УДТ (УЗО): назначение, принцип работы, конструкция

В этой статье мы рассмотрим что такое УДТ, которое некорректно именуют УЗО, его назначение, принцип работы и конструктивное исполнение.

Что такое УДТ?

Согласно ГОСТ IEC 60050-442-2015 [1]:

Устройство дифференциального тока (УДТ) [residual current device, RCD ] — это контактное коммутационное устройство, предназначенное включать, проводить и отключать электрические токи при нормальных условиях эксплуатации и размыкать контакты, когда дифференциальный ток достигает заданного значения при установленных условиях.

В электроустановках зданий для защиты от поражения электрическим током широко применяют различные УДТ бытового назначения, которые соответствуют требованиям ГОСТ IEC 61008-1-2020 и ГОСТ IEC 61009-1-2020. В электроустановках зданий используют также переносные устройства дифференциального тока бытового назначения, которые соответствуют требованиям ГОСТ 31603-2012.

Назначение

О назначении УДТ максимально полно, на мой взгляд, пишет Харечко Ю.В. в своей книге [3]:

« Термин «устройство дифференциального тока» используют в международных и национальных стандартах для обобщенного обозначения защитных устройств или совокупности устройств, каждое из которых выполняет следующие три операции:

  1. обнаружение дифференциального тока в своей главной цепи, который появляется при повреждении основной изоляции какой-либо опасной части, находящейся под напряжением, входящей в состав защищаемых им электрических цепей, и ее замыкании на землю;
  2. сравнение обнаруженного дифференциального тока со значением дифференциального тока срабатывания;
  3. отключение защищаемых им электрических цепей в случае, когда дифференциальный ток в главной цепи превосходит значение дифференциального тока срабатывания. »

Далее Харечко Ю.В акцентирует внимание на том, что является необходимым условием для возможного срабатывания УДТ [3]:

« Устройство дифференциального тока должно отключать защищаемые им электрические цепи только в условиях единичного или множественных повреждений, когда начинает протекать ток замыкания на землю. УДТ также должно срабатывать при неосторожном использовании электрооборудования, когда человек прикоснулся к какой-то части, находящейся под напряжением, и через его тело протекает ток замыкания на землю. В нормальных условиях, при которых нет замыкания на землю, УДТ не должно срабатывать. »

[3]

Ю.В. Харечко при этом приводит пример описания пути протекания тока замыкания на землю для системы TT, представленной на рисунке 2 настоящей статьи:

« Ток замыкания на землю может возникнуть из-за повреждения основной изоляции какой-либо опасной части, находящейся под напряжением, в электрических цепях, включенных после УДТ. Повреждение основной изоляции опасной части, находящейся под напряжением, обычно сопровождается ее замыканием на открытую проводящую часть электроприемника класса I. Из опасной части, находящейся под напряжением, ток замыкания на землю протекает в открытую проводящую часть. Затем этот ток протекает из открытой проводящей части электроприемника в защитный проводник и далее через заземляющее устройство электроустановки здания – в землю. »

[3]

Отличие УДТ от УЗО

Наверное каждый, кто читает эту статью слышал о таком устройстве как “УЗО”, а возможно даже и применял его в быту. Но нужно четко и однозначно понимать, что на самом деле мы используем не УЗО, а УДТ (устройство дифференциального тока), которое используют для защиты от поражения электрическим током в электроустановках зданий.

Это следует из анализа действующей нормативной документации, которую провел Харечко Ю.В. в своей книге [3] и подытожил следующим образом:

« Термин «устройство защитного отключения» необходимо заменить термином «устройство дифференциального тока» с целью исключения использования в национальной нормативной документации двух разных терминов для обозначения одного и того же защитного устройства. Такая замена позволит уменьшить число ошибок, допускаемых при разработке новых национальных нормативных документов. »

[3]

