для чего нужен дифференциальный трансформатор тока в вдт

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Что такое дифференциальный трансформатор для измерения линейных перемещений (LVDT-датчик) и как он работает

Принцип работы LVDT-датчика

Дифференциальный трансформатор для измерения линейных перемещений (LVDT) представляет собой электромеханический преобразователь, который определяет механическое смещение сердечника и выдает пропорциональное переменное напряжение на выходе. Высокое разрешение (теоретически бесконечное), высокая линейность (0,5% или лучше), высокая чувствительность и нулевое механическое трение – вот некоторые из важных характеристик LVDT-датчиков.

В этой статье мы рассмотрим структуру и принципы работы LVDT-датчика. Мы также рассмотрим три важных параметра этих датчиков: линейный диапазон, погрешность линейности и чувствительность.

Структура LVDT

На следующих рисунках показан вид в разрезе и схемная модель базового LVDT-датчика. Он состоит из одной первичной обмотки, соединенной с двумя вторичными обмотками через подвижный сердечник. Когда магнитопроницаемый сердечник движется, магнитная связь между первичной и каждой вторичной обмотками соответственно изменяется. Это создает зависящие от положения сигналы напряжения на двух обмотках, которые можно использовать для определения положения объекта.

Две вторичные обмотки соединены последовательно, но намотаны в противоположных направлениях. Сердечник, обычно через неферромагнитный стержень, прикрепляется к объекту, движение которого измеряется, и узел катушки обычно фиксируется в неподвижной форме.

Как работает LVDT-датчик

Когда сердечник смещается вверх, как показано на следующем рисунке, связь между первичной обмоткой и первой вторичной обмоткой становится сильнее. Это приводит к большему напряжению переменного тока на первой вторичной обмотке по сравнению со второй вторичной обмоткой (| Vs1 |> | Vs2 |) и ненулевому выходу (Vout). Обратите внимание, что выходной сигнал находится в фазе с Vs1, но его амплитуда относительно меньше. В примере, изображенном на нижеприведенном рисунке, выходной сигнал должен быть идеально синфазен с VEXC, когда сердечник смещается вверх.

Типичные формы сигналов для смещения сердечника вниз показаны на следующем рисунке.

В этом случае магнитная связь между первичной и второй вторичной обмотками увеличивается, что приводит к | Vs2 | > | Vs1 |. Как видите, у нас будет ненулевой выход Vout, который в идеале сдвинут по фазе на 180° по отношению к напряжению возбуждения.

Передаточная функция

На следующем рисунке показана передаточная функция стандартного LVDT-датчика. По оси абсцисс отложено смещение сердечника от центра. По оси ординат – амплитуда выходного переменного напряжения.

В начале координат (x = 0) выход в идеале равен нулю. Когда сердечник смещается от центра в любом направлении, амплитуда выходного сигнала увеличивается линейно с перемещением сердечника. Обратите внимание, что, измеряя только амплитуду выходного сигнала, мы не можем определить, смещен ли сердечник влево или вправо. Нам нужно знать как амплитуду, так и фазу выходного сигнала.

Линейный диапазон

Как показано на предыдущем рисунке, LVDT-датчик демонстрирует линейную передаточную функцию только в ограниченном диапазоне смещения сердечника. Это определяется как линейный диапазон LVDT. Почему устройство перестает иметь линейную зависимость за пределами этого диапазона?

Мы можем представить, что, когда смещение сердечника из нулевого положения превышает определенное значение, магнитный поток, который передается сердечнику от первичной обмотки, уменьшается. Следовательно, это приводит к снижению напряжения, которое появляется на соответствующей вторичной обмотке. Максимальное расстояние, на которое сердечник может пройти из своего нулевого положения при наличии линейной передаточной функции, называется полномасштабным смещением.

Доступны широкие диапазоны LVDT, охватывающие диапазон смещения от ±100 мкм до ±25 см. LVDT, способные измерять большие диапазоны, также находят применение в лабораторных, промышленных и подводных средах.

Ошибка линейности

График зависимости выхода LVDT-датчика от смещения сердечника не является идеальной прямой линией даже в линейном диапазоне. Выходные данные могут немного отклоняться от прямой линии, построенной для наилучшего соответствия выходным данным. Одним из механизмов, который может привести к нелинейности в номинальном линейном диапазоне устройства, является насыщение магнитного материала. Это может привести к возникновению 3-й гармонической составляющей, даже если сердечник находится в нулевом положении. Эту гармонику можно подавить, применив фильтр нижних частот к выходу LVDT-датчика. Максимальное отклонение выходного сигнала LVDT-датчика от ожидаемой аппроксимации прямой линии считается ошибкой линейности. Ошибка линейности обычно выражается как +/- процент от полного диапазона выходного сигнала. Например, E-100 LVDT от Measurement Specialties Inc имеет максимальную погрешность линейности ± 0,5% от полного диапазона.

