Устройства защитного отключения (УЗО)

Устройства защитного отключения (УЗО) является одним из  самых востребованных устройств, применяемым как строительными корпорациями, так и частными пользователи. Но как убедиться в правильности выбора УЗО? Надеюсь данная статья позволит Вам легче ориентироваться в насыщенном разнообразными моделями рынке УЗО.

Устройство защитного отключения. Основы.

Устройства защитного отключения (УЗО) или, иначе, устройства дифференциальной защиты, предназначены для защиты людей от поражения электрическим током при неисправностях электрооборудования или при контакте с находящимися под напряжением частями электроустановки, а также для предотвращения возгораний и пожаров, вызванных токами утечки и замыкания на землю. Эти функции не свойственны обычным автоматическим выключателям, реагирующим лишь на перегрузку или короткое замыкание.

Чем обусловлена противопожарная востребованность этих устройств?

Если верить статистике, то причиной около 40% всех происходящих пожаров является “замыкание электропроводки”.

Во многих случаях за общей фразой “замыкание электропроводки” зачастую кроются утечки электрического тока, которые возникают вследствие старения либо повреждения изоляции. При этом сила тока утечки может достигать 500мА. Опытным путем установлено, что при протекании тока утечки именно такой силы (а что такое полампера? Ни тепловой, ни электромагнитный расцепитель на ток такой силы попросту не реагируют – хотя бы по той причине, что они для этого и не предназначены) в течение максимум получаса через влажные опилки происходит их самопроизвольное воспламенение. (И относится это не только к опилкам, но и вообще к любой пыли.)

А как устройства дифзащиты защищают нас с Вами от ударов электротока?

В случае прикосновения человека к токоведущей части через его тело потечет ток, величина которого представляет собой частное от деления величины фазного напряжения (220 В) на сумму сопротивлений проводов, заземления и собственно человеческого тела:  Iчел =Uф/(Rпр +Rз + Rчел). При этом сопротивлениями заземления и проводки по сравнению с сопротивлением человеческого тела можно пренебречь, последнее же принять равным 1000 Ом. Следовательно, величина тока, о котором идет речь, составит 0,22 А, или 220 мА.

Из нормативно-справочной литературы по охране труда и технике безопасности известно, что минимальный ток, протекание которого уже ощущается человеческим организмом, составляет 5 мА. Следующей нормируемой величиной является так называемый ток неотпускания, равный 10 мА. При протекании через человеческое тело тока такой силы происходит самопроизвольное сокращение мышц. Электроток силой 30 мА уже может вызвать паралич дыхания. Необратимые процессы, связанные с кровотечениями и сердечной аритмией, начинаются в организме человека после протекания через его тело тока силой 50 мА. Летальный же исход возможен при воздействии тока силой 100 мА. Очевидно, что защищаться следует уже от тока, равного 10 мА.

Итак, своевременное реагирование автоматики на ток менее 500 мА защищает объект от возгорания, а на ток менее 10 мА – защищает человека от последствий случайного прикосновения к токоведущим частям.

Также известно, что за токоведущую часть, находящуюся под напряжением 220 В, можно спокойно держаться в течение 0,17 с. Если же токоведущая часть находится под напряжением 380 В, время безопасного касания сокращается до 0,08 с.

Проблема состоит в том, что такой небольшой ток, да еще за ничтожно короткое время, обычные защитные устройства зафиксировать (и, разумеется, отключить) не в состоянии.

Поэтому и родилось такое техническое решение, как ферромагнитный сердечник с тремя обмотками: - “токоподводящей”, “токоотводящей”, “управляющей”. Ток, соответствующий подаваемому на нагрузку фазному напряжению, и ток, отходящий от нагрузки в нейтральный проводник, наводят в сердечнике магнитные потоки противоположных знаков. Если никаких утечек в нагрузке и защищаемом участке проводки нет, суммарный поток будет нулевым. В противном же случае (касание, повреждение изоляции и пр.) сумма двух потоков становится отличной от нуля. Возникающий в сердечнике поток наводит электродвижущую силу в обмотке управления. К обмотке управления через прецизионное устройство фильтрования всевозможных помех подключено реле. Под воздействием возникающей в обмотке управления ЭДС реле разрывает цепи фазы и нуля.

