3. УЗО - ЭФФЕКТИВНОЕ ПРОТИВОПОЖАРНОЕ И ЭЛЕКТРОЗАЩИТНОЕ СРЕДСТВО

3.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Устройства защитного отключения, реагирующие на дифференциальный ток, наряду с устройствами защиты от сверхтока, относятся к дополнительным видам защиты человека от поражения при косвенном прикосновении, обеспечиваемой путем автоматического отключения питания. Защита от сверхтока (при применении защитного зануления) обеспечивает защиту человека при косвенном прикосновении - путем отключения автоматическими выключателями или предохранителями поврежденного участка цепи при коротком замыкании на корпус.

При малых токах замыкания, снижении уровня изоляции, а также при обрыве нулевого защитного проводника зануление недостаточно эффективно, поэтому в этих случаях УЗО является единственным средством защиты человека от электропоражения.

В основе действия защитного отключения, как электрозащитного средства, лежит принцип ограничения (за счет быстрого отключения) продолжительности протекания тока через тело человека при непреднамеренном прикосновении его к элементам электроустановки, находящимся под напряжением (рис. 3.1). Из всех известных электрозащитных средств УЗО является единственным, обеспечивающим защиту человека от поражения электрическим током при прямом прикосновении к одной из токоведущих частей.


Рис 3.1. График областей физиологического действия на человека переменного тока (50-60 Гц) по МЭК 479-94, гл. 2,3 и времятоковые характеристики УЗО:

1 - неощутимые токи; 2 - ощутимые, но не вызывающие физиологических нарушений; 3 - ощутимые, но не вызывающие опасность фибрилляции сердца; 4 - ощутимые, вызывающие опасность фибрилляции сердца (вероятность 50%); А и В - времятоковые характеристики УЗО (I_Dn=10mA и I_Dn=30mA)

Другим, не менее важным свойством УЗО является его способность осуществлять защиту от возгораний и пожаров, возникающих на объектах вследствие возможных повреждений изоляции, неисправностей электропроводки и электрооборудования.

По данным ВНИИПО МВД РФ более трети всех пожаров происходят по причине возгорания электропроводки в результате нагрева проводников по всей длине, искрения, горения электрической дуги на каком-либо элементе, вызванных токами короткого замыкания.

Короткие замыкания, как правило, развиваются из дефектов изоляции, замыканий на землю, утечек тока на землю. УЗО, реагируя на ток утечки на землю или защитный проводник, заблаговременно, до развития в короткое замыкание, отключает электроустановку от источника питания, предотвращая тем самым недопустимый нагрев проводников, искрение, возникновение дуги и возможное последующее возгорание.

В отдельных случаях энергии, выделяемой в месте повреждения изоляции при протекании токов утечки, достаточно для возникновения очага возгорания и, как следствие, пожара. По данным различных отечественных и зарубежных источников, локальное возгорание изоляции может быть вызвано довольно незначительной мощностью, выделяемой в месте утечки. В зависимости от материала и срока службы изоляции эта мощность составляет всего 40-60 Вт. Это означает, что своевременное срабатывание УЗО противопожарного назначения с уставкой 300 мА предупредит выделение указанной мощности, и, следовательно, не допустит возгорания.

Первое устройство защитного отключения было запатентовано германской фирмой RWE (Rheinisch-Westfalisches Elektrizitatswerk AG) в 1928 г. (DRP № 552 678 от 08.04.28). Впервые принцип токовой дифференциальной защиты, ранее применявшийся для защиты генераторов, линий и трансформаторов, был применен для защиты человека от поражения электрическим током.

В 1937 г. фирма Schutzapparategesellschaft Paris & Co. изготовила первое действующее устройство на базе дифференциального трансформатора и поляризованного реле, имевшее чувствительность 0,01 А и быстродействие 0,1 с. В том же году с помощью добровольца - сотрудника фирмы, было проведено испытание УЗО. Эксперимент закончился благополучно, устройство сработало четко, доброволец испытал лишь слабый удар электрическим током, хотя и отказался от участия в дальнейших опытах.

Все последующие годы, за исключением военных и первых послевоенных, велась интенсивная работа по изучению действия электрического тока на организм человека, разработке электрозащитных средств и в первую очередь - совершенствованию и внедрению УЗО.

В 70-х годах, в нашей стране активно велись научно-исследовательские, экспериментальные и опытно-конструкторские работы по созданию и внедрению в широкую практику УЗО. На нескольких предприятиях было освоено производство УЗО, к сожалению, в малых объемах. Большое значение имело осуществленное в 80-е годы оборудование ряда школ страны устройствами УЗОШ (школьное). Это устройство до сих пор производит Гомельский завод "Электроаппаратура". Этот завод выпускает также устройства ЗОУП-25 (для сельскохозяйственного электрооборудования), УЗО-В (устройство разрабатывалось первоначально как УЗО-вилка - для подключения стиральных машин).

