класс приборов — УЗО со встроенной защитой от сверхтоков (RCBO), так называемые «комбинированные» УЗО или дифавтоматы (рис. 12.14). Практически все фирмы-производители УЗО имеют в своей производственной программе УЗО со встроенной защитой от сверхтоков.

Рис. 12.14. Устройство дифавтомата

Показательным примером является освещение рекламных щитов, установленных на уличных павильонах остановок общественного транспорта, где питание двух-трех люминесцентных ламп осуществляется через комбинированное УЗО с номинальным рабочим током 6 А и номинальным отключающим дифференциальным током 30 мА.

Конструктивной особенностью дифатоматов является то, что механизм размыкания силовых контактов 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. Применение УЗО со встроенной защитой от сверхтоков, целесообразно лишь в обоснованных случаях, например, для одиночных потребителей электроэнергии.

1. На каждом УЗО должна быть стойкая маркировка с указанием всех или, при малых размерах, части следующих данных.

2. Наименование или торговый знак (марка) изготовителя.

3. Обозначение типа, номера по каталогу или номера серии.

4. Номинальное напряжение U_n.

5. Номинальная частота, если УЗО разработано для частоты, отличной от 50 и (или) 60 Гц.

6. Номинальный ток нагрузки I_n.

7. Номинальный отключающий дифференциальный ток I_Dn.

8. Номинальная наибольшая включающая и отключающая коммутационная способность I_m.

9. Номинальный условный ток короткого замыкания 1пс.

10. Степень защиты (только в случае ее отличия от 1Р20).

11. Символ [S] для устройств типа S, [G] для устройств типа G.

12. Указание, что УЗО функционально зависит от напряжения сети, если это имеет место.

13. Обозначение органа управления контрольным устройством — кнопки ТЕСТ — буквой Т.

14. Схема подключения.

15. Рабочая характеристика: тип АС — символ, тип А — символ.

Маркировка по пп. 2, 3, 5, 6, 8, 10, 12, 14 должна быть расположена так, чтобы быть видимой после монтажа УЗО. Информация об устройстве по пп. 1, 7, 13 может быть нанесена на боковой или задней поверхности устройства, видимых только до установки изделия.

Информация об устройстве по пп. 4, 9, 11, а также значения интеграла Джоуля I²t и пикового тока I_p должны быть приведены в эксплуатационной документации. Выводы, предназначенные исключительно для соединения цепи нулевого рабочего проводника, должны быть обозначены буквой «N». Стандартные значения температуры окружающей среды (-5…+40 °C) могут не указываться. Диапазон температур (-25…+40 °C) обозначается символом.

12.6. Использование УЗО

В настоящее время в нашей стране специалисты ведут активную работу по повышению уровня электробезопасности в электроустановках жилых и общественных зданий. В руководящих документах теперь предписано:

«В жилых и общественных зданиях линии групповой сети, прокладываемые от групповых щитков до штепсельных розеток, должны выполняться трехпроводными (фазный, нулевой рабочий и нулевой защитный проводники). Питание стационарных однофазных электроприемников следует выполнять трехпроводными линиями. При этом нулевой рабочий и нулевой защитный проводники не следует подключать на щитке под один контактный зажим».

Таким образом, сделан первый шаг по внедрению в России для электроустановок жилых и общественных зданий системы заземления TN-C-S.

Так, в ПУЭ (7-е издание) сформулированы требования к выполнению групповых сетей. Во всех зданиях линии групповой сети, прокладываемые от групповых, этажных и квартирных щитков до светильников общего освещения, штепсельных розеток и стационарных электроприемников, должны выполняться трехпроводными (фазный — L, нулевой рабочий — N и нулевой защитный — РЕ проводники). Не допускается объединение нулевых рабочих и нулевых защитных проводников различных групповых линий. Нулевой рабочий и нулевой защитный проводники не допускается подключать под общий контактный зажим.

Выбор сечения проводников следует проводить согласно требованиям соответствующих глав ПУЭ. Однофазные двух- и трехпроводные линии, а также трехфазные четырех и пятипроводные линии при питании однофазных нагрузок, должны иметь сечение нулевых рабочих N проводников, равное сечению фазных проводников.

При срабатывании УЗО необходимо определить вид неисправности в электросети. Порядок действий электрика следующий. Взвести УЗО.

Случай 1. Если УЗО взводится, то это значит, что в электроустановке имела место утечка тока на землю, вызванная нестабильным или кратковременным нарушением изоляции. В этом случае необходимо провести общий контроль состояния изоляции. Проверить работоспособность УЗО нажатием кнопки ТЕСТ.

Случай 2. Если УЗО взводится и мгновенно срабатывает, то это означает, что либо в электроустановке имеет место дефект изоляции какого-либо электроприемника, электропроводки, монтажных проводников электрощита, либо УЗО неисправно. В этом случае необходимо произвести следующие действия.

♦ Отключить все автоматические выключатели групповых цепей, защищаемых УЗО.

♦ Если автоматические выключатели однополюсные или трехполюсные и не размыкают нулевые рабочие проводники, то с учетом того, что утечка тока возможна и с нулевого рабочего проводника, для обнаружения дефектной цепи возможно понадобится выполнить отсоединение всех нулевых рабочих проводников от сборной шины.

♦ Взвести УЗО.

♦ Если УЗО взводится, проверить работоспособность УЗО нажатием кнопки ТЕСТ. Мгновенное отключение УЗО означает, что оно исправно, но в защищаемой цепи имеется утечка тока. Если УЗО не взводится, то это означает, что имеет место неисправность изоляции монтажных проводников электрощита или неисправность УЗО.

