Представьте следующее – у Вас в ванной комнате установлена стиральная машина. Какой бы это не был известный бренд, поломке подвержены устройства любого производителя, и, допустим, происходит самое банальное – повреждается изоляция на сетевом шнуре и на корпусе машины оказывается потенциал сети. Причём это даже не поломка, машина продолжает работать, но уже становится источником повышенной опасности. Ведь если дотронутся одновременно и до корпуса машины и до водопроводной трубы, мы через себя замкнём электрическую цепь. И в большинстве случаев это закончится смертельным исходом.

Что бы избежать этих страшных последствий и были придуманы УЗО – устройства защитного отключения.

УЗО - это быстродействующий защитный выключатель, реагирующий на дифференциальный ток в проводниках, подводящих электроэнергию к защищаемой электроустановке – так звучит «официальное» определение. Говоря более понятным языком, устройство отключит потребителя от питающей сети, если произойдёт утечка тока на заземляющий проводник РЕ («землю»).

Давайте рассмотрим принцип работы УЗО. Для большей наглядности на рисунке показана его  «внутренняя» принципиальная схема:

 

Основным узлом УЗО является дифференциальный трансформатор тока. По другому его называют трансформатор тока нулевой последовательности. Что бы нам было проще и не запутаться в терминах, назовём это узел просто трансформатор тока.

Как видно из рисунка, в данном случае он имеет три обмотки. Первичная и вторичная обмотки включены в фазный и нулевой провод соответственно, а третья обмотка – к пусковому органу, который выполняется на чувствительных реле или электронных компонентах. В зависимости от этого различают электромеханические и электронные УЗО.  

Пусковой органсвязан с исполнительным управляющим устройством, который включает в себя силовую контактную группу с механизмом привода. Тестовая кнопка служит для проверки и контроля исправности УЗО. Сейчас представьте, что к выходу нашей схемы подключили нагрузку. Естественно, в цепи сразу возникнет ток, который будет протекать через обмотки I и II. Для дальнейшего рассмотрения принципа работы УЗО перейдём к более наглядной схеме:

В нормальном режиме, при отсутствии тока утечки, в цепи по проводникам, проходящим сквозь окно магнитопровода трансформатора тока протекает рабочий ток нагрузки. Именно эти проводники образуют встречно включенные первичную и вторичную обмотки трансформатора тока. Данные токи будут равны по величине и противоположны по направлению: I1 = I2. Они наводят в магнитном сердечнике трансформатора тока равные, но встречно направленные магнитные потоки Ф1 и Ф2. Получается, что результирующий магнитный поток равен нулю, ток в третьей (исполнительной) обмотке дифференциального трансформатора также равен нулю и пусковой орган 2 находится в этом случае в состоянии покоя и УЗО функционирует в нормальном режиме.  

При прикосновении человека к открытым токопроводящим частям или к корпусу электроустройства, на который произошел пробой изоляции по фазной (первичной) обмотке трансформатора тока кроме тока нагрузки I1 протекает дополнительный ток - ток утечки (на схеме обозначен IΔ), являющийся для трансформатора тока дифференциальным (разностным: I1-I2= IΔ).

Получается, что токи у нас неравны, следовательно, неравны и магнитные потоки, которые уже не компенсируют друг друга. Из-за этого в третьей обмотке возникает ток. Если этот ток превышает установленное значение, то срабатывает пусковой орган, воздействует на исполнительный механизм 3.

Исполнительный механизм, состоящий из пружинного привода, спускового механизма и группы силовых контактов, размыкает электрическую цепь, в результате чего установка отключается от сети. Для осуществления периодического контроля исправности (работоспособности) УЗО предусмотрена кнопка тестирования 4. Она включена последовательно с резистором. Номинал резистора подобран таким образом, что бы разностный ток был равен паспортному току утечки срабатывания УЗО (о параметрах УЗО поговорим позже). Если при нажатии на эту кнопку УЗО срабатывает, значит, оно исправно. Как правило, это кнопка обозначается «TEST».

Трёхфазные устройства защитного отключения работают примерно по такому же принципу, как и однофазные. В трехфазных УЗО через окно сердечника проходят четыре провода - три фазных и нулевой. Принципиальная электрическая схема простейшего трехфазного УЗО приведена на рисунке:

 

Трёхфазное УЗО включает в себя выключатель 1, которым управляет элемент 2, получающий сигнал на отключение с вторичной обмотки 3 трансформатора тока 4, сквозь окно которого проходят нулевой рабочий провод N и фазные провода L1, L2 и L3 (5).

При равенстве нагрузки в нулевом и фазном (или в трех фазных) проводах их геометрическая сумма равна нулю (ток в фазном проводе однофазного УЗО течет в одном направлении, а ток в нулевом проводе точно такого же значения течет в противоположном направлении). Поэтому тока во вторичной обмотке трансформатора тока нет.

При утечке тока на заземленный корпус электроприемника, а также при случайном прикосновении стоящего на земле или на токопроводящем полу человека к фазному проводу электрической сети, равенство токов в первичной обмотке трансформатора тока нарушится, поскольку по фазному проводу, помимо тока нагрузки, будет проходить ток утечки, и в его вторичной обмотке появится ток – точно так, как и рассматриваемом выше описании работы однофазного УЗО. Протекающий во вторичной обмотке трансформатора ток воздействует на управляющий элемент 2, который через выключатель 1 отключает потребителя от питающей сети. Внешний вид трёхфазного УЗО показан на рисунке:

Рассмотрим практические схемы включения УЗО в распределительных щитах.
Схема включения УЗО при однофазном вводе. Здесь применена схема включения с разделённой нулевой (N) и «земляной» (РЕ) шинами. Как Вы видите на рисунке, УЗО (5) установлено после вводного автоматического выключателя, а после него установлены автоматические выключатели для защиты и коммутации отдельных шлейфов. Забегая вперёд, хочу отметить, что наличие связки автомат – УЗО обязательно, так как УЗО не обеспечивает токовую защиту, как тепловую, так и от коротких замыканий. Вместо этой «комбинации» - автомат – УЗО, можно использовать одно универсальное устройство. Впрочем, об этом немного позже. 