При реконструкции гостиницы "Россия" после печально известного пожара все гостиничные номера были оборудованы отечественными УЗО, изготовленными по специальному заказу одним из оборонных предприятий.

В 1960-70 гг. во всем мире, в первую очередь в странах Западной Европы, Японии, США началось активное внедрение УЗО в широкую практику.

В настоящее время сотни миллионов УЗО успешно, о чем свидетельствует официальная статистика, защищают жизнь и имущество граждан Франции, Германии, Австрии, Австралии и других стран от электропоражений и пожаров.

УЗО давно стало привычным и обязательным элементом любой электроустановки промышленного или социально-бытового назначения.

УЗО является обязательным элементом любого распределительного щита, этими устройствами оборудованы в обязательном порядке все передвижные объекты (жилые домики-прицепы на кемпинговых площадках, торговые фургоны, фургоны общественного питания, малые временные электроустановки наружной установки, например, устраиваемые на площадях на время праздничных гуляний), ангары, гаражи.

УЗО встраивают в розеточные блоки или вилки, через которые подключаются электроинструмент или бытовые электроприборы, эксплуатируемые в особоопасных - влажных, пыльных, с проводящими полами и т.п. помещениях.

Страховые компании при оценке риска, определяющего страховую сумму, обязательно учитывают наличие на объекте страхования УЗО и их техническое состояние.

В настоящее время на каждого жителя указанных стран приходится в среднем по два УЗО. Тем не менее, десятки фирм на протяжении многих лет стабильно, в значительных количествах производят эти устройства самых различных модификаций, постоянно совершенствуя их технические параметры.

Следует отметить, что термин "устройство защитного отключения - УЗО", принятый в отечественной специальной литературе, наиболее точно определяет назначение данного устройства и его отличие от других коммутационных электрических аппаратов - автоматических выключателей, выключателей нагрузки, магнитных пускателей и т.д.

За рубежом приняты следующие обозначения:

• В Германии, Австрии - Fehlerstrom-Schutzschalter (Fehlerstrom-Schutzeinrichtung). Сокращенно: FI-Schutzschalter (F-Fehler - повреждение, неисправность, утечка, I - символ тока в электротехнике, Schutzschalter - защитный выключатель, Schutzeinrichtung - защитное устройство);
  
  
• Во Франции - DD - disjoncteur differentiel (дифференциальный выключатель);
• В Великобритании - e.l.c.b. (earth leakage circuit breaker - выключатель тока утечки на землю);
• В США - GFCI (Ground Fault Circuit Interrupter - размыкатель тока утечки на землю).

Таблица 3.1

RCD	residual current protective device - защитное устройство по дифференциальному (разностному) току (общее название УЗО)
PRCD	portable residual current protective device - переносное защитное устройство по дифференциальному току
PRCD-S	portable residual current protective device-safety - переносное защитное устройство по дифференциальному току (в кабеле удлинителе)
SRCD	fixed socket outless residual current protective device - защитное устройство по дифференциальному току (встроенное в розетку)
RCCB	residual current operated circuit-breakers without integral overcurrent protection - защитное устройство по дифференциальному току без встроенной защиты от сверх токов
RCBO	residual current operated circuit-breakers with integral overcurrent protection - защитное устройство по дифференциальному току со встроенной защиты от сверх токов
RCM	residual current monitor - устройство контроля дифференциального тока (тока утечки)

В настоящее время действует международная классификация УЗО, разработанная международной электротехнической комиссией (МЭК) - (табл. 3.1).

Принято общее название - RCD - residual current protective device.
Точный перевод - защитное устройство по разностному (дифференциальному) току.

Примечание.
Очень часто, даже в стандартах, встречается перевод слова "residual" как "остаточный", что вызывает различные недоразумения, поскольку в отечественной электротехнической терминологии нет термина "остаточный ток".

Другая неточность, также вкравшаяся в стандарты, это определение УЗО, как "устройства, управляемого остаточным током". Здесь нарушена элементарная причинно-следственная связь. Устройство не управляется этим током, а реагирует на него!

В последних отечественных стандартах (серии ГОСТ Р 51326, 51327) также нарушена терминология: в отличие от принятого в основном стандарте (ГОСТ Р 50807-95) определения, УЗО называется то выключатель дифференциального тока - ВДТ, то автоматический выключатель дифференциального тока - АВДТ, что вводит в заблуждение специалистов.

Часто применяется другое, не соответствующее стандартам название УЗО - "дифференциальный выключатель". Это название распространилось из переведенных не специалистами-электриками проспектов зарубежных фирм и относится к "УЗО со встроенной защитой от сверхтоков".

3.2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ 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. 3.2.