Во многих странах применение УЗО в электроустановках регламентируется нормами и стандартами. Так, например, в Российской Федерации - принятыми в 1994-96 гг. ГОСТ Р 50571.3-94, ГОСТ Р 50807-95 и др. Согласно ГОСТ Р 50669-94 УЗО устанавливается в обязательном порядке в питающей электросети мобильных зданий из металла или с металлическим каркасом для уличной торговли и бытового обслуживания населения. В последние годы администрацией крупных городов в соответствии с государственными стандартами и рекомендациями Главгосэнергонадзора приняты решения об оснащении этими устройствами фонда жилых и общественных зданий (в Москве – Распоряжение Правительства Москвы №868-РП от 20.05.94 г.).

УЗО бывают разные….трехфазные и однофазные…

Но на этом деление УЗО на подклассы не завершается…

В настоящий момент на Российском рынке присутствуют 2 принципиально различающиеся категории УЗО.

1. Электромеханические(независящие от сети).
2. Электронные(зависящие от сети).

Рассмотрим по отдельности принцип действия каждой из категорий:

Электромеханические УЗО.

Родоначальники УЗО – электромеханические. В основе принцип точной механики т.е. заглянув внутрь такого УЗО вы не увидите компараторов операционных усилителей, логики и тому подобного.

Состоит из нескольких основных компонентов:

Так называемый трансформатор тока нулевой последовательности, его цель отследить ток утечки и передать его с неким Ктр на вторичную обмотку(I2), Iут=I2*Ктр(весьма идеализированная формула, однако отражающая суть процесса).

Чувствительный магнитоэлектрический элемент (запираемый т.е. при срабатывании без внешнего вмешательства не может вернуться в исходное состояние – защелка) – играет роль порогового элемента.

Реле – обеспечивает расцепление  в случае если сработала защелка.

Рис.1. Принцип построения электромеханических УЗО.

Данный тип УЗО требует высокоточной механики для чувствительного магнитоэлектрического элемента (2). В настоящий момент всего несколько мировых компаний продают электромеханические УЗО. Их стоимость значительно выше цены на электронные УЗО.

Почему же в большинстве стран мира получили распространение именно электромеханические УЗО? Все очень просто – данный тип УЗО сработает в случае обнаружения тока утечки при любом уровне напряжения в сети т.к. как видно из Рис.1. сетевое напряжение никак не влияет на формирование тока I2, уровень которого и является определяющим при определении момента срабатывания  магнитоэлектрического элемента (2). Если для Вас это не очевидно, то далее мы подробнее рассмотрим принцип формирования тока I2.

Почему этот фактор(независимость от уровня напряжения сети) столь важен?

Это вызвано тем что при использовании работоспособного(исправного) электромеханического УЗО мы гарантируем в 100% случаях срабатывание реле и соответственно отключение подачи энергии потребителю.

В электронных УЗО этот параметр тоже велик, но не равен 100%(как будет показано далее это связанно с тем что при определенном уровне напряжения сети схема электронного УЗО окажется не работоспособной), а в нашем случае каждый процент – это возможно человеческие жизни (будь то прямая угроза жизни человека при касании им проводов, либо косвенная, при возникновении пожара от обгорания изоляции). В большинстве так называемых “развитых” стран электромеханические УЗО – это эталон и устройство обязательное к повсеместному использованию. В нашей стране постепенно идут подвижки в сторону обязательного использования УЗО, однако потребителю в большинстве случаев не дается информации о типе УЗО, что влечет за собой использование дешевых электронных УЗО.

Электронные УЗО.

Такими УЗО наводнен любой строительный рынок. Стоимость на электронные УЗО местами ниже чем на электромеханические до 10 раз.

Недостаток таких УЗО, как уже писалось выше, не 100% гарантия при исправном УЗО получить его срабатывание в следствии появления тока утечки. Достоинство – дешевизна и доступность.

