//Электрика. – 2010. – № 2.– С. 33–36.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ УСТРОЙСТВ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ТОКА
Ю. В. Харечко
канд. техн. наук, доцент, член группы поддержки 1 "Термины и определения" технического комитета 64 "Электрические установки и защита от поражения электрическим током" МЭК
В электроустановках зданий для защиты от поражения электрическим током широко применяют различные устройства дифференциального тока[1] (УДТ) бытового назначения, которые соответствуют требованиям ГОСТ Р 51326.1 [2] и ГОСТ Р 51327.1 [3], и УДТ, соответствующие требованиям ГОСТ Р 50030.2 [4] и ГОСТ Р 50030.1 [5]. Они предназначены для монтажа в низковольтные распределительные устройства. В электроустановках зданий используют также переносные устройства дифференциального тока бытового назначения, которые соответствуют требованиям ГОСТ Р 51328 [6].
Все перечисленные защитные устройства имеют один и тот же принцип действия, в соответствии с которым любое УДТ выполняет следующие три операции:
обнаружение дифференциального тока в своей главной цепи, который появляется при повреждении основной изоляции какой-либо опасной токоведущей части, входящей в состав защищаемых им электрических цепей, и её замыкании на землю;
сравнение дифференциального тока со значением дифференциального тока срабатывания;
отключение защищаемых им электрических цепей в том случае, когда дифференциальный ток в главной цепи превосходит значение дифференциального тока срабатывания или равен ему.
Основным фактором, воздействующим на устройство дифференциального тока и управляющим его оперированием, является дифференциальный ток ID, который представляет собой действующее значение векторной суммы электрических токов, протекающих в главной цепи УДТ[2].
Термин "дифференциальный ток", использованный в национальных стандартах, нельзя признать удачным. Более точно на принцип работы УДТ в качестве защитного устройства указывает его англоязычный аналог – термин "residual current", который можно перевести на русский язык как "разностный ток". Этот термин предполагает выполнение устройством дифференциального тока специальной функции по вычислению разностного тока.
Устройство дифференциального тока с помощью встроенного в него дифференциального (суммирующего) трансформатора определяет сумму электрических токов, протекающих в проводниках своей главной цепи (т. е. дифференциальный ток) и разрывает эту цепь, если сумма этих токов превышает заданное значение (отключающий дифференциальный ток) или равна ему.
Для пояснения принципа функционирования дифференциального трансформатора УДТ воспользуемся информацией, приведённой на рис. 1. Дифференциальный трансформатор двухполюсного устройства дифференциального тока имеет две первичные обмотки, выполненные двумя проводниками главной цепи УДТ, и одну вторичную обмотку, к которой подключён расцепитель дифференциального тока[3].
Рис. 1. Функционирование дифференциального трансформатора УДТ
Рассмотрим нормальный режим электрической цепи, при котором отсутствуют какие-либо повреждения основной изоляции опасных токоведущих частей и нет замыкания на землю.
В обоих проводниках главной цепи устройства дифференциального тока протекают электрические токи, равные по своему абсолютному значению току нагрузки Iн.
Электрические токи I1 и I2, протекающие в первичных обмотках дифференциального трансформатора, направлены навстречу друг другу и равны между собой по абсолютному значению: ôI1ô = ôI2ô.
Поэтому векторная сумма указанных электрических токов равна нулю:
ID = ôI1 – I2ô = 0.
Магнитные потоки Ф1 и Ф2, создаваемые электрическими токами I1 и I2 в сердечнике дифференциального трансформатора, также направлены навстречу друг другу и равны между собой по абсолютному значению: ôФ1ô = ôФ2ô.
Магнитные потоки Ф1 и Ф2 взаимно компенсируют друг друга. Поэтому суммарный магнитный поток в сердечнике дифференциального трансформатора равен нулю: ФD = ôФ1 – Ф2ô = 0.
В результате этого абсолютная величина электрического тока, который может протекать в электрической цепи, подключённой ко вторичной обмотке дифференциального трансформатора, также будет равна нулю: ôIрô = 0.
При указанных условиях расцепитель дифференциального тока, который подключён ко вторичной обмотке дифференциального трансформатора, не может сработать. Поэтому в нормальном режиме электрической цепи устройство дифференциального тока не размыкает контакты своей главной цепи и, следовательно, не отключает присоединённые к нему внешние электрические цепи.
