12.5. Схемотехника и принцип действия УЗО

Книга: Профессиональные советы домашнему электрику

Назад: 12.4. Классификация и характеристики УЗО

Принципиальная электрическая схема 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).

Режимы работы УЗО

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.

Внутреннее устройство УЗО

На рис. 12.7 показано внутреннее устройство УЗО со вспомогательным источником питания (). 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

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}

Схемы включения УЗО

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 пожарного УЗО при вводе в квартиру

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}

УЗО со встроенной защитой от сверхтоков — дифавтомат

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.

Маркировка на корпусе УЗО

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.

Назад: 12.4. Классификация и характеристики УЗО

Дальше: 12.6. Использование УЗО