Принцип работы УДТ

В этой статье, для простоты изложения и понимания, я расскажу о устройстве и принципе работы УДТ в идеальных электрических цепях, в которых нет токов утечек. В тоже время, в электрических цепях электроустановок зданий всегда протекают токи утечки, которые могут вызвать ложные срабатывания УДТ. Для уменьшения вероятности ложных срабатываний устройств дифференциального тока их характеристики следует согласовать с характеристиками электрических цепей, которые подключены к УДТ. Харечко Ю.В. в 4 части терминологического словаря по низковольтным электроустановкам [4] детализирует это:

« В электрических цепях с нормальной (неповрежденной) изоляцией частей, находящихся под напряжением, всегда имеется ток утечки. Его величина в системах TN-C, TN-S, TN-C-S и TT ничтожна по сравнению с током замыкания на землю. Однако при большом числе одновременно включенных электроприемников класса I их суммарный ток утечки может превысить номинальный отключающий дифференциальный ток устройства дифференциального тока, инициировав тем самым его автоматическое срабатывание. Для гарантированного исключения ложных оперирований УДТ его номинальный отключающий дифференциальный ток IΔn должен превышать суммарный ток утечки в электрических цепях, подключенных к УДТ IEL. »

[3]

Итак, любой УДТ имеет в своем составе дифференциальный (суммирующий) трансформатор. С его помощью он определяет дифференциальный ток IΔ, который представляет собой действующее значение векторной суммы электрических токов, протекающих в проводниках своей главной цепи и разрывает эту цепь тогда, когда IΔ превышает заданное значение (номинальный отключающий дифференциальный ток IΔn) или равна ему. То есть условие срабатывания УДТ следующее: IΔ ≥ IΔn. Дифференциальный трансформатор, таким образом, является тем ключевым элементом, посредством которого можно отслеживать появление тока замыкания на землю, создающего реальную опасность для человека и животных.

Следует добавить, что IΔn устанавливается изготовителем устройства и указывается обычно на его корпусе, к примеру, IΔn = 0,03 А для УДТ бытового назначения.

Рассмотрим пример функционирования двухполюсного УДТ, используемого в однофазных электрических цепях.

Дифференциальный трансформатор в нем имеет две первичные обмотки, выполненные двумя проводниками главной его цепи, и одну вторичную обмотку, к которой подключен расцепитель дифференциального тока, вызывающий срабатывание УДТ с выдержкой времени или без нее, когда IΔ ≥ IΔn.

На рисунке 1 иллюстрируется работа ДТ УДТ при нормальных условиях и при условиях повреждения в электрической цепи:

Принцип действия УДТ
Рис. 1. Принцип действия УДТ (рисунок на базе рисунка 1 из [2])

На схеме:

  • I1 и I2 – токи в первичных обмотках дифференциального трансформатора;
  • Iр – ток во вторичной обмотке дифференциального трансформатора;
  • Iн – ток нагрузки;
  • IEF – ток замыкания на землю;
  • Ф1 и Ф2 – магнитные потоки в сердечнике дифференциального трансформатора;
  • РДТ – расцепитель дифференциального трансформатора УДТ;
  • H – электрооборудование класса I

Нормальные условия

Максимально правильно, на мой взгляд, принцип действия УДТ при нормальных условиях оперирования электрической цепи, а также при условиях повреждения в электрической цепи описал Харечко Ю.В. в своей статье [2]. Приведу некоторые цитаты из этой статьи:

« Рассмотрим нормальные условия в электрической цепи, при котором отсутствуют какие-либо повреждения основной изоляции опасных токоведущих частей и нет замыкания на землю. »

[2]

« В обоих проводниках главной цепи УДТ протекают электрические токи, равные по своему абсолютному значению току нагрузки Iн. »

[2]

Из вышесказанного получаем:

| I1 |= | I2 |= | Iн |

Поэтому векторная сумма указанных электрических токов равна нулю:

IΔ = | I1 — I2 | = 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: | Ф1 | = | Ф2 |. »

[2]

Харечко Ю.В. вполне обоснованно подытоживает [2]:

« Магнитные потоки Ф1 и Ф2 взаимно компенсируют друг друга. Поэтому суммарный магнитный поток в сердечнике дифференциального трансформатора равен нулю:  ФΔ = | Ф1Ф2 | = 0 »

[2]

« В результате этого абсолютная величина электрического тока, который может протекать в электрической цепи, подключённой ко вторичной обмотке дифференциального трансформатора, также будет равна нулю: | Iр | = 0 »

[2]

При указанных условиях РДТ, который подключён ко вторичной обмотке ДТ, не может сработать. Поэтому в нормальных условиях электрической цепи УДТ не размыкает контакты своей главной цепи и, следовательно, не отключает присоединённые к нему внешние электрические цепи.

