Устройство защитного отключения (УЗО)

Устройства защитного отключения - это электрические аппараты защиты от токов утечки с механическим коммутационным (предохраняющим) действием.

В процессе эксплуатации электропроводки, приборов и аппаратов неизбежно возникают ситуации, когда со временем изоляция проводов стареет, на ней появляются механические повреждения, также могут ослабнуть контактные соединения токоведущих частей приборов. Может возникнуть ситуация, когда человек случайно коснется рукой оголённого фазного провода, который находится под напряжением, что приведет к поражению током, а так же, как и в двух предыдущих случаях, к опасным утечкам электрического тока из цепи. Устройство защитного отключения применяются:

- для предотвращения поражения пользователей электрическим током;

- для отключения тока по причине случайного или ошибочного соприкосновения с токоведущими частями электроустановки, на случай когда происходит утечка тока;

- для предотвращения воспламенения электропроводки в случае утечки тока (возникновения дифференциального  тока).

 Величина дифференциального тока может достигать нескольких сотен миллиампер. Обычные автоматические выключатели на такую утечку тока не отреагируют. Они реагируют только на токи перегрузки и токи короткого замыкания. Именно поэтому используются специальные аппараты - устройства защитного отключения (УЗО).

Обратите внимание, последовательно с устройством защитного отключения необходимо устанавливать автоматический выключатель. При выборе устройства защитного отключения рекомендуется значение его номинального тока выбирать таким же, как номинал включенного последовательного с ним в цепь автоматического выключателя, или на ступень выше.

Конструкция устройства защитного отключения представляет собой корпус, выполненный из диэлектрического материала, в который помещаются рычаг управления с механизмом отключения, реле, приводящее в действие токовый расцепитель, дугогасительная система, неподвижные контакты, трансформатор тока с двумя первичными рабочими (силовыми) обмотками и одной обмоткой управления (контроля). Первая обмотка образована фазным проводом, в ней протекает ток к нагрузке (к потребителю). Вторая обмотка образована нулевым проводом, в ней протекает обратный ток от нагрузки (от потребителя).

На корпусе устройства расположены: рычаг управления, входные и выходные клеммы, кнопка «тест». Кроме того, на корпусе маркируются основные характеристики данного устройства такие как, марка, бренд, напряжение сети, номинальный ток, номинальный дифференциальный отключающий ток (чувствительность) и т.д.

Входные и выходные клеммы располагаются на корпусе устройства сверху и снизу соответственно. Входные клеммы используются для подключения фазного и нулевого провода от  источника питания. Выходные клеммы используются для подключения фазного и нулевого провода от  нагрузки. Клеммы, предназначенные для подключения нулевого провода, промаркированы на корпусе буквой «N».

Кнопка «тест» используется для проверки исправности устройства защитного отключения. При нажатии на эту кнопку, в устройстве создается искусственный ток утечки. Если устройство исправно, после нажатия на тестовую кнопку оно отключится.

Сзади на корпусе располагается специальное крепление, позволяющее фиксировать устройство на DIN-рейку.

Устройства защитного отключения, выполненные с релейным контролирующим органом, являются наиболее надежными. Реле действует на исполнительный механизм, который в свою очередь размыкает электрическую цепь. Исполнительный механизм представляет собой контактную группу, которая выбирается на максимальный ток — смотрим по паспорту УЗО, и пружину, необходимую для размыкания электрической цепи в случае нештатного режима работы.

Принцип действия устройства защитного отключения заключается в том, что аппарат отключается в случае, если значение дифференциального тока превышает установленное на аппарате стандартное значение. В случае возникновения утечки тока, нарушается величина токов проходящих через трансформатор, поэтому во вторичной цепи трансформатора появляется ток, которого будет достаточно для срабатывания реле. Другими словами, в штатном режиме работы аппарата, когда протекает постоянно одинаковый ток, две рабочие (силовые) обмотки компенсируют друг друга. Но в случае появления утечки тока, происходит срабатывание контрольной обмотки. Реле приводит в работу пружинный механизм и происходит отключение УЗО.

При размыкании силовых контактов при протекании через них тока возникает электрическая дуга.  Для защиты силовых контактов устройства от воздействия электрической дуги применяется дугогасительное устройство(дугогасительная камера). Мощность дуги, как правило, пропорциональна току в коммутируемой цепи. Электрическая дуга опасна тем, что она разрушает силовые контакты, повреждает пластмассовые детали корпуса.

