Назначение и функция устройства защитного отключения (УЗО)

Для обеспечения защиты от поражения электрического тока необходимо применять специальную аппаратуру — УЗО. Это можно расшифровать как устройство защитного отключения. Оно набирает огромную популярность. УЗО можно предназначить и для защиты аппаратуры от выхода из строя и пожаров. Для выбора нужно рассмотреть от чего защищает УЗО, принцип действия, особенности подключения устройства в систему электроснабжения и обеспечения полной электрозащиты.

Общие сведения

Устройство защитного отключения — УЗО (расшифровка в электрике — дифференциальный выключатель) обеспечивает надежный уровень электробезопасности и очень эффективно в квартирах и домах. Первое упоминание об устройстве и подробное описания принципа работы можно найти в научных журналах с переводом на русский язык серии «European Physical Journal» (EPJ). Электробезопасность или электрозащита позволяет предупредить различные несчастные случаи и даже сохранить жизнь. Однако не каждый человек знает эти правила, поэтому разработчики аппаратуры решили помочь клиентам и создали специализированные устройства.

Понятие об электрозащите

Электрозащита при работе и обслуживании аппаратуры, бытовых устройств и осветительных сетей является набором правил, благодаря которым возможно свести к минимуму опасность от воздействия электрического тока (ЭТ).

Электрозащита — очень важная составляющая, благодаря которой не только можно предупредить несчастные случаи на предприятии или дома, избежать возгораний, но и уберечь аппаратуру от выхода из строя. Она включает следующие меры:

1. Уровень изоляции.
2. Наличие заземления.
3. Эксплуатация устройств, значительно снижающих негативные факторы воздействия ЭТ — автоматические защитные устройства (АЗУ).

Уровень изоляции выполняет важную роль в обеспечении защиты от поражения ЭТ и выхода аппаратуры из строя. При нарушении изоляции возможны утечки электричества, приводящие к разрушительным последствиям и угрозе здоровью или жизни человека. Кроме того, может возникнуть короткое замыкание (КЗ), приводящее к образованию искры и выделением большого количества теплоты (электрическая дуга). Температура электрической дуги очень высокая и составляет от 8000 до 17000 градусов по Цельсию.

Заземление служит для примитивной защиты человека от поражения электрическим током, однако все равно часть электрической энергии пройдет через тело. Принцип работы заземления основан на простом законе из курса физики: ток течет по наименьшему пути сопротивления. Заземление применяется на предприятиях. Заземляется по правилам техники безопасности любая аппаратура, а, точнее, ее токоведущие части, на которые может произойти утечка.

Утечка происходит в основном при неисправной изоляции, например, при повреждении обмотки электродвигателя. Заземление еще называют заземляющим контуром, и его величина должна быть не более 4 Ом по технике безопасности при эксплуатации и обслуживании аппаратуры на предприятиях.

Безопасным для человека является напряжение со значением 220 В и силой тока в 1,5 мА. При воздействии тока на организм человека значением выше допустимого и ниже 7 мА могут ощущаться судорожные явления. При 10 мА происходят судорожные явления, невозможность оторвать руки от токоведущей части. Однако эти показатели являются средним значением и зависят от состояния организма, типа касания, сопротивления тела. Сопротивление тела является переменной величиной, которая меняется и зависит от разных факторов: влажности воздуха, сухости пола, типа обуви и одежды, генетики организма, настроения, болезней и так далее.

Предназначение дифференциального выключателя

Назначение дифвыключателя (UZO) — обеспечение электрозащиты аппаратуры, бытовой техники, электропроводки жилища и человека. Заземление для жилища не применяется, потому что обладает низкой эффективностью. Проблема решается при помощи применения различных устройств дифференциального тока, и УЗО является одним из них. Назначение и функция дифференциального выключателя направлена на осуществление мгновенного отключения участка цепи, к которому оно подключено. Это осуществляется при наличии дифференциального тока или тока утечки, возникающего при пробое изоляции, и, следовательно, возможной утечки на корпус электрооборудования.

Принцип действия

В основу принципа действия положено следствие из I закона Кирхгофа, согласно которому равенство входящих и исходящих токов должно соблюдаться в цепях с активными и реактивными нагрузками.

Иными словами, ток, который проходит по фазе равен току, протекающему по нулю. Это правило применимо только для однофазных цепей переменного тока. Если питание дома является 3-фазным, то правило примет другую формулировку: токи, протекающие по каждой фазе должны быть равны результирующему току на нейтрали (нулевой вывод).

