Дифференцированный ток что это
Дифференциальные токи электрической цепи
Что такое дифференциальные токи электрической цепи
Чтобы понять, что такое дифференциальный ток, ответим на другой вопрос, почему нас не бьет электрическим током. Ответ кажется простым, потому что, все жилы проводов покрытии изолирующими материалами. Этот так, но если вы встанете на изолирующий коврик и коснетесь токоведущей жилы, вас ударит током? Нет, не ударит. Почему? Потому, что коврик не дает замкнуться электрической цепи от токопроводящей жилы, через вас в землю.
Дифференциальный ток, это не физический процесс, а значение векторной суммы токов в цепи в среднеквадратичном значении. Часто, дифференциальный ток называют током повреждения. Физический процесс, который приводит к появлению дифференциального тока в цепи, называют утечкой тока.
При появлении тока утечки, дифференциальный ток может не появляться. Например, по каким либо причинам, появился ток утечки на металлический корпус стиральной машины, но корпус машины не заземлен и электрически изолирован, значит, дифференциального тока в цепи нет. Человек, касается корпуса стиральной машины и своим телом замыкает электрическую цепь, по которой и потечет дифференциальный ток, являющийся проявлением тока утечки. Если бы корпус стиральной машины был изначально заземлен, то сразу после появления тока утечки, появился дифференциальный ток, через корпус на землю, а УЗО отключило цепь от электропитания.
В чем разница между током утечки и дифференциальным током
Фактической разницы между током утечки и дифференциальным током электрической цепи нет. Дело в применении определений и понятий. Понятие ток утечки, относится к названию тока, который стекает с токоведущих частей цепи (жилы проводов, шины) на токопроводящие элементы цепи (металлические корпуса, трубы). Причем, в отличие от тока короткого замыкания, утечка тока происходит без явного повреждения цепи. Понятие дифференциальный ток, относится к физическим величинам и определяет действующее значение векторной суммы токов в цепи, где установлено УЗО (ВТД).
УЗО и ВДТ это разные аббревиатуры одного и того же устройства. УЗО – устройство защитного отключения (по МЭК RSD), ВДТ – выключатель дифференциального тока (по ГОСТ Р. 51326.1).
Появление тока утечки в цепи, не означает безусловное появление дифференциального тока. Для его появления, нужно замкнуть цепь корпуса на землю.
Стоит отметить, что часто на практике, дифференциальный ток называют током утечки, а ток утечки называют дифференциальным током.
Вывод
Появление в цепи токов утечки выражается в появлении дифференциальных токов повреждения цепи. Математически дифференциальные токи электрической цепи это разница (векторная) между токами от источника тока (выходной ток), и токами после приемника (обратный ток).
дифференциальные токи электрической цепи
Что такое отключающий дифференциальный ток
Отключающий дифференциальный ток, он же ток срабатывания, это значение дифференциального тока повреждения приводящего отключение УЗО (ВДТ).
Что такое неотключающий дифференциальный ток
Неотключающий дифференциальный ток, он же ток не срабатывания, значение дифференциального тока, допустимое в данной цепи и не приводящее к отключению УЗО (ВДТ).
На самом деле в цепях, где есть импульсные устройства, выпрямители, цифровые дискретные устройства регулирующие мощность, а это все современные бытовые приборы, есть фоновое значение дифференциальных токов (импульсных). Импульсные дифференциальные токи нельзя относить к токам повреждения, это рабочий фон. Именно поэтому все устройства защитного отключения имеют определенное значение тока срабатывания, ниже которого устройство срабатывать не будет.
Дифференциальный ток: что это такое, определение, особенности, виды
Дифференциальный ток ( IΔ ) [residual current] (для устройства дифференциального тока) — это среднеквадратическое значение векторной суммы токов, протекающих через главную цепь устройства дифференциального тока [пункт 20.6, 1].
Примечание — Поскольку через главную цепь любого устройства дифференциального тока проходит не менее двух проводников, в главной цепи УДТ протекает не менее двух электрических токов.
Дифференциальный ток ( IΔ ) [residual current] (для электрической цепи) — это алгебраическая сумма значений электрических токов во всех проводниках, находящихся под напряжением, в одно и то же время в данной точке электрической цепи в электрической установке [пункт 20.7, 1].
