Как устроен выключатель
В жилищном секторе автоматические выключатели, управляемые дифференциальным током, появились лет 10 назад. Не успел потребитель привыкнуть к аббревиатуре "УЗО" (устройства защитного отключения), как вышел новый стандарт, в соответствии с которым их теперь полагается называть ВДТ (выключатели дифференциального тока). Как ни называй, назначение у этих приборов одно: размыкать цепь при утечке тока (то есть, когда сила тока на "фазе" отличается от той, что на нейтральном проводе).
Главный узел устройства – суммирующий трансформатор (в виде тора). На нем – несколько витков фазного и нулевого проводов. Намотка выполнена встречно, и результирующее магнитное поле в случае исправного функционирующего оборудования равно нулю. При появлении утечки баланс нарушается, и во вторичной обмотке наводится напряжение, которое через расцепитель отключает электрическую цепь с поврежденной изоляцией. Этот процесс происходит за десятые и даже сотые доли секунды.
Как может помочь выключатель дифференциального тока
Хотя в наших домах уже встречаются "евророзетки" с заземляющим контактом, часто он никуда не подсоединен, и к электроприборам ведут только два провода – фаза и PEN-проводник (служащий одновременно и нулевым, и защитным). Возникает вопрос: а смогут ли выключатели дифференциального тока спасти человека при такой схеме электропитания (по научному она называется TN-C).
Защитное устройство сравнивает токи, текущие по двум проводам к потребителю и от него. Когда, скажем, наш холодильник или другой прибор исправен, их величины равны, и все работает нормально. Но вот произошел пробой на корпус (а он у нас не заземлен). Утечка не возникает – токи все равно остаются одинаковыми, однако, на корпусе появляется опасный потенциал. В этом случае человек, коснувшийся одновременно холодильника и радиатора центрального отопления или водопроводной арматуры, получит ощутимый удар и одновременно откроет путь току на землю. Если ВДТ сработает – все останутся живы, отделавшись испугом, а вот без защитного устройства последствия будут гораздо серьезнее.
Избавить себя от острых ощущений можно, подключив отдельную заземляющую шину PE. В такой схеме ВДТ разорвет цепь уже тогда, когда появится напряжение на корпусе холодильника.
Какой выключатель дифференциального тока выбрать?
Через электропотребители без сложных схем управления протекает синусоидальный ток, и утечка имеет такую же форму. Для защиты в этом случае применяют приборы типа AC.
В современных бытовых и промышленных аппаратах и установках часто присутствуют выпрямители, регуляторы, схемы управления с фазовой отсечкой и т.п. Токи утечки в этом случает также отличаются от синусоидальной формы, и для их детектирования требуются ВДТ типа A.
Для владельцев больших коттеджей представляют интерес приборы типа S (селективные). Они имеют небольшую задержку времени отключения и устанавливаются в главной цепи, когда на разветвлениях стоят ВДТ типа A и AC.
Выключатель дифференциального тока реагирует только на разницу значений тока и не способен противостоять перегрузкам или коротким замыканиям (во всяком случае, он для этого не предназначен). Поэтому в схеме всегда последовательно с ним соединяют автоматический выключатель. Однако многие фирмы выпускают приборы, объединяющие функции обоих устройств. Формально они называются автоматическими выключателями, управляемыми дифференциальным током, со встроенной защитой от сверхтоков.
По конструкции различают электромеханические и электронные ВДТ. Первым не требуется никакого питания. Для их срабатывания достаточно, чтобы появился дифференциальный ток. Во вторых присутствует электронная схема, и для ее функционирования нужна энергия, получаемая либо от контролируемой сети, либо от внешнего источника.
Электромеханические приборы надежнее, и они продолжают выполнять защитные функции даже при обрыве проводников.
Маркировка выключателей
В соответствии со стандартом на лицевой панели каждого выключателя обязательно должно присутствовать значение номинального тока, который он способен проводить в продолжительном режиме, и номинального отключающего дифференциального тока, вызывающего срабатывание устройства. Остальные сведения можно располагать и на боковых поверхностях. Обычно производителю удается также указать на передней панели свое название, номинальное напряжение, марку и тип прибора. Последнее в виде символа: синусоида – тип AC, а если под ней еще изображении два положительных полупериода – это тип A. И, конечно, чтобы было понятно назначение кнопки, на ней ставят слово "Test" или букву "T".
Где испытывали
Независимое тестирование ВДТ проводили специалисты аккредитованного Испытательного центра электротехнических изделий ОАО "Электропривод". Устройства проверяли на соответствие ГОСТ Р 51326.1-99 (МЭК 61008-1-96) "Выключатели автоматические, управляемы дифференциальным током, бытового и аналогичного назначения без встроенной защиты от сверхтоков. Часть 1. Общие требования и методы испытаний".
Что и как тестировали
Производители и представительства компаний предоставили по два образца двухполюсных ВДТ типа AC, рассчитанных на номинальный ток нагрузки 40 А и отключающий дифференциальный ток 30 мА. Программа была составлена так, что каждое испытание проводилось только на одном из них. Конечно, нельзя сделать стопроцентный вывод о надежности по результатам измерения параметров всего на одном образце, но все же с некоторой достоверностью судить о качестве продукции можно.