Для практического понимания принципа работы нужно предположить ситуацию с нарушением изоляции и утечкой тока на корпус. Образуется новая электрическая цепь, и равенство нарушается. УЗО мгновенно отключает участок цепи с исключением дальнейшего поражения ЭТ.

Основное устройство

Каждая модель обладает прочным корпусом из диэлектрического материала. Кроме того, устройство включает трансформатор тороидального типа с 3 обмотками, одна из которых является управляющей. Две остальные обмотки — первичные, которые включены встречно, исходя из этого, токи, протекающие по ним являются разнонаправленными. Эти токи создают магнитные потоки Ф1 и Ф2, которые дают при сложении результирующий поток Ф = 0.

В состав УЗО входит также и электромагнитное реле, которое находится в разомкнутом состоянии. В схеме питания трех трансформаторных катушек установлены контакты, управляющиеся электромагнитным реле. Если возникает ток утечки, то нарушается равенство: Ф1 = Ф2. При этом возникает магнитный поток в катушке управления и происходит активация реле, которое размыкает электрическую цепь.

Подключение и выбор

Ошибочное подключение может привести к выходу из строя аппаратуры, УЗО и поражению ЭТ. Основные цепи защиты — помещения и комнаты с высокой влажностью воздуха. Подключаются эти устройства практически одинаково, но есть небольшие нюансы, связанные с типом и конструктивными особенностями.

Подключение в сеть

Существует несколько вариантов подключения, которые зависят от типа питания. Питание бывает однофазным и трехфазным. Однофазное применяется для большинства квартир и частных домов, а трехфазное можно применить тоже в частных домах и других постройках. Схемы подключения представлены на рисунках 1 и 2.

Рисунок 1 — Вариант подключения для однофазной сети.

Рисунок 2 — Подключение трехфазного УЗО.

Если необходимо использовать УЗО в общежитиях, гостиницах, то следует остановиться на селективном типе УЗО. Основное отличие — большее значение времени срабатывания и возможность отключения отдельных цепей питания. Этот тип отключает не все питание, а отдельный участок, на котором появился дифференциальный ток.

Для примера можно разобрать следующую ситуацию: в одной из комнат произошла утечка тока на корпус бытового прибора, при касании которого произойдет только обесточивание одной комнаты — все остальное будет работать. Кроме того, необходимо учесть следующее правило: защита розеток с номинальным током от 20 А и выше осуществляется также при помощи УЗО. К этой категории относится инструмент, аппаратура и бытовая техника, потребляющая ток свыше 20 А.

При подключении УЗО, согласно статистике, могут возникнуть типичные ошибки, которых нужно избегать. К ним относятся следующие:

1. Соединение нуля с клеммой заземления выходящего кабеля приведет к ложным срабатываниям.
2. Необходимо подключить аппарат защиты ко всем фазам. Если нулевой провод не подсоединить к контактам УЗО, то будет происходить постоянное срабатывание.
3. Запрещается соединять нули розеток, находящихся под защитой УЗО, с заземлением, поскольку будет происходить генерация дифференциального тока.
4. Запрещается ставить перемычки на нулевые провода входящих клемм. При нарушении этого требования произойдет срабатывание всех УЗО одновременно.

При правильной эксплуатации УЗО, хотя это касается любого устройства и прибора, срок работоспособности увеличится. Следует предотвращать попадание влаги, при котором произойдет преждевременный выход из строя не только УЗО, но и всей аппаратуры.

Выбор устройства

При выборе следует учесть основной параметр — чувствительность, показывающую значение тока утечки, при котором срабатывает защита. Значение параметра находится в интервале от 8 до 35 мА. Кроме того, существуют типы УЗО и с высоким значением чувствительности — 90..350 мА. Если проводка не разветвлена, то следует применять УЗО с чувствительностью на 30 мА. Для выбора устройства нужно произвести расчеты. Следует руководствоваться следующим алгоритмом:

1. Определение общей мощности потребителей (P).
2. Найти номинальное значение силы тока (Iн).
3. Определить тип УЗО, исходя из расчетов.