♦ Последовательно включать автоматические выключатели.

♦ Если УЗО срабатывает при включении определенного автоматического выключателя, то это означает, что в цепи данного выключателя имеется повреждение изоляции.

♦ Отключить или отсоединить все электроприемники в цепи выключателя, при включении которого сработало УЗО.

♦ Взвести УЗО.

♦ Если УЗО взводится, то это означает, что неисправность изоляции в какомто из электроприемников. Если УЗО не взводится при всех отключенных электроприемниках данной цепи, то это означает, что дефектна изоляция электропроводки.

♦ Последовательно включать каждый электроприемник данной цепи.

♦ УЗО срабатывает при включении определенного электроприемника.

♦ Отключить дефектный электроприемник.

♦ Подключить все электроприемники (кроме дефектного), взвести УЗО, убедиться, что УЗО не срабатывает. Проверить работоспособность УЗО нажатием кнопки ТЕСТ.

Алгоритм поиска неисправностей представлен на рис. 12.15.

Рис. 12.15. Алгоритм поиска неисправностей в электросети при срабатывании УЗО

Естественно прогресс не стоит на месте, и давно появились комплексные аппараты защиты, сочетающие в себе и УЗО, и автоматический выключатель. Автоматический Выключатель Дифференциального Тока — АВДТ. Это устройство вытесняет УЗО, так как, полностью обладая его свойствами, оно также выполняет все функции по ограйичению сверхтоков.

Спор профессионалов и самоучек о том, что лучше — связка из автоматического выключателя и устройства защитного отключения или АВДТ (где в одном корпусе совмещены функции обоих устройств) еще не окончены.

Также существенен процесс подбора номиналов для связки ВА + УЗО. Некоторые используют проектную документацию, а другие берут то, что есть под рукой. АВДТ собирается в заводских условиях, с применением контактной сварки, и устройство проверяется на стенде уже целиком. Со всех сторон АВДТ выигрывает при сравнении, к сожалению, и при сравнении цены — тоже. Особенно если в распределительном щитке реализована схема, когда после одного УЗО установлено сразу несколько автоматических выключателей на расходящиеся линии.

Это не всегда удобно для обслуживания, но значительно снижает затраты на электромонтажные работы.

АВДТ — многофункциональное защитное устройство. В качестве примера можно подробно рассмотреть весь функционал выполняемый устройством АВДТ-63 компании EKF.

Защита от токов перегрузки. Биметаллическая пластина реагирует на ток, превышающий номинальный, нагревается и отключает линию.

Защита от токов короткого замыкания. Катушка магнитного расцепителя мгновенно срабатывает при сверхтоках и отключает линию.

Защита от токов утечки. Встроенный блок УЗО анализирует протекающие токи и при превышении порогового значения утекающих «на сторону» токов — происходит отключение линии.

Защита от повышенного напряжения. В случае превышении входного напряжения выше 270 В — срабатывает расцепитель максимального напряжения, интегрированный в корпус АВДТ. Эта защита необходима для защиты электронной начинки аппарата. Высокое напряжение может вывести из строя элементы электронного УЗО. Происходит отключение линии и вместе с защитой начинки АВДТ происходит защита и всего оборудования, которое питалось по ней.

Защита от высоковольтных импульсных помех. Для нормальной работы блока защиты в нем установлен ВАРИСТОР. Его назначение — улучшение качества питающего напряжения. Варистор поглощает высоковольтные импульсные помехи, техногенного или природного характера. При этом отключение линии не происходит. В фильтрах сетевого напряжения, например, как предназначенных для подключения персональных компьютеров — установлены точно такие же варисторы. Как итог — качество питающего напряжения по защищаемой линии значительно улучшается.

12.7. Применение УЗО

УЗО разрабатывалось для защиты человека, и в поставленной задаче было четкое условие — защита от поражения в сетях переменного тока. Именно поэтому все первые разработки защитных устройств реагировали только на переменный ток утечки. На сегодняшний момент ситуация кардинально изменилась. Кроме защиты от привычного для нас переменного напряжения в бытовой сети, появилась необходимость в защите и от импульсного постоянного напряжения.

Это связано с изменением применяемой в быту техники. Практически все современные бытовые электроприборы содержат в себе импульсные блоки питания. Повреждения этих блоков, зачастую, приводят к появлению высокого напряжения на корпусах неисправных приборов. Импульсы выпрямленного напряжения представляют большую опасность для находящихся рядом людей. Именно поэтому в ассортименте защитных отключающих устройств появились устройства типа «А».

УЗО типа «АС» — реагируют на переменный ток утечки, типа «А» — на переменный и пульсирующий постоянный ток.

Электронные УЗО — в промышленных и административных помещениях, торговых павильонах и любых других местах, находящихся под обслуживанием квалифицированного персонала.

Электромеханические УЗО — нет ограничений по применению.

УЗО типа АС — устанавливается для защиты при неисправной или ветхой электропроводке.

УЗО типа А — обязательная установка для защиты в случае применения медицинского оборудования, сварочных аппаратов, вычислительных устройств.

При монтаже и эксплуатации УЗО или АВДТ иногда возникают вопросы и сложности. Это связано, в основном, с невысокой квалификацией работников и ветхостью старой электропроводки. Если со старой, в основном алюминиевой проводкой — все просто — менять без вариантов, то в остальных случаях все сложнее.