Рассмотрим аварийный режим электрической цепи, возникший в результате единичного повреждения основной изоляции опасной токоведущей части и её замыкания на землю.
В аварийном режиме по одному из проводников главной цепи УДТ помимо тока нагрузки Iн протекает ток замыкания на землю IEF. Поэтому абсолютное значение электрического тока, протекающего в одной из первичных обмоток дифференциального трансформатора, превышает абсолютное значение электрического тока, который протекает в другой его первичной обмотке: ôI1ô > ôI2ô.
Векторная сумма электрических токов в проводниках главной цепи устройства дифференциального тока будет отлична от нуля:
ID=ôI1–I2ô=ôIн+IEF– Iнô = ôIEFô.
Магнитные потоки Ф1 и Ф2 в сердечнике дифференциального трансформатора, прямо пропорциональные электрическим токам I1 и I2, не равны между собой по абсолютному значению: ôФ1ô > ôФ2ô.
Они не могут компенсировать друг друга, поэтому суммарный магнитный поток в сердечнике дифференциального трансформатора отличен от нуля:
ФD = ôФ1 – Ф2ô > 0.
Абсолютная величина электрического тока, который протекает в электрической цепи, подключённой ко вторичной обмотке дифференциального трансформатора, также будет больше нуля: ôIрô > 0.
В указанных условиях расцепитель дифференциального тока может сработать под воздействием электрического тока Iр, побуждая УДТ разомкнуть свои главные контакты и отключить присоединённые к нему внешние электрические цепи.
В трёхфазных электрических цепях применяют трёх- и четырёхполюсные УДТ, которые оснащены дифференциальными трансформаторами, имеющими соответственно три и четыре первичные обмотки. Эти дифференциальные трансформаторы функционируют как и дифференциальный трансформатор двухполюсного УДТ. Векторные суммы электрических токов, протекающих в главных цепях УДТ, дифференциальные трансформаторы определяют с учётом запаздывания и опережения по фазе электрических токов в проводниках, подключённых к УДТ.
Конструктивное исполнение устройства дифференциального тока без встроенной защиты от сверхтока, условно представленное на рис. 2, специально ориентировано на обнаружение и оценку тока замыкания на землю IEF в совокупности с током утечки IEL путём определения дифференциального (суммарного) тока в проводниках своей главной цепи, которое производится с помощью дифференциального трансформатора.
Ток замыкания на землю может возникнуть из-за повреждения основной изоляции какой-либо опасной токоведущей части в электрических цепях, включённых после УДТ. Повреждение основной изоляции опасной токоведущей части сопровождается её замыканием на открытую проводящую часть электроприёмника класса I. С токоведущей части ток замыкания на землю протекает на открытую проводящую часть. Затем этот ток стекает с открытой проводящей части электроприёмника в защитный проводник и далее через заземляющее устройство электроустановки здания – в землю[4].
Рис. 2. Конструктивное исполнение УДТ без встроенной защиты от сверхтока: 1 – заземляющее устройство нейтрали источника питания; 2 – заземляющее устройство электроустановки здания; 3 – главные контакты УДТ; 4 – механизм размыкания УДТ; 5 – расцепитель дифференциального тока УДТ; 6 – дифференциальный трансформатор УДТ; 7 – выводы УДТ; 8 – электрическая цепь контрольного устройства УДТ; 9 – электроприёмник класса I
В механизме устройства дифференциального тока выполняется сравнение дифференциального тока в главной цепи УДТ с дифференциальным током срабатывания. В том случае, если дифференциальный ток превосходит отключающий дифференциальный ток УДТ или равен ему, оно отключит защищаемые электрические цепи.
Для выполнения двух последних операций в устройстве дифференциального тока предусмотрен расцепитель дифференциального тока, подключённый ко вторичной обмотке дифференциального трансформатора, который размещают между входными и выходными выводами УДТ.
В электрических цепях с нормальной (неповреждённой) изоляцией токоведущих частей всегда имеется ток утечки. Его величина ничтожна по сравнению с током замыкания на землю. Однако при большом числе одновременно включённых электроприёмников их суммарный ток утечки может превысить отключающий дифференциальный ток устройства дифференциального тока, инициировав автоматическое срабатывание УДТ.