Общая мощность определяется при помощи суммирования всех мощностей осветительных сетей, бытовой техники и различных устройств. Номинальное значение Iн находится по формуле: Iн = P / U. (U — напряжение, которое равно 220 В). Тип УЗО определяется по значению номинального тока, который всегда следует брать с запасом. Пример расчета следующий:

1. Линия, которую нужно защитить — насос для перекачки воды из бака (700 Вт), микроволновка (1200 Вт), пылесос (1300 Вт), холодильник (500 Вт), освещение (300 Вт), мультиварка (1000 Вт) и остальная техника (500 Вт). Общая мощность: P = 1200 + 1300 + 500 + 700 + 300 + 1000 + 500 = 5500 (Вт).
2. Iн = 5500 / 220 = 25 (А).
3. Согласно каталогу товаров, выбрать УЗО с Iн свыше 30 А.

После расчетов нужно обратить особое внимание на такой параметр, как категория тока утечки. Он показывает тип УЗО и для каких цепей следует его применять. Существует несколько категорий:

1. «АС» для всех видов электрических цепей, кроме потребителей на импульсных блоках питания.
2. «А» — тип, обладающий низким порогом чувствительности и способен фиксировать полуволны амплитудных значений тока. Применяется для потребителей, содержащих импульсные блоки питания.

УЗО категории А применяются чаще, поскольку вся цифровая техника, зарядки на мобильные телефоны и планшеты используют импульсные блоки питания.

Классификация моделей

Мировые производители создали множество моделей, которые отличаются качеством, ценой и надежностью. Наиболее распространены УЗО с дифтоком от 25 мА до 30 мА. Кроме того, дифвыключатели классифицируются по следующим признакам:

1. Способу действия. Подразумевает наличие дополнительного источника питания.
2. Установка: стационарного и переносного видов.
3. Число полюсов: двухполюсные и четырехполюсные.
4. Наличие защиты от перегрузок.
5. Возможность регулирования значений дифференциального тока.
6. Поддержка импульсных источников питания.
7. Вид срабатывания: электронного и электромеханического типов.

Однако при помощи УЗО невозможно достичь максимальной защиты. Главным недостатком УЗО является отсутствие предохранения от короткого замыкания. Для максимальной электрозащиты следует применять несколько устройств. Комбинация устройств дифференциального тока является оптимальной защитой сети и потребителей, а также человека от поражения ЭТ.

Оптимальная защита

При использовании комбинации УЗО и обыкновенного автоматического выключателя можно достичь защиты от дифференциальных токов и перегрузок электросети. Существует комбинация УЗО, автомат (УЗО+автомат) и АВДТ, который расшифровывается как выключатель автоматический дифференциального тока (дифавтомат), позволяющий достичь максимальной степени защиты электросети. Для выбора какой-либо комбинации устройств необходимо рассмотреть основные отличия. Кроме того, следует изучить основные проблемы домашней сети, которая является незащищенной.

АВДТ или дифавтомат включает в свое устройство УЗО и автоматический выключатель (АВ). Скорость срабатывания выше, чем у УЗО, и составляет около 0,04 с. Некоторые модели обладают оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), и поэтому могут срабатывать при исправной цепи. Следует их не сразу включать, а через некоторое время.

Домашняя сеть без защиты

Выбор комбинации устройств защиты следует осуществлять исходя из распространенных недостатков незащищенной электросети. Необходимо учесть еще и тот момент, когда дома никого нет, а всякие перегрузки сети могут привести к короткому замыканию и возгоранию проводки. Этот фактор может привести к пожару. Основными проблемными сторонами незащищенной электросети являются следующие:

1. Перегрузка.
2. Короткое замыкание.
3. Дифтоки.

Если происходит перегрузка электросети, то в этом случае электропроводка не рассчитана на мощность потребителей, подключенных к этому участку цепи. Очень часто проводка имеет старое исполнение, и при подключении мощного потребителя электроэнергии происходит ее нагрев, плавление корпусов розеток, короткое замыкание. Основной метод решения этой проблемы — подключение допустимой мощности, но ее из-за старости проводки угадать сложно, и поэтому электропроводку меняют.

Короткое замыкание (КЗ) возникает при максимальной силе тока и очень низком сопротивлении. Причин этого физического явления может быть много: касание токоведущих проводов, попадание пыли, частиц металла и так далее. Возникновение КЗ приводит к перегреву и плавлению электропроводки, пожарам, а также выходу из строя бытовых приборов.

При возникновении тока утечки происходит образование явления блуждающего тока, при котором возможно поражение человека, КЗ и перегрев электропроводки.