Вышеприведенное примечание из пункта 20.7 ГОСТ 30331.1-2013 [1] очень грамотно, на мой взгляд, прокомментировал Харечко Ю.В. в своей книге [2]:
« Это примечание устанавливает эквивалентность между дифференциальными токами для УДТ и защищаемой им электрической цепи. Продекларированное равенство дифференциальных токов возможно только в тех электрических цепях переменного тока, в состав которых входят фазные и нейтральный проводники. Однако, учитывая запрет на применение PEN-проводников в электроустановках жилых и общественных зданий, торговых предприятий и медицинских учреждений, указанная эквивалентность будет распространяться на большинство вновь монтируемых и реконструируемых электроустановок зданий. Поскольку подавляющая часть электрических цепей в существующих электроустановках зданий выполнена проводниками, имеющими сечение меньше минимально допустимого сечения PEN-проводника – 10 мм 2 для медного и 16 мм 2 для алюминиевого, эти электрические цепи состоят только из фазных и нейтральных проводников. »
Дифференциальный ток не является электрическим током. Поэтому он не может представлять никакой опасности для человека.
Особенности для электрических цепей.
Далее Харечко Ю.В. рассказывает на примерах, чему равен дифференциальных ток:
Особенности для устройства дифференциального тока.
Обратимся к книге [2], в которой её автор Харечко Ю.В. определил основной фактор воздействующий на УДТ следующим образом:
« Основным фактором, воздействующим на устройство дифференциального тока и инициирующим его оперирование, является дифференциальный ток, который определен в нормативной документации как действующее значение векторной суммы токов, протекающих в главной цепи УДТ. Для определения дифференциального тока УДТ оснащено дифференциальным трансформатором, принцип действия которого проиллюстрирован на рис. 1. »
Дифференциальный трансформатор двухполюсного устройства дифференциального тока имеет две первичные обмотки, выполненные двумя проводниками главной цепи УДТ, и одну вторичную обмотку, к которой подключен расцепитель дифференциального тока.
« Под расцепителем дифференциального тока понимают расцепитель, вызывающий срабатывание УДТ с выдержкой времени или без нее, когда дифференциальный ток превышает заданное значение. »
Рассмотрим нормальные условия оперирования электрической цепи, когда отсутствуют какие-либо повреждения основной изоляции опасных частей, находящихся под напряжением. Через главную цепь УДТ не протекает ток замыкания на землю, поскольку в электрической цепи нет замыкания на землю.
В обоих проводниках главной цепи устройства дифференциального тока протекают электрические токи, равные по своему абсолютному значению току нагрузки Iн (смотрите примечание 1 ниже). То есть электрические токи I1 и I2, протекающие в первичных обмотках дифференциального трансформатора, равны между собой по абсолютному значению:
« Примечание 1. При отсутствии тока утечки. Если в электрической цепи протекает ток утечки, электрические токи, протекающие в фазном и нейтральном проводниках главной цепи УДТ, отличаются друг от друга приблизительно на величину тока утечки. »
Поскольку электрические токи, протекающие в главной цепи УДТ, направлены навстречу друг другу, их векторная сумма равна нулю.
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. Поскольку указанные магнитные потоки взаимно компенсируют друг друга, суммарный магнитный поток в сердечнике дифференциального трансформатора равен нулю.
Следовательно, абсолютная величина электрического тока, который может протекать в электрической цепи, подключенной к вторичной обмотке дифференциального трансформатора, также будет равна нулю:
Поэтому в нормальных условиях расцепитель дифференциального тока не может инициировать срабатывание УДТ, которое, в свою очередь, не отключает присоединенные к нему внешние электрические цепи.
Рассмотрим оперирование электрической цепи в условиях повреждения основной изоляции опасной части, находящейся под напряжением и ее замыкания на землю, когда через главную цепь УДТ протекает ток замыкания на землю.
В условиях повреждения 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:
Следовательно, векторная сумма электрических токов, протекающих в главной цепи УДТ, будет отлична от нуля.
Магнитные потоки Ф1 и Ф2 в сердечнике дифференциального трансформатора, прямо пропорциональные электрическим токам I1 и I2, не равны между собой по абсолютному значению. Они не могут компенсировать друг друга. Поэтому суммарный магнитный поток в сердечнике дифференциального трансформатора отличен от нуля.
Следовательно, абсолютная величина электрического тока, который протекает в электрической цепи, подключенной к вторичной обмотке дифференциального трансформатора, также не равна нулю:
Поэтому в указанных условиях расцепитель дифференциального тока сработает под воздействием электрического тока Iр, побуждая устройство дифференциального тока разомкнуть свои главные контакты и отключить присоединенные к нему внешние электрические цепи.