Рис 3.2. Структура УЗО
Важнейшим функциональным блоком УЗО является дифференциальный трансформатор тока 1. В абсолютном большинстве УЗО, производимых и эксплуатируемых в настоящее время во всем мире, в качестве датчика дифференциального тока используется именно трансформатор тока. В литературе по вопросам конструирования и применения УЗО этот трансформатор иногда называют трансформатором тока нулевой последовательности - ТТНП, хотя понятие "нулевая последовательность" применимо только к трехфазным цепям и используется при расчетах несимметричных режимов многофазных цепей.

Пусковой орган (пороговый элемент) 2 выполняется, как правило, на чувствительных магнитоэлектрических реле прямого действия или электронных компонентах. Исполнительный механизм 3 включает в себя силовую контактную группу с механизмом привода.

В нормальном режиме, при отсутствии дифференциального тока - тока утечки, в силовой цепи по проводникам, проходящим сквозь окно магнитопровода трансформатора тока 1 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 2 находится в этом случае в состоянии покоя.

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 2, последний срабатывает и воздействует на исполнительный механизм 3.

Исполнительный механизм, обычно состоящий из пружинного привода, спускового механизма и группы силовых контактов, размыкает электрическую цепь. В результате защищаемая УЗО электроустановка обесточивается.

Для осуществления периодического контроля исправности (работоспособности) УЗО предусмотрена цепь тестирования 4. При нажатии кнопки "Тест" искусственно создается отключающий дифференциальный ток. Срабатывание УЗО означает, что оно в целом исправно.

 

3.3. ТИПЫ УЗО
По условиям функционирования УЗО подразделяются на следующие типы: АС, А, В, S, G.

• УЗО типа АС - устройство защитного отключения, реагирующее на переменный синусоидальный дифференциальный ток, возникающий внезапно, либо медленно возрастающий.
• УЗО типа А - устройство защитного отключения, реагирующее на переменный синусоидальный дифференциальный ток и пульсирующий постоянный дифференциальный ток, возникающие внезапно, либо медленно возрастающие.
• УЗО типа В - устройство защитного отключения, реагирующее на переменный, постоянный и выпрямленный дифференциальные токи.
• УЗО типа S - устройство защитного отключения, селективное (с выдержкой времени отключения).
• УЗО типа G - то же, что и типа S, но с меньшей выдержкой времени.

Принципиальное значение при рассмотрении конструкции УЗО имеет разделение устройств по способу технической реализации на следующие два типа:

УЗО, функционально не зависящие от напряжения питания (электромеханические). Источником энергии, необходимой для функционирования - выполнения защитных функций, включая операцию отключения, является для устройства сам сигнал - дифференциальный ток, на который оно реагирует;

УЗО, функционально зависящие от напряжения питания (электронные). Их механизм для выполнения операции отключения нуждается в энергии, получаемой либо от контролируемой сети, либо от внешнего источника. Применение устройств, функционально зависящих от напряжения питания, более ограничено в силу их меньшей надежности, подверженности воздействию внешних факторов и др. Однако основной причиной меньшего распространения таких устройств является их неработоспособность при часто встречающейся и наиболее опасной по условиям вероятности электропоражения неисправности электроустановки, а именно - при обрыве нулевого проводника в цепи до УЗО по направлению к источнику питания. В этом случае "электронное" УЗО, не имея питания, не функционирует, а на электроустановку по фазному проводнику выносится опасный для жизни человека потенциал.
Стандарт МЭК 364-5-53 "Электроустановки зданий. Часть 5. Выбор и монтаж электрооборудования. Коммутационная аппаратура и аппаратура управления" определяет следующие требования к УЗО, функционально зависящим от напряжения питания:

• 531.2.2. Выбор устройств (УЗО) с учетом их функциональной зависимости от напряжения питания.
• 531.2.2.1. Устройства защиты (УЗО), управляемые остаточным током, могут иметь или не иметь вспомогательный источник питания, принимая во внимание требования пункта 531.2.2.2.
• 531.2.2.2. Применение устройств защиты, управляемых остаточным током, со вспомогательным источником питания, не отключающего автоматически защищаемую цепь в случае отказа вспомогательного источника, разрешается только при выполнении одного из двух условий:
• защита от непрямого контакта по п. 413.1 обеспечивается даже в случае отказа вспомогательного источника;
• устройства монтируются в установках, управляемых, испытываемых и проверяемых обученным (ВА4) или высококвалифицированным (ВА5) персоналом.

