Защитное отключение
Согласно классификации по ГОСТ Р МЭК 61140-2000 защитное отключение относится к категории мер защиты «Защита с помощью автоматического отключения источника питания» и осуществляет защиту человека от поражения в условиях неисправности электроустановки – при повреждении или пробое изоляции на корпус.
Можно дать следующее определение з а щ и т н о г о о т к л ю ч е н и я: это быстродействующая защита, обеспечивающая автоматическое отключение электроустановки при возникновении в ней опасности поражения человека электротоком. Такая опасность может возникнуть, в частности, при замыкании фазы на корпус, снижении сопротивления изоляции ниже определенного предела, а также в случае прикосновения человека непосредственно к токоведущим частям, находящимся под напряжением.
О б л а с т ь п р и м е н е н и я устройств защитного отключения практически не ограничена – сети любого напряжения с любым режимом нейтрали. Тем не менее наибольшее распространение УЗО получили в сетях напряжением до 1 кВ.
О с н о в н ы м и э л е м е н т а м и устройства защитного отключения (УЗО) являются прибор защитного отключения и исполнительный орган – автоматический выключатель.
Прибор защитного отключения – совокупность отдельных элементов, которые воспринимают входную величину, реагируют на ее изменения и при заданном ее значении дают сигнал на отключение выключателя. Этими элементами являются следующие:
датчик – входное звено устройства, воспринимающее воздействие извне и осуществляющее преобразование этого воздействия (т.е. входной величины) в соответствующий сигнал;
усилитель, предназначенный для усиления сигнала датчика, если он оказывается недостаточно мощным;
цепи контроля, служащие для периодической проверки исправности защитного отключения;
вспомогательные элементы – сигнальные лампы и измерительные приборы (например омметр), характеризующие состояние электроустановки.
Исполнительный орган – автоматический выключатель, обеспечивающий отключение соответствующего участка электроустановки (электрической сети) при получении сигнала от прибора защитного отключения.
О с н о в н ы е т р е б о в а н и я, которым должны удовлетворять УЗО, следующие:
высокая чувствительность;
малое время отключения;
селективность действия;
способность осуществлять самоконтроль исправности;
достаточная надежность.
В о с н о в е д е й с т в и я защитного отключения как электрозащитного средства лежит принцип ограничения (за счет быстрого отключения) продолжительности протекания тока через тело человека при непреднамеренном прикосновении его к элементам электроустановки, находящимся под напряжением.
В ГОСТ 12.1.038-82 (с изменениями от 01.07.88) приведены предельнодопустимые значения тока Ihg, проходящего через тело человека, в зависимости от времени воздействия t .
Предельнодопустимые значения переменного тока частотой 50 Гц, проходящего через тело человека, в аварийном режиме бытовых электроустановок не должны превышать указанных в табл. 9.2.
Таблица 9.2
| t, c | 0,01-0,08 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | Свыше 1,0 |
| Ihg, mA |
Предельно допустимые значения токов, проходящих через тело человека, в аварийном режиме производственных электроустановок не должны превышать указанных в табл. 9.3.
Таблица 9.3
| t, c | 0,01-0,08 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | Свыше 1,0 |
| Переменный ток частотой 50 Гц | ||||||||||||
| Ihg, mA | ||||||||||||
| Выпрямленный однополупериодный ток (амплитудное значение) | ||||||||||||
| Ihg, mA | - | |||||||||||
| Выпрямленный двухполупериодный ток (амплитудное значение) | ||||||||||||
| Ihg, mA | - |
Из всех известных электрозащитных средств УЗО является единственным, обеспечивающим защиту человека от поражения электрическим током при прямом прикосновении к одной из токоведущих частей.
Другим не менее важным свойством УЗО является его способность осуществлять защиту от возгораний и пожаров, возникающих на объектах вследствие возможных повреждений изоляции, неисправностей электропроводки и электрооборудования.
Существуют различные типы УЗО в зависимости от принятых для них входных величин:
УЗО, реагирующее на потенциал корпуса относительно земли;
УЗО, реагирующее на ток замыкания на землю;
УЗО, реагирующее на напряжение нулевой последовательности;
УЗО, реагирующее на оперативный ток;
УЗО, реагирующее на дифференциальный ток и т.д.
Наиболее широкое распространение в России и за рубежом получил последний тип УЗО, реагирующий на дифференциальный ток. Он и будет рассмотрен далее.
Функционально этот тип УЗО можно определить как быстродействующий защитный выключатель, реагирующий на дифференциальный ток в проводниках, подводящих электроэнергию к защищаемой электроустановке.
П р и н ц и п д е й с т в и я УЗО дифференциального типа основан на применении электромагнитного векторного сумматора токов – дифференциального трансформатора тока.
Сравнение текущих значений двух и более (в четырехполюсных УЗО – четырех) токов по амплитуде и фазе эффективно, т.е. с минимальной погрешностью, осуществляется электромагнитным путем – с помощью дифференциального трансформатора тока (рис.9.17).
Р и с. 9.17. Дифференциальный трансформатор тока
Суммарный магнитный поток в сердечнике 
, пропорциональный разности токов в проводниках, являющихся первичными обмотками трансформатора, 
и 
, наводит во вторичной обмотке трансформатора тока соответствующую ЭДС (электродвижущую силу), под действием которой в цепи вторичной обмотки протекает ток 
, также пропорциональный разности первичных токов.
Основные ф у н к ц и о н а л ь н ы е б л о к и У З О представлены на рис. 9.18.
Р и с. 9.18. УЗО, реагирующее на дифференциальный ток
Важнейшим функциональным блоком УЗО является дифференциальный трансформатор тока 1. Пусковой орган (пороговый элемент) 2 выполняется, как правило, на чувствительных магнитоэлектрических реле прямого действия или электронных компонентах. Исполнительный механизм 3 включает в себя силовую контактную группу с механизмом привода.
В нормальном режиме, при отсутствии дифференциального тока 
- тока утечки, в силовой цепи по проводникам, проходящим сквозь окно магнитопровода трансформатора тока 1, 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 (Rн), как 
, а от нагрузки - как 
, то можно записать равенство
.
Равные токи во встречно включенных обмотках наводят в магнитном сердечнике трансформатора тока равные, но векторно встречно направленные магнитные потоки 
и 
.
Результирующий магнитный поток равен нулю, ток во вторичной обмотке дифференциального трансформатора также равен нулю.
Пусковой орган 2 находится в этом случае в состоянии покоя.
При прикосновении человека (Rh – сопротивление тела человека) к неизолированным токопроводящим частям или к корпусу электроприемника (Э), 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 (+ в фазном проводнике и , равный , в нулевом рабочем проводнике) вызывает небаланс магнитных потоков и, как следствие, возникновение во вторичной обмотке трансформированного дифференциального тока.
Если этот ток превышает значение уставки порогового элемента пускового органа 2, последний срабатывает и воздействует на исполнительный механизм 3.
Исполнительный механизм, 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 4.
При нажатии кнопки «Тест» искусственно создается отключающий дифференциальный ток. Срабатывание УЗО означает, что оно в целом исправно.