Харечко Ю.В. подчеркивает особенности функционирования трехполюсных и четырехполюсных УДТ [2]:
« В трехфазных трехпроводных электрических цепях применяют трехполюсные устройства дифференциального тока, а в трехфазных четырехпроводных электрических цепях – четырехполюсные 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 разных фаз, подключенных к УДТ. »
Таким образом, посредством определения дифференциального тока выполняют обнаружение и оценку тока замыкания на землю, например, через тело человека, прикоснувшегося к фазному проводнику. От токов замыкания на землю защищают и людей, и электроустановки зданий.
При замыкании на землю какой-либо токоведущей части дифференциальный ток практически равен току замыкания на землю. В нормальных условиях дифференциальный ток приблизительно равен току утечки, протекающему в электрической цепи.
Виды дифференциальных токов
Все многообразие дифференциальных токов, которые могут возникнуть в главной цепи устройства дифференциального тока бытового назначения, в стандартах ГОСТ IEC 61008-1-2020 [3] и ГОСТ IEC 61009-1-2020 [4] сведено к следующим двум видам: синусоидальному дифференциальному току и пульсирующему постоянному дифференциальному току.
Харечко Ю.В. в своей книге [2], на мой взгляд, максимально простым языком расписал особенности этих 2 видов дифференциального тока. Приведу основные цитаты:
« Синусоидальный дифференциальный ток имеет место в тех случаях, когда в электрических цепях переменного тока, которые подключены к устройству дифференциального тока, не применяют выпрямители, светорегуляторы, регулируемые электроприводы и аналогичные им устройства, существенно изменяющие форму синусоидального тока. Ток утечки и ток замыкания на землю в таких электрических цепях имеют форму, близкую к синусоиде. Такую же синусоидальную форму имеет и дифференциальный ток (рис. 2).
Рис. 2. Синусоидальный ток частотой 50 Гц (на основе рисунка 2 из [2] автора Харечко Ю.В.)
При использовании в электроустановках зданий выпрямителей, светорегуляторов, регулируемых электроприводов и аналогичных им устройств форма синусоидального тока в электрических цепях может существенно изменяться.
Если в каком-то электроприемнике в качестве дискретного регулятора потребляемой им мощности использован диод, в случае повреждения основной изоляции токоведущей части, подключенной после диода, может возникнуть ток замыкания на землю, который будет протекать только в течение половины периода (180° или 10 мс). Такой электрический ток в стандартах ГОСТ IEC 61008-1-2020 и ГОСТ IEC 61009-1-2020 назван пульсирующим постоянным током. Протекание пульсирующего постоянного тока в главной цепи устройства дифференциального тока существенно изменяет его характеристики по сравнению с синусоидальным током.
В электроустановках жилых зданий применяют большое число электроприемников, имеющих встроенные выпрямители. Все они характеризуются небольшими постоянными токами утечки, которые могут создавать суммарный (фоновый) постоянный ток утечки, протекающий через главную цепь устройства дифференциального тока. Протекание даже малого постоянного тока через первичную обмотку дифференциального трансформатора УДТ существенно изменяет (ухудшает) его характеристики. Поэтому в стандартах ГОСТ IEC 61008-1-2020 и ГОСТ IEC 61009-1-2020 учтена возможность протекания небольшого постоянного тока через главную цепь устройства дифференциального тока.
Пульсирующий постоянный ток определен в международных и национальных стандартах как волнообразные импульсы электрического тока длительностью (в угловой мере) не менее 150° за один период пульсации, следующие периодически с номинальной частотой и разделенные промежутками времени, в течение которых электрический ток принимает нулевое значение или значение, не превышающее 0,006 А постоянного тока.
Пульсирующий постоянный ток характеризуют также углом задержки тока, под которым понимают промежуток времени в угловой величине, в течение которого устройство фазового управления задерживает момент протекания электрического тока в электрической цепи. На рис. 3 и 4 показан пульсирующий постоянный ток при углах задержки тока α, равных 0°, 90° и 135°.
Рис. 3. Пульсирующий постоянный ток частотой 50 Гц без составляющей постоянного тока (на основе рисунка 3 из [2] автора Харечко Ю.В.) 