Чувствительность

Чувствительность или передаточный коэффициент позволяют связать выходное напряжение со смещением сердечника. Чтобы определить чувствительность, мы включаем первичную обмотку на рекомендуемом уровне привода (3 VRMS для E-100 LVDT) и перемещаем сердечник из нулевого положения с помощью полного смещения. Теперь мы измеряем напряжения на двух вторичных обмотках, чтобы определить общее выходное напряжение (Vout). Подставляя эти значения в следующее уравнение, мы можем найти чувствительность LVDT-датчика.

Чувствительность обычно указывается в выходных милливольтах на вольт возбуждения на тысячные доли дюйма смещения сердечника (мВ/В/мил). Например, чувствительность E-100 составляет 2,4 мВ/В/мил. Имея чувствительность, мы можем определить необходимый коэффициент усиления схемы преобразования сигнала.

LVDT-датчик – это электромеханический преобразователь, который можно использовать для определения механического смещения объекта. Высокое разрешение (теоретически бесконечное), высокая линейность (0,5% или лучше), высокая чувствительность и нулевое механическое трение прекрасно характеризуют эти датчики.

Источник

УЗО или АВДТ?

Доброго времени суток!
Давненько не рассматривали низковольтное оборудование.
Сегодня рассмотрим сразу 2 аппарата защиты от дифференциального тока — УЗО и Диф. Автомат

УЗО — (или ВДТ выключатель диффернциального тока) Устройство Защитного Отключения.
(дифференциальный — от англ. Different — разный)
Данный аппарат необходимо ставить везде, где есть доступ к бытовой электросети, а это значит везде — дома, в квартире, на даче и прочее.

Устройство и принцип работы.
УЗО состоит из 1 трансформатора дифференциального тока, реле расцепления или платы контроля, кнопки «тест» и контактных групп.

С виду простой прибор, но как же он работает? А так же просто и примитивно:
Через контактные группы ток проходит через трансформатор дифф тока, и при нормальной работе потребителя/проводки на трансформаторе токи равны.
Но при косвенном прикосновении, просто утечки на землю или металлическую конструкцию, появляется разница токов в трансформаторе, и УЗО срабатывает, тем самым защищая от поражения током и от возгорания проводки.
То-же самое происходит при нажатии кнопки «тест», только тут устройстве создается искусственная утечка тока, с помощью которой можно проверить работоспособность аппарата.
В идеале кнопку тест необходимо нажимать раз в год неделю или месяц(для ленивых)!
Каждый раз нажимая тест, Вы проверяете работоспособность, и тем самым можно будет не опасаться удара током.
А что, если кнопку не нажали, а оно не сработало? Срочно менять! Неисправное УЗО ни от чего не защищает!

УЗО бывают электронные и механические.
Механическое содержит все, что описано выше, и не содержит никаких плат.
для его работы необходима только фаза, которую оно и мониторит по отношению к нулю.
А вот электронное содержит в себе плату, которая питается за счет входного напряжения. Напряжения нет, и оно не работает — все логично! А вот если будет только одна фаза, а ноль внезапно пропадет, то оно так-же не будет работать. Соответсвенно есть большой риск поражения током.

Еще у УЗО есть тип самого узо — А, АС или S
АС — самые распространенные, рассчитаны в основном на активную нагрузку — простые бытовые электроприборы с малыми пусковыми токами: водонагреватели, посудомоечные машины электроплиты и прочие, на стиральные машинки можно ставить, но есть вероятность ложных срабатываний при отжиме и интенсивной стирке.
А — комбинированные виды нагрузок Активные и Реактивные (с пусковыми токами) самые надежные.
По идее такого типа УЗО необходимо ставить на стиральные машинки, чтобы исключить риск ложных срабатываний.
S — селективное выбирает необходимый ток утечки для отключения (для бытовых нужд не предназначено).

Теперь немного пугающих цифр и фактов.

Что такое ток утечки — это ток в мА (милиамперах) проходящий через материал на, допустим, землю.
Стандартно, для человека ток утечки составляет 260мА
Все УЗО имеют несколько вариантов контроля тока утечки 10, 30, 100 и 300мА
Для чего каждый нужен?
10мА — для помещений с повышенной влажностью. Так-же возможна установка в детских учреждениях.
30мА — самое популярное: для жилых помещений и офисов.
100мА — для установки на вводе — защита от пожара и от удара током
300мА — для защиты от пожара от удара током не защищает!