Дугогасительное устройство представляет собой дугогасительную камеру с деионной решеткой из нескольких покрытых медью стальных параллельных пластин. Дугогасительное устройство устанавливается в каждом полюсе автомата и предназначается для локализации электрической дуги в ограниченном объеме. Могут быть предусмотрены также искрогасители, представляющие собой фибровые пластины.

УЗО можно классифицировать в зависимости от особенностей конструкции (конструктивному исполнению) на два типа:

- электромеханические (устройства, не зависящие от напряжения питания);

- электронные (устройства, нуждающиеся в дополнительном источнике питания, который получают от контролируемой цепи, либо от дополнительного источника питания).

В электромеханических устройствах защитного отключения источником энергии, необходимой для функционирования аппарата является сам сигнал - дифференциальный ток, на который оно реагирует. Электромеханические УЗО - более надежные устройства. Они продолжают выполнять защитные функции даже при обрыве проводников.

Электронные устройства защитного отключения менее надежны. Контролирующим устройством в электронных УЗО является не реле, а специальная электронная схема. При обрыве нулевого проводника в цепи до УЗО такое электронное устройство перестает функционировать, а фазный потенциал, опасный для жизни человека, будет по-прежнему поступать к потребителю. Также они подвержены воздействию электромагнитных полей, токовых импульсов и т.д.

Устройства защитного отключения обладают рядов важных характеристик, таких как:

- количество полюсов;

- мощность нагрузки;

- номинальный отключающий дифференциальный ток;

- номинальный ток, А;

- номинальный не отключающий дифференциальный ток, IDn0;

- номинальное напряжение, В;

- номинальный условный ток короткого замыкания Inc;

- номинальная коммутационная способность, Im;

- тип модуля дифференциальной защиты;

- степень защиты (IP);

- климатическое исполнение;

- диапазон рабочих температур.

Устройства защитного отключения можно классифицировать в зависимости от мощности нагрузки на три группы:

- маломощные (рабочий ток до 10 ампер);

- среднемощные (от 16 ампер до 32 ампер);

- мощные (от 40 ампер).

Устройства защитного отключения в зависимости от количества полюсов можно разделить на две группы:

- двухполюсными;

- четырёхполюсными.

Двухполюсные устройства защитного отключения применяются в однофазных электросетях (220В). Такие аппараты обеспечивают подачу напряжения двух проводов – фазы и нуля (или нейтрали). На корпусе изделия или в его паспорте можно найти информацию о том, где находится клеммы подключения фазного проводника от источника питания (обозначается, как правило, «1»), подключения фазного проводника от нагрузки (обозначается, как правило, «2»), подключения нулевого провода (обозначается, как правило, «N»).

Обратите внимание,  двухполюсные УЗО устанавливаются всегда только после автоматического выключателя. Такой порядок установки позволяет защищать электросчетчик от увеличения тока.

Четырёхполюсные устройства защитного отключения применяются, как правило, в трехфазных электросетях (380В), но их применение возможно и в однофазных электросетях (220В):

- подключение четырехполюсного устройства к трехфазной сети с применением нейтрали;

- подключение четырехполюсного устройства к трехфазной сети без использования нейтрали;

- подключение четырехполюсного устройства в однофазной сети.

Подключение четырехполюсного устройства к трехфазной сети с применением нейтрали обеспечивает подачу напряжения четырех проводов - фазы и нейтрали, а также защиту от воспламенения электропроводки при больших токах утечки. На корпусе изделия или в его паспорте можно найти информацию о том, где находится клеммы подключения фазных проводников и нейтрали от источника питания, а также их вывода от нагрузки. Три фазных провода обозначается «А», «В», «С» и ноль «N».

Обратите внимание, на четырехполюсном устройстве ноль может находиться с другой стороны.

Подключение четырехполюсного устройства к трехфазной сети без применения нейтрали. Часто используется для подключения трехфазных электродвигателей. Для осуществления такого подключения необходимо три фазы питающего напряжения, а именно «А», «В» и «С», а также защитный проводник РЕ, который будет служить в качестве заземления корпуса.

В редких случаях можно встретить четырехфазное устройство защитного отключения, подключенное к однофазной электросети:

- если в будущем планируется расширение электропроводки и переведение ее на трехфазную сеть или добавление нескольких однофазных сетей;

- в случаях временного использования аварийной замены неисправного двухполюсного УЗО.