Рис. 4. Пульсирующий постоянный ток частотой 50 Гц с составляющей постоянного тока до 0,006 А включительно ((на основе рисунка 4 из [2] автора Харечко Ю.В.)
Появление в главной цепи устройства дифференциального тока пульсирующего постоянного тока существенно изменяет характеристики УДТ. Устройства дифференциального тока типа АС, которые рассчитаны на работу только при синусоидальном токе, не могут корректно функционировать при появлении пульсирующего постоянного тока. Поэтому в некоторых странах их применение в электроустановках зданий запрещено или существенно ограничено. Устройства дифференциального тока типа АС заменяют более современными УДТ типа A, которые предназначены для применения и при синусоидальном, и при пульсирующем постоянном токе.
В 2016 году был введен в действие ГОСТ IEC 62423-2013, который распространяется на УДТ типа F и типа B бытового назначения. УДТ типа F предназначены для защиты электрических цепей, к которым подключены частотные преобразователи. Они оперируют так же, как УДТ типа A, и дополнительно:
Устройства дифференциального тока типа B оперируют так же, как УДТ типа F, и дополнительно:
Таким образом, самые современные УДТ типа B корректно оперируют в электрических цепях переменного тока при протекании в них токов замыкания на землю различных форм, начиная от синусоидального тока частотой 50 Гц и заканчивая постоянным током. »
Что такое дифференциальный ток
Нередко возникают такие ситуации, когда происходит утечка электрического тока из цепи, не имеющей повреждений, какими-либо токопроводящими путями. Это явление известно, как дифференциальный ток, существующий при определенных условиях.
Свойства и причины дифференциального тока
Протекание тока не может происходить просто по воздуху, необходимо обязательное наличие электрического проводника. В большинстве случаев, в роли такого проводника выступает тело человека. Дифференциальный ток появляется в тех случаях, когда пробита изоляция кабеля или провода, при их некачественном соединении. В результате, когда происходит контакт тела с токопроводящими частями, существует реальная возможность получения серьезных электротравм, которые нередко приводят к летальному исходу.
Нормальная работа сети обеспечивается упорядоченным потоком электронов, передвигающихся по жилам в разные стороны, обеспечивая нулевую разницу силы тока в обеих проводах. При аварийном пробое, проводник замыкается на корпус, проводящий ток. Во время прикосновения происходит образование новой электрической цепи, где тело человека становится ее частью, после чего, начинает протекать дифференциальный ток.
Таким образом, в проводах возникает разница токов, равная величине уходящего тока. Основной причиной этого явления считается нарушение изоляции.
Борьба с дифференциальными токами
Дифференциальный ток, по своей природе, всегда являлся отрицательным фактором. Возникают негативные последствия, начиная от элементарных потерь электроэнергии и заканчивая возникновением пожаров.
Борьба с этим явлением успешно ведется с помощью специальных электротехнических устройств, представляющих собой дифференциальную защиту. Эти устройства оборудованы датчиком в виде дифференциального трансформатора, осуществляющего слежение за входящими и выходящими токами. При нормальном режиме работы в равном значении тока в проводах, никаких утечек не происходит.
При возникновении утечки, отслеживающая обмотка датчика зафиксирует разницу напряжения, передаваемого тому или иному устройству. В этом случае происходит срабатывание защиты и разрыв контактов между потребителем и источником электрической энергии. Далее происходит аварийное отключение, благодаря которому предотвращаются все негативные последствия.
Чтобы избежать подобных ситуаций, необходимо следить за состоянием электрических сетей, своевременно проводить их ремонт и обслуживание.
УДТ (УЗО): назначение, принцип работы, конструкция, типы
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.
Устройство дифференциального тока может быть комбинацией различных отдельных элементов, предназначенных обнаруживать и оценивать дифференциальный ток, а также включать и отключать электрический ток.
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.
Выделяют две разновидности УДТ: автоматический выключатель, управляемый дифференциальным током, без встроенной защиты от сверхтока (ВДТ) и автоматический выключатель, управляемый дифференциальным током, со встроенной защитой от сверхтока (АВДТ).
Указанные термины идентифицируют два вида устройств дифференциального тока, которые выпускаются серийно и применяются в электроустановках зданий для обеспечения защит от поражения электрическим током. Однако в нормативных требованиях по их применению в электроустановках зданий обычно употребляют обобщенное название защитного устройства – «устройство дифференциального тока». Когда необходимо подчеркнуть, что УДТ в том числе предназначено для защиты от сверхтока подключенных к нему электрических цепей, говорят об устройстве дифференциального тока со встроенной защитой от сверхтока. Такое УДТ выполняет те же функции, что и АВДТ. В противном случае речь идет об устройстве дифференциального тока без встроенной защиты от сверхтока, эквивалентом которого является ВДТ.