Так как подобрать УЗО, чтобы током не убило?
А все просто! Тут нужна селективность!
Селективность — или избирательность автоматического выключателя, УЗО и прочего устройства защиты, построенная на их же иерархии (от большего к меньшему).
Например: в вводном щите на доме/в доме стоит УЗО на 63/80А и 300мА, в квартире/доме стоит на 63/40А и 100мА и непосредственно на линии к прибору или перед ним уже на 25А и 30мА или на 16А и 10мА.
НО! УЗО НЕ ЗАЩИЩАЕТ ОТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ и ПЕРЕГРУЗОК!
поэтому номинал УЗО должен быть выше номинала автомата, стоящего после него — 25А УЗО и 16А автомат.

С последовательностью определились, теперь к производителям (от лучших к худшим).
АBB(F200/FH200), Siemens, и Legrand(DX) — делают УЗО механического типа, и разных вариантов. У них нет маркировки фаза/ноль, что удобно — УЗО мониторит по 2-м независимым направлениям.
Schneider Electric, Hager, IEK, TDM и прочие особо не заморачиваются, производя УЗО электронного типа, с обязательной маркировкой фазы/ноля, и подключением либо только сверху или снизу.

Если УЗО высокого уровня стоят в районе 2000-3500р, то УЗО низкого и среднего уровня стоят 800-2000р.
Разница конечно бешеная, но она есть:
Китайское IEK, TDM, Decraft, ASD и прочих, стоит дешево, потому что надежность его заключается в 5-20 срабатываниях, а потом оно начинает ложно срабатывать или вообще перестает работать.
Ценник у них скачет от 800 до 1200р.
У Шнайдера все непонятно — если EASY9 такой-же «китаец» из Тайланда за 1000-1800р, то Domovoy 1500-2300р. и Acti9 2500-5000р. из Италии! Но практически все без ноля не пашут…
АBB(F200) и Legrand(DX) — профессиональные УЗО, высокого качества и с отличной репутацией безотказной работы.

Дифференциальный автомат — это то-же узо, но уже в корпусе с автоматическим выключателем.
Из недостатков:
1. функционал чаще всего урезан из-за размеров,
2. высокая цена у АBB, Siemens, SE и Legrand на 20-40% дороже УЗО.
3. нет номиналов более 32А у брендов, указанных выше.
4. у Китайских нет индикатора «стороны срабатывания» — КЗ/перегруз или утечка — всё одно. (у брендов есть «окно» индикатор утечки или отдельный рычаг (SE))

Плюсы:
1. всего 2 модуля! иногда даже 1!
2. Сразу 2 защиты в одном устройстве, у некоторых китайских есть даже защита от перенапряжения!
3?
4. Profit производителей.

Что ставить и какого производителя решать Вам, но УЗО/Дифф от нормальных производителей будет работать точно и дольше, нежели дешевые аналоги из Китая.

На этом пока все.
Ни КЗ ни удара!
Спасибо за внимание.

Источник

Чтобы током не убило. Всё про УЗО

Попробуем снова объять необъятное одним постом? На этот раз рассказ будет про УЗО.

У этого поста есть видеоверсия, для тех, кто любит слушать и смотреть:

Тысячи разобранных случаев, когда кто-то был убит электричеством, позволили инженерам выяснить некоторые закономерности и предпринять меры. А именно:

Выяснилось, что случаев смерти, когда человек умер от общения с напряжениями менее 50В почти нет. Низкое напряжение (с кучей оговорок) вполне себе безопасно. Кто лизал крону в детстве для определения заряда?) Использование низкого напряжения (12В, 24В, 36В и т.д.) хоть и дает практически полную безопасность, например в бассейне, для повсеместного использования не подходит. Если бы мы жили в альтернативной вселенной, где в домах вместо 230В всего 12В, то чайник бы кушал не 16А тока, а почти 300А, и подключался бы в розетку толстенным кабелем. А все потому что при снижении напряжения придется повышать ток, чтобы мощность прибора оставалась прежней. А большой ток требует толстых кабелей.

Ну и наконец, усреднив индивидуальные особенности, составили вот такой график зависимости силы тока, времени воздействия и последствий для человека. Да простят меня авторы, я его немного упростил для понимания:

UPD: картинка исправлена

Защита все-таки нужна

Поставим себя на место инженеров начала 20 века и попробуем изобрести устройство обнаружения дифференциального тока. Нам нужно обнаружить появление утечки величиной 30 мА, поскольку при меньших утечках, даже если она проходит через человека, особой опасности для жизни нет.

Возвращаемся в реальный мир. Почему могут быть ложные срабатывания

Ошибка монтажа, и где-то (например в одном из подрозетников) присутствует соединение рабочего нейтрального проводника N и заземляющего PE, или они перепутаны.

Противопожарные УЗО? Они все противопожарные!

Если открыть каталог производителей, можно заметить, что УЗО выпускаются на разные дифференциальные токи. Если с причиной выбора тока в 30 мА все понятно, с 10 мА тоже в принципе можно догадаться (еще более чувствительные устройства для более чуткой защиты), то зачем нужны устройства с током 100 мА и даже 300 мА? Человек же при таких токах умрет!