Номинальный отключающий дифференциальный ток или "уставка" по току утечки (А) – один из основных параметров устройства защитного отключения. Номинальный отключающий дифференциальный ток – это ток утечки, который определяет применение устройства в данных условиях, устанавливаемых предприятием–изготовителем в зависимости от номинального рабочего напряжения сети при допустимых отклонениях от номинального напряжения и номинального режима работы УЗО, т.е. это есть значение дифференциального тока, которое вызывает отключение УЗО при заданных условиях эксплуатации. Стандартный ряд номинальных отключающих дифференциальных токов:0,01; 0,03; 0,1; 0,3; 0,5; 1 А.

Номинальный ток, А - это ток, который может проходить через устройство длительное время, не разрушая его конструкцию и защитных функций. Конструктивно каждый механизм УЗО рассчитан на определенную величину номинального тока. При его превышении возможно повреждение механизма. Параметр маркируется на передней панели. Стандартный ряд номинальных токов: 6; 16; 25; 40; 63; 80; 100; 125 А. Обратите внимание, номинальный ток УЗО желательно выбирать на ступень выше номинального тока автоматического выключателя, контролирующего данный участок цепи.

Номинальный не отключающий дифференциальный ток, А - это дифференциальный ток, который не вызывает отключение УЗО при заданных условиях эксплуатации.

Номинальный не отключающий дифференциальный ток равен половине значения тока уставки. Т.е. если через УЗО протекает дифференциальный ток меньший номинального не отключающего дифференциального тока, УЗО не должно срабатывать. Дифференциальный ток, при котором УЗО автоматически срабатывает, должно находиться в диапазоне от номинального не отключающего дифференциального тока до номинального отключающего дифференциального тока.

Номинальное напряжение, В - действующее значение напряжения, при котором УЗО полностью работоспособно, т.е. максимальное напряжение сети на которое рассчитано устройство.

Номинальный условный ток короткого замыкания, А – это максимальный ток короткого замыкания, который УЗО может выдержать и при этом остаться работоспособным. Определяет надежность и прочность УЗО, качество исполнения его механизма и электрических соединений. Стандартный ряд номинальных условных токов короткого замыкания: 3000; 4500; 6000; 10000 А. Маркируется на корпусе устройства в прямоугольной рамке на передней панели.

Номинальная коммутационная способность – это действующее значение ожидаемого тока, который УЗО способно выключить, пропускать в течение времени размыкания и отключить при заданных условиях эксплуатации без нарушения своей работоспособности.

Номинальная коммутационная способность должна не менее чем в 10 раз превышать значение номинального тока. Значение этого параметра зависит от конструкции механизма отключения и качества контактов. УЗО хорошего качества могут иметь более высокую коммутационную способность до 1000 -1500А. Устройства с высокой номинальной коммутационной способностью надежнее, и в случае аварийной ситуации, например, при коротком замыкании на землю, они гарантированно отключают электроустановки, опережая автоматы защиты.

Устройства защитного отключения классифицируют в зависимости от типа модуля дифференциальной защиты. Существует 3 основных типа (класса) модулей дифференциальной защиты УЗО. Первые два типа УЗО более распространены. Их чаще прочих используют в бытовых электрических сетях:

Тип АС. Такой тип модуля дифференциальной защиты реагирует на дифференциальный синусоидальный переменный ток. Через энергопотребители без сложных схем управления протекает синусоидальный ток. Ток утечки имеет такую же форму (лампы накаливания, сушилки и т.д.). На передней панели устройства маркируется значком в виде синусоиды.

Тип А. Такой тип модуля дифференциальной защиты реагирует на синусоидальный переменный ток и пульсирующий постоянный ток утечки. В современных бытовых приборах используются выпрямители, тиристорные регуляторы, которые при пробое изоляции могут создавать пульсирующие токи утечки постоянного тока (телевизор, компьютер, электроинструмент). На такие токи УЗО типа АС не реагирует. На передней панели устройства маркируются соответствующим значком.

Следующие типы УЗО менее распространены.

Тип В. Такой тип модуля дифференциальной защиты применяют в специальных промышленных электроустановках со смешанным питанием — переменным, выпрямленным и постоянным токами. Он реагирует на переменный, пульсирующий, постоянный, сглаженный ток. Применяют в специальных электроустановках со смешанным питанием - переменным, выпрямленным и постоянным токами.

Тип S. Такой тип модуля дифференциальной защиты используется в каскадных схемах в качестве головных противопожарных устройств, чтобы главное УЗО сработало в последнюю очередь. Селективность обеспечивается задержкой времени срабатывания УЗО. Задержка срабатывания составляет от 200 до 300 мс (0,2-03 с).