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:
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. »
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. »
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. »
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. »
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:
Рис. 1. Принцип действия УДТ (рисунок на базе рисунка 1 из [2])
На схеме:
Нормальные условия оперирования электрической цепи
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] и [3]. Приведу некоторые цитаты из этих статей:
« Рассмотрим нормальные условия в электрической цепи, при котором отсутствуют какие-либо повреждения основной изоляции опасных токоведущих частей и нет замыкания на землю. То есть, через главную цепь УДТ не протекает ток замыкания на землю, поскольку в электрической цепи нет замыкания на землю.»
« В обоих проводниках главной цепи УДТ протекают электрические токи, равные по своему абсолютному значению току нагрузки Iн. »
Из вышесказанного получаем:
Поэтому векторная сумма указанных электрических токов равна нулю:
« 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 |. »
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 = | Ф1 — Ф2 | = 0 »
« 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 »
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 |. »
« Векторная сумма электрических токов в проводниках главной цепи устройства дифференциального тока будет отлична от нуля: IΔ=| I1 – I2 |=| Iн + IEF – Iн | = | IEF |. »
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 |. »
« Они не могут компенсировать друг друга, поэтому суммарный магнитный поток в сердечнике дифференциального трансформатора отличен от нуля: ФΔ = | Ф1 – Ф2 | > 0. »
« Абсолютная величина электрического тока, который протекает в электрической цепи, подключённой ко вторичной обмотке дифференциального трансформатора, также будет больше нуля. | Iр | > 0. »
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. »
Таким образом, в условиях единичного или множественных повреждений устройство дифференциального тока размыкает контакты своей главной цепи и отключает присоединенные к нему внешние электрические цепи.
« 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. »
Нюансы работы УДТ в реальных электрических цепях
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 отключающий дифференциальный ток устройства дифференциального тока, инициировав тем самым его автоматическое срабатывание.
Для гарантированного исключения ложных оперирований УДТ его отключающий дифференциальный ток IoΔ должен превышать суммарный ток утечки в электрических цепях, подключенных к УДТ IEL (см. статью «Основное правило применения устройства дифференциального тока»).
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. »
На рисунке 2 показано:
« 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. »
УДТ может быть выполнено в виде изделия, представляющего собой совокупность нескольких устройств. Например, АВДТ бытового назначения, как показано на рис. 3, может быть собран из блока дифференциального тока, соответствующего требованиям приложения G ГОСТ IEC 61009-1-2020, и автоматического выключателя, соответствующего требованиям ГОСТ IEC 60898-1-2020. В таком АВДТ автоматический выключатель производит отключение электрических цепей и при протекании в его главной цепи сверхтоков, и при появлении команды на расцепление, которую подает блок дифференциального тока.
Рис. 3. Схема АВДТ, собранного из блока дифференциального тока и автоматического выключателя (рисунок позаимствован из книги [3] автора Харечко Ю.В. )
На рисунке 3 показано:
Рассмотрим более подробно конструкцию устройств дифференциального тока бытового назначения, которые производят в соответствии с требованиям стандартов МЭК 61008-1 и МЭК 61009-1, ГОСТ IEC 61008-1-2020 и ГОСТ IEC 61009-1-2020.
Устройство дифференциального тока имеет главную цепь и может иметь цепь управления и вспомогательную цепь. Главная цепь объединяет все проводящие части УДТ, включенные в электрическую цепь, которую оно предназначено замыкать и размыкать.
Цепь управления устройства дифференциального тока предназначена для осуществления его замыкания и размыкания или
выполнения обоих оперирований. Эта цепь включает в себя проводящие части УДТ, применяемые для его управления, за исключением тех частей, которые входят в состав главной цепи УДТ. К цепи управления относят цепь контрольного устройства, посредством которой осуществляют периодический контроль работоспособности УДТ.
Вспомогательная цепь объединяет все проводящие части устройства дифференциального тока, предназначенные для включения в электрическую цепь, используемую, например, для дистанционной индикации его коммутационного положения. К этой цепи не относят проводящие части УДТ, которые входят в состав его главной цепи и цепи управления.