Такие УЗО часто называют «противопожарными», так как в силу большого дифференциального тока защиту человека от поражения электрическим током они обеспечивают слабо, а вот функцию защиты при повреждении изоляции все еще выполняют. Если изоляция будет нарушена и при контакте с другим проводником загорится электрическая дуга, то начнется обугливание изоляции и выделение тепла, что может поджечь горючие материалы вокруг. Если вам «повезет», и ток в дуге будет небольшим, то автоматический выключатель не сработает. А вот выделение тепла и температура могут быть достаточными для пожара. Конечно, потом огонь нарушит изоляцию, произойдет короткое замыкание и автоматический выключатель сработает, только огонь это уже не погасит.

Да будет срач!

Когда нельзя никому доверять

Производители некоторых устройств не могут полагаться, что покупатель адекватен и в его электрощите есть защита, поэтому добавляют свою.

В виде персонального УЗО для устройства в вилке или в виде коробочки на шнуре. Если покупатель подключит бойлер пластиковыми трубами, корпус не заземлит, то при потере герметичности ТЭНа электричество по воде в трубах и пойдет через человека в заземленную ванну. Такое УЗО защищает конкретно одно устройство, и в некоторых странах существуют нормативы, обязывающие добавлять УЗО на некоторые типы устройств. Как вы можете заметить, устройство также содержит кнопочку «тест» для проверки работоспособности защиты.

УЗО или диффавтомат? (ВДТ или АВДТ?)

Оно лишает гибкости проектировщиков, например поставить одно УЗО и несколько автоматов или наоборот, несколько УЗО и один автомат.

Оно усложняет поиск неисправности, так как обычно отсутствует индикация и сложно понять, почему оно отключилось (варианты: сработал тепловой расцепитель, электромагнитный расцепитель или электромагнит от дифференциального тока)

Запихивание нескольких устройств в компактный корпус всегда заставляет разработчиков идти на компромиссы.

На мой личный взгляд применение АВДТ оправдано только при апгрейде электрощитка, когда места внутри нет, а дифф. защиту хочется. Тогда можно вынуть автоматические выключатели шириной один модуль и воткнуть АВДТ шириной один модуль, и перекоммутировать провода. Щиток в таком случае расширять не придется. В остальных случаях, по моему мнению, предпочтительнее комбинация УЗО+автоматический выключатель.

Я умер. Почему УЗО не спасло?

Резюме

УЗО служит для защиты человека от поражения электрическим током, и отключится при опасных для жизни значениях тока утечки. При небольших, но неопасных токах вас будет щипать электричеством.

УЗО работает вне зависимости от наличия заземления, с той лишь разницей, что без заземления, при пробое на корпус УЗО отключится только когда ток с корпуса сможет утечь в землю через вас.

УЗО не панацея, и можно убиться, взяв в руки провода фазы и ноля. Но вариантов защиты лучше УЗО все равно не придумали.

Расширить и углубить

Если изложенной в посте информации вам мало (мое уважение!), то вот что стоит почитать:

В.К. Монаков УЗО. Теория и практика Москва, Издательство «Энергосервис», 2007 г.

Выжимка нормативных документов имеющих отношение к УЗО. Там же есть еще один документ заслуживающий внимания (http://www.uzo.ru/books/uzo.pdf)

Источник

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 I_Δn должен превышать суммарный ток утечки в электрических цепях, подключенных к УДТ I_EL. »

Итак, любой УДТ имеет в своем составе дифференциальный (суммирующий) трансформатор. С его помощью он определяет дифференциальный ток I_Δ, который представляет собой действующее значение векторной суммы электрических токов, протекающих в проводниках своей главной цепи и разрывает эту цепь тогда, когда I_Δ превышает заданное значение (номинальный отключающий дифференциальный ток I_Δn) или равна ему. То есть условие срабатывания УДТ следующее: I_Δ ≥ I_Δn. 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 I_Δn устанавливается изготовителем устройства и указывается обычно на его корпусе, к примеру, I_Δn = 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 I_Δ ≥ I_Δn.

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 I_н. »

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: Ф_Δ = | 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: | I_р | = 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 I_н протекает ток замыкания на землю I_EF. 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: I_Δ=| I₁ – I₂ |=| I_н + I_EF – I_н | = | I_EF |. »

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: Ф_Δ = | Ф₁ – Ф₂ | > 0. »

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

Харечко Ю.В. подводит закономерный итог:

« В указанных условиях расцепитель дифференциального тока может сработать под воздействием электрического тока I_р, 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 I_oΔ должен превышать суммарный ток утечки в электрических цепях, подключенных к УДТ I_EL (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 I_EF в совокупности с током утечки I_EL 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»).

Источник