Критерии выбора

При выборе какого-либо устройства для электрозащиты нужно руководствоваться некоторыми правилами. К основным критериям выбора устройств для комплексной защиты относятся следующие: конструктивное исполнение, удобность монтажа, габариты и масса, стоимость, сложности при возникновении и диагностики неполадок, простота подключения.

Для монтажа применяют специальные щиты, состоящие из модулей. При использовании пары УЗО на одну фазу и автоматических выключателей (по 1 на фазу) в щитке заполненное пространство занимает 3 модуля (1 УЗО и 2 автомата). Дифавтомат занимает всего 2 модуля, однако существуют модели, занимающие 1 место. Следовательно, если необходимо обеспечить защиту нескольких линий, то выбор следует сделать в пользу дифавтоматов.

Выполнить монтаж УЗО+2 автомата и дифавтомата просто, благодаря удобным зажимам и конструктивной особенности, однако при установке есть свои нюансы. На рисунке 3 показана схема подключения дифавтомата.

Рисунок 3 — Вариант подключения дифавтомата.

Диагностика неисправностей играет важную роль при выборе УЗО или дифавтомата. Общий принцип работы устройств дифференциального тока основан на обрыве защищенной цепи. Если срабатывает защита, то нужно выяснить причину срабатывания. При установленной паре УЗО+автоматический выключатель (АВ) причину возможно найти быстро. Если сработало УЗО, то в цепи появился ток утечки, а при срабатывании автоматического выключателя — перегрузка цепи или КЗ.

При установленном дифавтомате причину выяснить становится сложнее, но дорогие модели оснащены индикацией, которая показывает утечку или КЗ и перегрузку цепи. При выходе из строя дифавтомата при частых отключениях приходит в негодность тепловой элемент защиты. Починить дифавтомат невозможно и приходится покупать новый. У пары УЗО+АВ может выйти из строя АВ, который стоит сравнительно дешево по отношению к дифавтомату.

Еще одним критерием выбора является стоимость. Стоимость УЗО+2АВ ниже, чем АВДТ. Следует учесть еще и фактор выхода из строя: дешевле купить АВ или УЗО, чем дифавтомат. Рекомендуется приобретать качественные устройства, поскольку при покупке дорого устройства не возникают проблем. Во всех случаях фирмы-производители дают гарантию качества на дорогие товары.

Для примера следует рассмотреть следующую ситуацию: необходимо защитить 10 линий, состоящей из 5 групп УЗО и АВ. Общая стоимость рассчитывается следующим образом: 5 * (стоимость 1 единицы УЗО) + 10 * (стоимость 1 АВ). Для защиты этой линии потребуется 10 * (стоимость 1 АВДТ), поскольку на 1 линию необходим 1 АВДТ. Подставив стоимости в расчетные формулы, делается вывод: дифавтоматы не следует применять, потому что это невыгодно в финансовом плане. При подключении УЗО+2АВ возможно допустить больше ошибок, чем при подключении АВДТ. Однако если сделать все внимательно, то разница видна только в скорости подключения.

Достоинства и недостатки

Достоинства и недостатки — довольно неоднозначные параметры, поскольку нужно учитывать условия эксплуатации устройств дифзащиты, а также подключаемых приборов и типов линий. Недостатки дифавтомата следующие:

1. Диагностика.
2. Стоимость.

Затрудненная диагностика срабатывания защиты у большинства дорогих моделей вообще отсутствует, она бывает только у недорогих устройств. Самым серьезным недостатком является стоимость. Также к минусам УЗО можно отнести следующие: высокое время срабатывания, занимает при монтаже больше места и необходимость применять с АВ для достижения оптимального уровня защиты. Достоинствами дифавтомата являются следующие:

1. При монтаже занимает меньше места.
2. Высокая скорость срабатывания.
3. Удобная установка.

К достоинствам УЗО+2АВ можно отнести следующие: низкая стоимость, легкая диагностика и ремонтоспособность.

Таким образом, обеспечение электробезопасности помещения является важным. Серьезный подход к решению вопроса поможет сохранить оборудование, а также здоровье и жизнь, ведь при несоблюдении правил безопасности при эксплуатации бытовых приборов возрастает вероятность поражения человека электрическим током. Современные средства защиты помогают свести к минимуму финансовые затраты и угрозу здоровью и жизни к минимуму.