Для оснащения устройства дифференциального тока цепью управления (кроме цепи контрольного устройства) и вспомогательной цепью к нему следует прикрепить одно или несколько дополнительных устройств, таких, например, как блок-контакт, независимый расцепитель и расцепитель минимального напряжения.
Блок-контакт представляет собой выключатель с одним или несколькими контактами управления и (или) вспомогательными контактами, который механически приводится в действие устройством дифференциального тока. Для устройств дифференциального тока выпускают блок-контакт положения (БКП), предназначенный для указания коммутационного положения УДТ, и блок-контакт срабатывания (БКС), предназначенный для указания срабатывания УДТ.
При замыкании главных контактов УДТ замыкающие контакты БКП замыкаются, а размыкающие контакты – размыкаются. При размыкании устройством дифференциального тока своих главных контактов из-за появления в его главной цепи тока замыкания на землю (ВДТ и АВДТ) или сверхтока (АВДТ), под воздействием независимого расцепителя или расцепителя минимального напряжения, а также при ручном управлении УДТ замыкающие контакты БКП размыкаются, а размыкающие контакты – замыкаются. Применение блок-контактов положения во вспомогательных цепях устройств дифференциального тока позволяет выполнить в электроустановке здания систему сигнализации и контроля их коммутационного положения. Кроме того, БКП могут быть использованы в цепях управления других коммутационных устройств, которые применяют в одной электроустановке здания.
При замыкании главных контактов устройства дифференциального тока замыкающие контакты БКС замыкаются, а размыкающие контакты БКС размыкаются. В исходное положение контакты БКС возвращаются в двух случаях: при размыкании УДТ своих главных контактов из-за появления в его главной цепи тока замыкания на землю, сверхтока и при отключении УДТ с помощью независимого расцепителя или расцепителя минимального напряжения.
При ручном отключении УДТ контакты БКС не меняют своего коммутационного положения. Блок-контакты срабатывания, как правило, используют во вспомогательных цепях для сигнализации об отключении устройством дифференциального
тока тока замыкания на землю или сверхтока, но их можно применять и в цепях управления других коммутационных устройств, установленных в электроустановке здания.
Независимый расцепитель и расцепитель минимального напряжения применяют для управления устройством дифференциального тока.
Главная цепь устройства дифференциального тока обычно состоит из двух, трех или четырех полюсов. Под полюсом понимают часть УДТ, связанную исключительно с одним электрически независимым проводящим путем его главной цепи, оснащенную контактами, предназначенными замыкать и размыкать главную цепь, исключая те части, которые обеспечивают средства для монтажа и совместного оперирования всеми полюсами.
Наиболее широкое применение в электроустановках зданий получили двухполюсные устройства дифференциального тока,
предназначенные для использования в однофазных двухпроводных электрических цепях, и четырехполюсные УДТ, которые используют в трехфазных четырехпроводных электрических цепях. Для трехфазных трехпроводных электрических цепей выпускают трехполюсные УДТ, имеющие меньшую область применения, чем четырехполюсные устройства, поскольку такие электрические цепи используют значительно реже.
Для выполнения функции по защите от сверхтока АВДТ оснащают защищенными полюсами. Оставшийся полюс АВДТ, если таковой имеется, может быть незащищенным полюсом или коммутирующим нейтральным полюсом. Защищенный полюс оснащен расцепителем сверхтока таким же, как и автоматический выключатель. Незащищенный полюс не имеет расцепителя сверхтока, но во всем остальном он способен к той же самой работе, как защищенный полюс того же самого АВДТ. Коммутирующий нейтральный полюс предназначен коммутировать электрическую цепь нейтрального проводника, но не предназначен иметь коммутационную способность при коротком замыкании.
В главной цепи каждого полюса устройства дифференциального тока имеются главные контакты. Главный контакт представляет собой контакт, включенный в главную цепь УДТ и предназначенный для проведения в замкнутом положении электрического тока, протекающего в его главной цепи.
При размыкании главной цепи УДТ, по которой протекает электрический ток (особенно – сверхток), возможно возникновение электрических дуг между разъединяемыми частями главных контактов. Поэтому АВДТ, а часто и ВДТ, оснащают дуговыми контактами, на которых предполагается возникновение электрической дуги.