Схема включения УЗО при трёхфазном вводе. В отличие от предыдущей схемы здесь обеспечивается защита как однофазных, так и трёхфазных потребителей. Кроме того, используется совмещение по вводу нулевой и «земляной» шин (PEN). Прибор учёта электроэнергии – электросчётчик – включен между вводным автоматом и УЗО. Как Вы помните из обзоров по схемам учёта, все коммутационные аппараты, которые установлены до прибора учёта в обязательном порядке подлежат пломбировке энергоснабжающей организацией. Следовательно, конструкция вводного автоматического выключателя должна предусматривать эту возможность. 

До этого мы говорили только об электромеханических УЗО. Но если Вы помните, я упоминал о том, что иногда встречаются электронные устройства. В принципе, электронное УЗО строится по той же схеме, что и электромеханическое.

Вместо чувствительного магнитоэлектрического элемента используют устройство сравнения (например, самый распространенный пример - компаратор). Для такой схемы нужен свой встроенный блок питания – ведь нужно чем-то питать электронную схему.

Разностный ток имеет очень малую величину, следовательно, его нужно усиливать и преобразовывать в уровень напряжения, которое подается на устройство сравнения – компаратор. Всё это, конечно, понижает общую надёжность устройства, по сравнению с электромеханическим, здесь как раз тот случай – чем проще, тем лучше. Да и честно говоря, мне пока вообще не попадались сертифицированные электронные УЗО. Следовательно, сказать что-то хорошее или плохое про них я не могу. Поэтому, оставим в стороне электронные УЗО и остановимся на одном из главных моментов в рассмотрении электромеханических устройств защитного отключения – их параметров:

УЗО имеют следующие основные параметры:

тип сети – однофазная (трёхпроводная) или трехфазная (пятипроводная)

номинальное напряжение -220/230 – 380/400 В

номинальный току нагрузки – 16, 20, 25, 32, 40, 63, 80, 100 А

номинальный отключающий дифференциальный ток – 10, 30, 100, 300 мА

тип дифференциального тока – AC (переменный синусоидальный ток, возникший внезапно либо медленно нарастающий), A (как и AC, дополнительно - выпрямленный пульсирующий ток), B (переменный и постоянный), S (задержка времени срабатывания, селективное), G (как и селективное, только время задержки меньше).

Хочу отметить один важный момент, касающийся параметров УЗО. Многих вводит в заблуждение номинальный ток нагрузки, нанесённый на корпусе устройства, и его принимают за такой же параметр, как и в автоматическом выключателе. Однако этот параметр в УЗО характеризует только его «пропускную токовую способность», может этот выражение и не совсем корректное, но я его ввёл для доступности понятия термина «номинальный ток нагрузки УЗО».

Ток нагрузки УЗО ограничить не в состоянии и его необходимо защищать от токовых перегрузок и токов короткого замыкания автоматическими выключателями, которые как раз и обеспечивают защиту и от перегрузки по току, и от токов короткого замыкания. Ток нагрузки УЗО следует выбирать так, чтобы он был на ступень (номинального ряда токов) больше номинала тока автоматического выключателя защищаемой линии. То есть, если имеется нагрузка, защищенная автоматическим выключателем на ток 16 Ампер, то УЗО следует выбирать на ток нагрузки 25 Ампер.

Здесь возникает логичный вопрос – а почему бы не объединить в одном корпусе и автоматический выключатель и УЗО, особенно в случае, когда УЗО задействовано на защиту только одного силового шлейфа? Ведь в этом случае они всё равно работают «в паре». Этот момент был немного затронут в предыдущей статье. Что ж, вопрос вполне закономерный и такие устройства, конечно, существуют. Называются они дифференциальные автоматические выключатели или просто диффавтоматы.

На рисунке Вы как раз видите такое устройство. Здесь изображён трёхфазный дифференциальный автомат. Как и в трёхфазном УЗО, он имеет по четыре зажима – фазные и нулевой и кнопку «TEST». Если останавливается на его внутреннем устройстве, то что-то новое здесь сказать сложно. Это автоматический выключатель и УЗО в «одном флаконе».

Стоимость диффавтоматов довольно высокая. Например, трёхфазные модели известных зарубежных производителей имеют стоимость порядка 100 Евро. Относительно дорогое удовольствие. Однако связка АВ+УЗО будет иметь примерно сопоставимую стоимость, да и вместо четырёх стандартных 17,5 мм модулей на DIN-рейке(при трёхфазном варианте ), займет восемь. Так что в некоторых случаях диффавтоматы всё же предпочтительнее, особенно если в распределительном щитке имеется проблема наличия свободного места.

Как проверить работоспособность УЗО или диффавтомата? Про кнопку «TEST» мы уже упоминали. Однако такая проверка является очень поверхностной и не всегда отражает реальную суть вещей. Поэтому для объективной проверки применяют тестовые схемы или специализированные приборы.

---