Рис 3.3. "Электронное" УЗО с функцией отключения сети:
1 - дифференциальный трансформатор тока; 2 - электронный усилитель; 3 - цепь теста; 4 - удерживающее реле; 5 - блок управления; Н - нагрузка; Т - кнопка "Тест"

В конструкции "электронных" УЗО, производимых в США, Японии, Южной Корее и в некоторых европейских странах (рис. 3.3), как правило, заложена функция отключения от сети защищаемой электроустановки при исчезновении напряжения питания. Эта функция конструктивно реализуется с помощью электромагнитного реле, работающего в режиме самоудерживания. Силовые контакты реле находятся во включенном положении только при протекании тока по его обмотке (аналогично магнитному пускателю).

При исчезновении напряжения на вводных зажимах устройства якорь реле отпадает, при этом силовые контакты размыкаются, защищаемая электроустановка обесточивается. Подобная конструкция УЗО обеспечивает гарантированную защиту от поражения человека в электроустановке и в случае обрыва нулевого проводника.

В США применяются в основном УЗО, встроенные в розеточные блоки. На одном объекте, например, небольшой квартире устанавливается по 10-15 устройств. Розетки, не оборудованные УЗО, обязательно запитываются шлейфом от розеточных блоков с УЗО.

К сожалению, в нашей стране, в отличие от общепринятой в мировой практике концепции, целым рядом предприятий производятся электронные УЗО на базе типового автоматического выключателя.

Эти устройства функционируют следующим образом.
При возникновении дифференциального тока с модуля защитного отключения, содержащего дифференциальный трансформатор и электронный усилитель, на скомпонованный с модулем автоматический выключатель подается либо электрический сигнал (на модифицированную катушку токовой отсечки), либо с якоря промежуточного реле через поводок осуществляется механическое воздействие на механизм свободного расцепления выключателя. В результате автоматический выключатель срабатывает и отключает защищаемую цепь от сети. При отсутствии напряжения на входных зажимах такого устройства (например, при обрыве нулевого проводника до УЗО), во-первых, из-за отсутствия питания не функционирует электронный усилитель, во-вторых, отсутствует энергия, необходимая для срабатывания автоматического выключателя.

Таким образом, в случае обрыва нулевого проводника в питающей сети устройство неработоспособно и не защищает контролируемую цепь. При этом в данном аварийном режиме (при обрыве нулевого проводника) опасность поражения человека электрическим током усугубляется, так как по фазному проводнику через неразомкнутые контакты автоматического выключателя в электроустановку выносится потенциал. Пользователь, полагая, что в сети напряжения нет, теряет обычную бдительность по отношению к электрическому напряжению и часто предпринимает попытки устранить неисправность и восстановить электропитание - открывает электрический щит, проверяет контакты, - подвергая тем самым свою жизнь смертельной опасности.

В европейских странах - Германии, Австрии, Франции электротехнические нормы допускают применение УЗО только первого типа - не зависящих от напряжения питания. УЗО второго типа разрешено применять в цепях, защищаемых электромеханическими УЗО, только в качестве дополнительной защиты для конечных потребителей, например, для электроинструмента, нестационарных электроприемников и т.д.
Электромеханические УЗО производят ведущие европейские фирмы - Siemens, ABB, GE Power, ABL Sursum, Hager, Kopp, AEG, Baco, Legrand, Merlin-Gerin, Circutor и др.

В России большое распространение получили электромеханические устройства - АСТРО*УЗО. Более 30 модификаций АСТРО*УЗО серийно производятся государственным предприятием - ОПЗ МЭИ.

В качестве примечания необходимо отметить, что, к сожалению, на отечественном рынке появилось огромное количество самых разнообразных подделок УЗО и устройств не установленного происхождения, имеющих часто привлекательный внешний вид, но по техническим параметрам не выдерживающих даже приемосдаточных испытаний.

Применение подобных устройств, учитывая особое назначение УЗО - защиту жизни и имущества человека, является совершенно недопустимым. Поэтому, при приобретении УЗО необходимо обратить особое внимание на наличие сопроводительной технической документации, в том числе обязательно двух сертификатов - сертификата соответствия и сертификата пожарной безопасности.


Рис 3.4. Устройство УЗО со встроенной защитой от сверхтоков:
1 - катушка токовой отсечки; 2 - биметаллическая пластина; 3 - дифференциальный трансформатор тока; 4 - магнитоэлектрический расцепитель, реагирующий на дифференциальный ток; 5 - тестовый резистор; 6 - силовые контакты; Н - нагрузка; Т - кнопка "Тест"

Существует класс приборов - УЗО со встроенной защитой от сверхтоков (RCBO), так называемые "комбинированные" УЗО (рис. 3.4).

Практически все фирмы-производители УЗО имеют в своей производственной программе УЗО со встроенной защитой от сверхтоков. Как правило, их доля в общем объеме выпускаемых устройств защитного отключения не превышает одного-двух процентов. Это объясняется довольно ограниченной областью их применения - незначительная, неизменяемая нагрузка, автономный электроприемник и т.п.

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 УЗО со встроенной защитой от сверхтоков 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.