Дуговой контакт может быть главным контактом, а может быть отдельным контактом, который размыкается позже, а замыкается раньше другого контакта главной цепи, защищаемого им от повреждения электрической дугой. У АВДТ так же, как у автоматических выключателей, дуговые контакты обычно являются главными контактами. Главный контакт имеет специальную конструкцию проводящих частей, которая обеспечивает перемещение электрической дуги в дугогасительную камеру, где она разбивается металлическими пластинами на несколько частей и интенсивно гасится.
В многополюсном устройстве дифференциального тока подвижные контакты всех полюсов (за исключением коммутирующего нейтрального полюса) должны замыкать и размыкать главную цепь практически одновременно как при автоматическом, так и при ручном оперировании. Контакты коммутирующего нейтрального полюса должны размыкаться позже, а замыкаться раньше контактов остальных полюсов УДТ.
В цепи управления устройства дифференциального тока имеются контакты управления, которые механически приводятся в действие этим же УДТ. Вспомогательные контакты, если их используют, входят в состав вспомогательной цепи устройства дифференциального тока и механически приводятся в действие этим же УДТ.
Каждое УДТ оснащают одним или несколькими расцепителями, которые предназначены для инициирования:
Расцепитель представляет собой устройство, механически связанное с устройством дифференциального тока или встроенное в него, которое освобождает удерживающее приспособление в механизме УДТ и инициирует его автоматическое размыкание.
Для сравнения величины дифференциального тока в главной цепи устройства дифференциального тока со значением дифференциального тока срабатывания, а также для выдачи команды на размыкание главных контактов в УДТ установлен расцепитель дифференциального тока. Расцепитель дифференциального тока инициирует автоматическое срабатывание УДТ в том случае, если значение дифференциального тока в его главной цепи превосходит значение дифференциального тока срабатывания или равно ему.
Для выполнения АВДТ функций по защите от сверхтока их оснащают (помимо расцепителя дифференциального тока) такими же расцепителями сверхтока, какими оснащены автоматические выключатели. Если АВДТ состоит из блока дифференциального тока и автоматического выключателя, то расцепитель дифференциального тока расположен в БДТ, а расцепители сверхтока – в автоматическом выключателе.
Устройства дифференциального тока могут быть оснащены независимыми расцепителями и расцепителями минимального напряжения.
Независимый расцепитель представляет собой расцепитель, возбуждаемый источником напряжения. Он предназначен для дистанционного управления устройством дифференциального тока. Его используют в тех случаях, когда существует потребность в дистанционном отключении каких-то электрических цепей с помощью УДТ.
После подачи напряжения на цепь управления независимого расцепителя его электромагнитный механизм воздействует на удерживающее приспособление устройства дифференциального тока, инициируя размыкание контактов его главной цепи. Управляющий сигнал для независимого расцепителя может быть сформирован вручную, например, посредством кнопочного выключателя с замыкающим контактом. Сигнал управления также может быть сгенерирован каким-либо коммутационным или электронным устройством по факту выполнения каких-то предопределенных условий, например, таймером при наступлении установленного часа.
Включение устройства дифференциального тока после осуществления его дистанционного отключения с помощью независимого расцепителя производят вручную.
Расцепитель минимального напряжения представляет собой расцепитель, инициирующий размыкание автоматического выключателя с выдержкой времени или без нее, когда напряжение на выводах расцепителя снижается ниже предопределенного значения. Основным его назначением является побуждение устройства дифференциального тока к отключению электрооборудования при недопустимом для него снижении напряжения. Расцепитель минимального напряжения обычно вызывает отключение устройства дифференциального тока при снижении напряжения в своей цепи управления до 75 % от его номинального значения (например, равного 230 В переменного тока) и менее, а также препятствует включению УДТ, если напряжение в этой цепи меньше 85 % от номинального напряжения.
Каждое устройство дифференциального тока должно иметь механизм свободного расцепления, который обеспечивает возвращение подвижных контактов его главной цепи в разомкнутое положение, когда автоматическое размыкание инициируется после начала замыкания, даже если сохраняется команда на замыкание. Этот механизм позволяет осуществлять отключение УДТ тока замыкания на землю в тот момент, когда выполняют его ручное управление.
Например, при ручном оперировании устройством дифференциального тока на включение электрической цепи, в которой имеется замыкание на землю, по замыканию главных контактов через главную цепь УДТ начнет протекать ток замыкания
на землю. Под его воздействием расцепитель дифференциального тока освободит удерживающее приспособление в механизме УДТ. Главные контакты УДТ станут автоматически размыкаться, несмотря на то, что в рассматриваемый промежуток времени еще продолжается ручное управление на их замыкание.