Тип G.  Такой тип модуля дифференциальной защиты используется в каскадных схемах в качестве головных противопожарных устройств, чтобы главное УЗО сработало в последнюю очередь. Селективность обеспечивается задержкой времени срабатывания УЗО. Задержка срабатывания составляет от 60 до 80 мс (0,06-0,08 с).

Селективные УЗО типов В, S и G дольше обычных могут находиться под воздействием экстремальных токов, поэтому они обычно рассчитаны на большие токи короткого замыкания - до 15 кА. Предельное время отключения (т.е. время срабатывания) для селективных УЗО - это максимальный интервал времени с момента возникновения в цепи УЗО отключающего дифференциального тока до момента начала размыкания его контактов.

Степень защиты корпуса (IP).

Степень защиты корпусов от физических повреждений, атмосферных осадков, а также его износостойкость и водонепроницаемость обозначается IP (от англ. Ingress Protection Rating - степень защиты оболочки). После букв указываются цифры. Первая из них обозначает степень защиты от твердых фрагментов, вторая - от проникновения жидкостей. IP — это целая система классификации степеней защиты оболочки электрооборудования от проникновения твердых предметов и воды в соответствии с международным стандартом IEC 60529 и ГОСТ14254-96.

Перечислим основные данные классы: IPХ0 (защита отсутствует), IPХ1 (защита от вертикально падающих капель воды), IPХ2 (защита от диагонально падающих капель воды), IPХ3 (защита от мелких водяных брызг), IPХ4 (защита от большого количества водяных брызг, направленных со всех сторон), IPХ5 (защита от сильных струй воды, направленных со всех сторон), IPХ6 (защита даже при временном затоплении) и т.д.

Перечислим основные классы защиты корпусов светильников от попадания твердых инородных тел. IP0Х (защита отсутствует), IP1Х (защита от контакта с рукой человека и от твердых инородных тел диаметром более 50мм), IP2Х (защита от контакта с пальцами и от твердых инородных тел диаметром не менее 12мм), IP3Х (защита от повреждений инструментом, проводами и иными подобными инородными предметами диаметром более 2,5 мм), IP4Х (защита от повреждений инструментом, проводами и иными подобными инородными предметами диаметром более 1,0 мм), IP5Х (полная защита от любого внешнего контакта с инородными предметами и защита от повреждения оборудования вследствие пылевых отложений внутри корпуса светильника), IP6Х (полная защита от любого внешнего контакта с инородными предметами, а также защита от проникновения пыли) и т.д.

Ряд основных и наиболее часто встречающихся степеней защиты устройств защитного отключения: IP00, IP10, IP11, IP12, IP20, IP21, IP22, IP23, IP30, IP31, IP32, IP33, IP34, IP40, IP41,  IP42,  IP43, IP44, IP54, IP55, IP65, IP66, IP67,  IP68. 

Климатическое исполнение – это стандартная система категорий, которая включает в себя условия эксплуатации, транспортировки и хранения технических изделий относительно макроклиматического районирования поверхности земного шара. Другими словами это система категорий, определяющая в каких условиях можно эксплуатировать, хранить и транспортировать то или иное электрическое изделие. Для приборов и технических изделий, произведенных в Российской Федерации, применяется ГОСТ 15150-69.

ОБОЗНАЧЕНИЕ КЛИМАТИЧЕСКОГО ИСПОЛНЕНИЯ ПО ГОСТ 15150-69 СОСТОИТ ИЗ БУКВЕННОЙ ЧАСТИ И ЦИФРОВОЙ ЧАСТИ.

Буквенная часть маркировки указывает на климатическую зону:

- У — умеренный климат (+40/-45 оС);

- ХЛ — холодный климат (+40/-60 оС);

- УХЛ — умеренный и холодный климат (+40/-60 оС);

- Т — тропический климат (+40/+1 оС);

- М — морской умеренно-холодный климат (+40/-40 оС);

- О — общеклиматическое исполнение (кроме морского) (+50/-60 оС);

- ОМ — общеклиматическое морское исполнение (+45/-40 оС);

- В — все климатическое исполнение (+50/-60 оС).

Цифровая часть маркировки указывает на категорию размещения изделия:

• 1 — открытый воздух;
• 2 — то же что и 1 только без попадания прямых солнечных лучей и без осадков;
• 3 — в закрытом помещении без регулирования климатических условий;
• 4 — в закрытом помещении с вентиляцией и отоплением;
• 5 — в помещениях с высокой влажностью, без искусственного регулирования климатических условий.