В принципе электронное УЗО строится по той же схеме, что и электромеханическое (Рис.1). Разница заключается в том, что место чувствительного магнитоэлектрического элемента  занимает элемент сравнения (компаратор, стабилитрон). Для работоспособности такой схемы понадобится выпрямитель, небольшой фильтр,(возможно даже КРЕН). Т.к. трансформатор тока  нулевой последовательности – понижающий (в десятки раз), то также необходима цепочка усиления сигнала, которая кроме полезного сигнала также будет усиливать помеху(или сигнал небаланса присутствующий при нулевом токе утечки). Из вышесказанного очевидно, что момент срабатывании реле, в данном типе УЗО, определяется не только током утечки, но и сетевым напряжением.

Если Вы не можете позволить себе электромеханическое УЗО, то брать электронное УЗО все же стоит, т.к. оно обеспечивает срабатывание в большинстве случаев.

Существуют также случаи, когда покупать дорогое электромеханическое УЗО не имеет смысла. Одним из таких случаев является использование при питании квартиры/дома стабилизатора, либо источника бесперебойного питания (ИБП). В этом случае брать электромеханическое УЗО смысла не имеет.

Сразу отмечу, что я веду речь о категориях УЗО их плюсах и минусах, а не о конкретных моделях т.к. Вы можете купить некачественно УЗО как электромеханического так и электронного типов. При покупке спрашивайте сертификат соответствия, т.к. многие электронные УЗО представленные на нашем рынке не сертифицированы.

Трансформатор тока нулевой последовательности (ТТНП).

Обычно представляет собой ферритовое кольцо через которое(внутри) проходят фазный и нулевой провод, они играют роль первичной обмотки. По поверхности кольца равномерно наматывается вторичная обмотка.

В идеале:

Пусть ток утечки равен нулю. Протекающий по фазному проводу ток создает магнитное поле равное, по модулю, магнитному полю, создаваемому током протекающим по нулевому проводу, и обратное по направлению. Таким образом, суммарный поток сцепления равен нулю и ток наводящийся во вторичной обмотке равен нулю.

В момент протекания тока утечки в проводах(ноль, фаза) появляется неравенство тока, как результат возникновение потока сцепления и наводка на вторичную обмотку тока, пропорционального току утечки.

На практике существует ток небаланса, который протекает по вторичной обмотке и определяется используемым трансформатором. Требование к ТТНП следующие: ток небаланса должен быть значительно меньше тока утечки, приведенного ко вторичной обмотке (это касается как электронных, так и электромеханических УЗО).

Выбор УЗО.

Допустим Вы определились с типом УЗО (электромеханическое, электронное). Но что же выбрать из огромного перечня предлагаемой продукции?

Выбрать УЗО с достаточной точностью можно использовав два параметра:

Номинальный ток и ток утечки(ток срабатывания).

Номинальный ток – это тот максимальный ток, который будет протекать по вашему фазному проводу. Найти этот ток легко зная максимальную потребляемую мощность. Просто поделите потребляемою мощность для худшего случая(максимальная мощность при минимальном Cos(φ)) на фазное напряжение. Не имеет смысл ставить УЗО на ток больший, чем номинальный ток автомата стоящего перед УЗО. В идеале, с запасом, берем УЗО на номинальный ток равный номинальному току автомата.

Часто встречаются УЗО с номинальными токами 10,16,25,40 (А).

Ток утечки(ток срабатывания) – обычно 10мА если УЗО ставиться в квартиру/дом для защиты жизни человека, а 100-300мА на предприятие для предотвращения пожаров, при обгорании проводов.

Существуют и другие параметры УЗО, но они являются специфичными и не интересны простым потребителям.

Вывод.

В данной статье были рассмотрены основы понимания принципов УЗО, а также методы построения различных типов устройств защитного отключения. Как электромеханические так и электронные УЗО, безусловно, имеют право на существование т.к. имеет свои выразительные достоинства и недостатки.

Автор: Ефимов А.С.