Как итог, в нормальных условиях электрической цепи УДТ не срабатывает и, следовательно, не отключает подключенные к нему внешние электрические цепи.

Условия повреждения

При условиях повреждения в электрической цепи происходит повреждение основной изоляции опасной части, находящейся под напряжением, и её замыкание на землю.

Харечко Ю.В. в своей статье [2] обстоятельно рассмотрел как работает УДТ при условиях повреждения в электрической цепи. Приведу некоторые цитаты из этой статьи:

« При этой ситуации, 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: | I1 | > | I2 |. »

[2]

« Векторная сумма электрических токов в проводниках главной цепи устройства дифференциального тока будет отлична от нуля: IΔ=| I1 – I2 |=| Iн + IEF – Iн | = | IEF |. »

[2]

То есть по сути, в этой ситуации дифференциальный ток будет равен по абсолютному значению току замыкания на землю.

Следовательно, посредством дифференциального тока отслеживают появление тока замыкания на землю, представляющего реальную опасность для человека, особенно когда он протекает через его тело.

« Магнитные потоки Ф1 и Ф2 в сердечнике дифференциального трансформатора, прямо пропорциональные электрическим токам I1 и I2, не равны между собой по абсолютному значению: | Ф1 | > | Ф2 |. »

[2]

« Они не могут компенсировать друг друга, поэтому суммарный магнитный поток в сердечнике дифференциального трансформатора отличен от нуля: ФΔ = | Ф1 – Ф2 | > 0. »

[2]

« Абсолютная величина электрического тока, который протекает в электрической цепи, подключённой ко вторичной обмотке дифференциального трансформатора, также будет больше нуля. | Iр | > 0. »

[2]

Харечко Ю.В. подводит закономерный итог:

« 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. »

[2]

« В трёхфазных электрических цепях применяют трёхполюсные и четырёхполюсные УДТ, которые оснащены дифференциальными трансформаторами, имеющими соответственно три и четыре первичные обмотки. Эти дифференциальные трансформаторы функционируют так же, как и дифференциальный трансформатор двухполюсного УДТ. Векторные суммы электрических токов, протекающих в главных цепях УДТ, они определяют с учетом запаздывания и опережения по фазе электрических токов в проводниках, подключенных к УДТ. »

[2]

Конструктивное исполнение

Харечко Ю.В. в своей книге [3] описывает конструктивное исполнение УДТ следующим образом:

« Конструктивное исполнение устройства дифференциального тока (смотрите рисунок 2), таким образом, специально ориентировано на обнаружение и оценку тока замыкания на землю IEF в совокупности с током утечки IEL путем определения дифференциального (суммарного) тока в проводниках главной цепи УДТ, которое производится посредством его дифференциального трансформатора, размещенного между входными и выходными выводами УДТ. »

[3]
Схема устройства дифференциального тока
Рис. 2. Схема устройства дифференциального тока (рисунок позаимствован из книги [3] )

На рисунке 2 показано:

  • 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 – электроприемник 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, подключенный к вторичной обмотке дифференциального трансформатора. »

[3]

Список использованной литературы

  1. ГОСТ IEC 60050-442-2015
  2. Электрика. – 2010. – № 2.– С. 33–36. Принцип действия устройств дифференциального тока.
  3. Харечко Ю.В. Краткий терминологический словарь по низковольтным электроустановкам. Часть 4// Приложение к журналу «Библиотека инженера по охране труда». – 2015. – № 6. – 160.