Обратите внимание, допускается эксплуатация изделий в макроклиматических районах и, отличающихся от тех, для которых предназначены изделия, если климатические факторы в период эксплуатации не выходят за пределы номинальных значений, установленных для данных изделий. Например, изделия вида климатического исполнения УХЛ4 могут в летний сухой период эксплуатироваться в условиях УХЛ2.

Обратите внимание, изделия могут быть предназначены также для эксплуатации в нескольких макроклиматических районах; в этих случаях сочетания различных условий эксплуатации или хранения со сроками пребывания в этих условиях устанавливают в стандартах или технических условиях на изделия, климатические исполнения (категория климатического исполнения) обязательно указываются в сопроводительных документах на товар.

Диапазон рабочих температур устройств защитного отключения составляет, как правило, от -5 до +40.  Обратите внимание, диапазон рабочих температур может не указываться на корпусе, только в паспорте изделия. Существуют устройства защитного отключения, рассчитанные на работу при пониженной температуре окружающей среды от -25 до +40. Эта характеристика маркируется на передней панели устройства, как правило, изображением снежинки.

Для того чтобы самостоятельно выбрать подходящее устройство защитного отключения, необходимо:

- определиться с типом электросети, в которой будет использоваться УЗО (однофазная, трехфазная);

- рассчитать значение тока утечки в электроустановке. Информация о принятых нормах расчета значения тока утечки содержится в ПУЭ (п. 7.1.83). Обратите внимание, номинальный дифференциальный отключающий ток УЗО (который промаркирован на корпусе устройства) должен быть как минимум в три раза больше суммарного тока утечки защищаемой цепи электроустановки. Другими словами, определить чувствительность устройства;

- выбрать номинальный ток УЗО. Обратите внимание, т.к. УЗО может быть установлено как для защиты конкретного потребителя, так и на несколько групп, расчет номинального тока УЗО должен производиться в соответствии с номинальными токами установленных в цепь последовательно с ним автоматических выключателей;

- выбрать подходящий тип УЗО (тип модуля дифференциальной защиты). Ток утечки может быть как синусоидальным, так пульсирующим. Важно выбрать УЗО такого типа, которое будет срабатывать на соответствующие токи утечки;

- выбрать тип конструктивного исполнения (не зависящие от внешнего питания — электромеханические, и требующие для своей работы дополнительное питание — электронные УЗО);

- определить номинальный условный ток короткого замыкания, т.е. стойкость УЗО к токам короткого замыкания;

- выбрать тип климатического исполнения;

- выбрать степень защиты корпуса (IP);

- выбрать производителя и серию устройства.

Обратите внимание, в случаях, когда предполагается подключать несколько УЗО последовательно, необходимо правильно организовать селективность их работы. Селективность устройств защитного отключения означает, что для устройств, включенных в цепь последовательно, при возникновении в защищаемой ими цепи тока утечки, должно сработать только то УЗО, которое ближе всех расположено к месту повреждения.

В противном случае будут отключаться либо нижестоящее и вышестоящее УЗО одновременно, либо одно из них.

Для того чтобы самостоятельно проверить исправность устройства защитного отключения необходимо нажать кнопку «Тест». Кнопка «Тест» расположена на передней панели устройства. При нажатии создается искусственная утечка по току, которой достаточно для срабатывания УЗО. Если устройство исправно, после нажатия на тестовую кнопку оно отключится. Таким образом, можно самостоятельно производить проверки УЗО без привлечения специалистов электротехнической лаборатории. Проверку УЗО кнопкой «Тест» необходимо проводить ежемесячно.

Обратите внимание, при частых срабатываниях устройства, следует проверить проводку и имеющиеся в наличии электрические бытовые приборы на исправность.

Обратите внимание, УЗО подключают только в паре с автоматическим выключателем, в отличие от дифференциальных автоматов. Однако в случае поломки, УЗО легче заменить.

Обратите внимание, УЗО устанавливаются после автоматического выключателя. Это позволяет защищать электросчетчик от увеличения тока.

Обратите внимание, рекомендуется выбирать УЗО, номинальный ток которого превышает на ступень номинал последовательно установленного с ним автоматического выключателя. Это связано с тем, что в противном случае в ситуациях перегрузки защищаемой сети до того момента, когда отключится автоматический выключатель, УЗО длительное время будет работать с перегрузкой. Это может повредить УЗО, привести к уменьшению срока его службы, и повлиять на надежность.