Устройство дифференциального тока может быть выполнено в виде изделия, представляющего собой совокупность нескольких устройств, например, устройство дифференциального тока со встроенной защитой от сверхтока: АВДТ может быть собран из блока дифференциального тока[5] (БДТ) (соответствующего требованиям приложения G ГОСТ Р 51327.1) и автоматического выключателя (соответствующего требованиям ГОСТ Р 50345 [8]), которые имеют механическое и электрическое соединение (рис. 3).
Рис. 3. Конструктивное исполнение АВДТ, собранного из БДТ и автоматического выключателя:
1 – заземляющее устройство нейтрали источника питания; 2 – заземляющее устройство электроустановки здания; 3 – главные контакты автоматического выключателя; 4 – выводы автоматического выключателя; 5 – расцепитель дифференциального тока БДТ; 6 – дифференциальный трансформатор БДТ; 7 – механизм размыкания БДТ; 8 – электрическая цепь контрольного устройства БДТ; 9 – выводы БДТ; 10 – электроприёмник класса I
Автоматический выключатель производит отключение электрических цепей не только при возникновении в них сверхтока, но и при появлении в его механизме команды на размыкание главных контактов, которую подаёт блок дифференциального тока. Блок дифференциального тока, в свою очередь, осуществляет определение дифференциального тока, сравнение его величины со значением дифференциального тока срабатывания и, в случае необходимости, выдаёт команду на отключение автоматического выключателя. Для этого БДТ оснащают специальным приводом, который воздействует на удерживающее приспособление в механизме автоматического выключателя.
Рассматриваемые АВДТ собирают из блоков дифференциального тока и автоматических выключателей перед их установкой в низковольтные распределительные устройства. Механическое соединение блока дифференциального тока с автоматическим выключателем может быть осуществлено только один раз. Последующая разборка АВДТ должна сопровождаться видимыми механическими повреждениями. Электрическое соединение блока дифференциального тока с автоматическим выключателем выполняют с помощью проводников, являющихся частью конструкции БДТ.
Заключение. Принцип действия устройства дифференциального тока нашёл отражение в его наименовании – защитное устройство определяет дифференциальный ток и оперирует под его воздействием.
Список литературы
1. Харечко Ю. В. Понятие "устройство дифференциального тока" // Электрика. 2009. № 10.
2. ГОСТ Р 51326.1–99 (МЭК 61008‑1–96) Выключатели автоматические, управляемые дифференциальным током, бытового и аналогичного назначения без встроенной защиты от сверхтоков. Ч. 1. Общие требования и методы испытаний. М.: ИПК "Изд-во стандартов", 2000.
3. ГОСТ Р 51327.1–99 (МЭК 61009‑1–96) Выключатели автоматические, управляемые дифференциальным током, бытового и аналогичного назначения со встроенной защитой от сверхтоков. Ч. 1. Общие требования и методы испытаний. М.: ИПК "Изд-во стандартов", 2000.
4. ГОСТ Р 50030.2–99 (МЭК 60947‑2–98) Аппаратура распределения и управления низковольтная. Ч. 2. Автоматические выключатели. М.: ИПК "Изд-во стандартов", 2000.
5. ГОСТ Р 50030.1–2000 (МЭК 60947‑1–99) Аппаратура распределения и управления низковольтная. Ч. 1. Общие требования и методы испытаний. М.: ИПК "Изд-во стандартов", 2001.
6. ГОСТ Р 51328–99 (МЭК 61540–97) Устройства защитного отключения переносные бытового и аналогичного назначения, управляемые дифференциальным током, без встроенной защиты от сверхтоков (УЗО‑ДП). Общие требования и методы испытаний. М.: ИПК "Изд-во стандартов", 2000.
7. International standard IEC 60050‑826. International Electrotechnical Vocabulary. Part 826: Electrical installations. Second edition. – Geneva: IEC, 2004‑08.
8. ГОСТ Р 50345–99 (МЭК 60898–95) Аппаратура малогабаритная электрическая. Автоматические выключатели для защиты от сверхтоков бытового и аналогичного назначения. М.: ИПК "Изд-во стандартов", 2000.