Аналогично функционирует механизм свободного расцепления АВДТ при ручном включении электрической цепи, в которой имеется короткое замыкание. После замыкания главных контактов в главной цепи АВДТ начнет протекать ток короткого замыкания. Расцепитель сверхтока освободит удерживающее приспособление в механизме АВДТ. Главные контакты АВДТ станут автоматически размыкаться даже при продолжении ручного оперирования на их замыкание.
Если АВДТ состоит из блока дифференциального тока и автоматического выключателя, механизм свободного расцепления
АВДТ находится в автоматическом выключателе. Расцепитель дифференциального тока, который находится в БДТ, воздействует на удерживающее приспособление механизма автоматического выключателя, позволяя реализовать функцию свободного расцепления при включении рассматриваемым АВДТ электрической цепи, в которой имеется замыкание на землю.
В каждом устройстве дифференциального тока предусмотрена индикация его коммутационного положения, которая позволяет определить, в каком положении (замкнутом или разомкнутом) находятся его главные контакты. С этой целью устройство дифференциального тока может быть оснащено индикатором положения. В противном случае коммутационное положение УДТ указывает орган управления, который должен иметь два четко различающихся состояния покоя, соответствующих замкнутому и разомкнутому положению его главных контактов. При автоматическом срабатывании УДТ из-за появления тока замыкания на землю (ВДТ, АВДТ) или сверхтока (АВДТ) в его главной цепи орган управления УДТ может занимать отдельное, третье положение. Орган управления вертикально установленного УДТ обычно перемещается вверх-вниз.
При перемещении органа управления вверх главные контакты УДТ замыкаются, а при перемещении органа управления вниз они размыкаются. Замкнутое положение УДТ обозначают знаком | (вертикальной чертой), разомкнутое положение – знаком О (окружностью).
У АВДТ, состоящего из блока дифференциального тока и автоматического выключателя, коммутационное положение обычно указывает индикатор положения и орган управления автоматического выключателя. Если орган управления вертикально установленного автоматического выключателя перемещается вверх-вниз, его главные контакты должны замыкаться при перемещении органа управления вверх.
Для электрического присоединения устройства дифференциального тока к проводникам внешних электрических цепей используют выводы, которые могут быть выводами резьбового типа и выводами безрезьбового типа. Обычно УДТ оснащают резьбовыми выводами: столбчатыми, винтовыми, штифтовыми, пластинчатыми, реже – выводами для наконечников. Наиболее распространенным видом выводов у современных устройств дифференциального тока является столбчатый вывод, в отверстие или полость которого вставляют проводник и зажимают его одним или несколькими винтами. Некоторые фирмы начинают производить устройства дифференциального тока, оснащенные выводами безрезьбового типа.
Типы УДТ
Согласно стандартам МЭК 61008-1 и МЭК 61009-1, ГОСТ IEC 61008-1-2020 и ГОСТ IEC 61009-1-2020 выпускают следующие устройства дифференциального тока:
УДТ типа АС, надлежащее срабатывание которых происходит только при синусоидальных переменных дифференциальных токах, либо прикладываемых скачком, либо медленно растущих;
УДТ типа А, надлежащее срабатывание которых происходит как при синусоидальных переменных дифференциальных токах, так и при пульсирующих постоянных дифференциальных токах, либо прикладываемых скачком, либо медленно растущих.
Стандартом МЭК 624231 (ГОСТ IEC 62423-2013) установлены дополнительные к стандартам МЭК 61008-1 и МЭК 61009-1 требования, в соответствии с которыми выпускают УДТ типа F и типа B. УДТ типа F предназначены для защиты электрических цепей, к которым подключены частотные преобразователи. Они оперируют так же, как УДТ типа A, и дополнительно:
УДТ типа B оперируют так же, как УДТ типа F, и дополнительно:
В зависимости от наличия задержки по времени (при наличии отключающего дифференциального тока) выпускают устройства дифференциального тока без выдержки времени – тип для общего применения и УДТ с выдержкой времени – тип S для обеспечения селективности. Устройства дифференциального тока типа S специально предназначены для обеспечения селективной работы при их последовательном включении с УДТ общего применения. (смотрите статью «Основное правило селективного оперирования устройств дифференциального тока»).