1. Повышение температуры на внешних выводах. В статистике пожаров воспламенение оборудования, смонтированного в электрическом распределительном щитке, занимает не последнее место. Причина – в локальном повышении температуры.
Номинальный ток пропускали через все полюса ВДТ. Измерение с помощью термопары проводили при установившемся значении температуры. Практически ожидали, когда ее изменение становилось меньше 1 градуса за 1 минуту.
Сначала испытанию подвергли новые образцы, затем, чтобы определить, как повлияют на этот параметр многократные механические и электрические нагрузки, измерили температуру повторно после проверки износостойкости (тест 1, вторая строка). Не некоторых приборах не стали выяснять устоявшееся значение температуры, а прекращали измерения, когда она выходила за разрешенный предел.
Среди новых только образцы фирм Kopp и Legrand немного "не вписались" в требования ГОСТа. После тестирования на износостойкость они лучше не стали, и к ним добавились "ИЭК", General Electric и "ДЭК". Причем у GE температура оказалась на два градуса выше граничной, а у "ИЭК" - на 0,4 (и это при погрешности измерения ±4 градуса). Подходя к результатам формально, вынуждены признать, что эти цифры превышают разрешенные стандартом.
Моделируя реальную жизненную ситуацию, мы придумали тест, которого нет в стандарте. Провода в клеммах зажимали до конца, затем отпускали на пол-оборота и измеряли, насколько разогревались такие чуть-чуть "расхлябанные" выводы. Все образцы превышением температуры за предельное значение дружно продемонстрировали, что такие условия для них не подходят. Из этого "негостовского" теста следует один практический вывод: очень важно следить за состоянием внешних выводов дифференциальных выключателей и периодически затягивать на них винты, чтобы обеспечить полный контакт.
2. Износостойкость. Щелкать рукояткой ВДТ или проверять его кнопкой "Тест" приходится не так часто, как нажимать клавишу выключателя. Но все же прибор должен быть стойким к этой процедуре.
Испытание состоит из проверки механической прочности устройства и его способности многократно разрывать цепь с весьма большим протекающим током. По стандарту ВДТ должен выдержать при номинальном рабочем токе 2000 циклов оперирования, причем первые 1000 – рычажком отключения, затем 500 – с помощью кнопки "Тест", и последние 500 – от дифференциального тока, проходящего через один полюс прибора.
Приходится признать, что сотрудники испытательной лаборатории оказались невнимательными, и первые 1000 циклов провели, не подключая нагрузку, то есть проверили только, как работают механизмы. Наши образцы были испытаны в щадящем режиме, но надо отметить, что в реальной жизни нечасто возникают ситуации, когда ВДТ приходится разрывать цепь с током 40 А.
Тест выдержали все торговые марки, кроме продукта российского предприятия "ТЕСС-инжиниринг" - 1030-й цикл оказался для него последним.
3. Электрическая прочность изоляции. Конструкция приборов и применяемые материалы должны исключать образование утечки между токоведущими частями или пробой изоляции.
В этом тесте измеряли сопротивление, прикладывая напряжение постоянного тока 500 В при замкнутых контактах к одному и другому полюсу, а при разомкнутых – к разным выводам каждого полюса. По стандарту оно не должно превышать 2 Мом.
Все испытуемые образцы успешно прошли этот тест.
4. Время срабатывания. ВДТ защищают человека, ограничивая время протекания тока через его тело. Согласно ГОСТу они должны срабатывать меньше, чем за 0,3 с.
Этот параметр проверили, устраивая прибору внезапную утечку током, равным 30 мА. Делали пять измерений, занося в таблицу среднее значение.
Все образцы показали хорошие результаты, отключаясь в основном за 0,08 с. Только у ДЭК время равно 0,14 с, но это все равно существенно ниже предела.
5. Отключающий дифференциальный ток. От того, при каком токе ВДТ разорвет цепь, может зависеть жизнь человека. Наши образцы с номиналом 30 мА по стандарту должны отключать потребителя при утечке от 15 до 30 мА.
Для измерения этого параметра дифференциальный ток плавно увеличивали от 6 мА, стараясь достигнуть 30 мА не быстрее, чем за 30 с. Проводили пять измерений, фиксируя отключающее значение тока. В таблицу внесли среднее значение.
У всех торговых марок оно в разрешенных пределах, и только у образца ДЭК чуть-чуть выше (31 мА).
6. Работоспособность при токах короткого замыкания. Поведение выключателя дифференциального тока при коротких замыканиях характеризуют несколько параметров:
номинальный условный ток короткого замыкания – Inc (в соответствии с ГОСТом, ряд значений – 3000, 4500, 6000 и 10000 А). На лицевой панели обычно приводится в виде числа в прямоугольной рамке.
ВДТ, рассчитанный, скажем, на 3000 А, вовсе не должен пропускать такой ток через себя, но он обязан выдержать фронт его нарастания до того момента, когда автоматический выключатель "вырубит" цепь (обычно ток не успевает достичь своего максимального значения). Чем больше ток короткого замыкания, тем круче фронт, и тем большее "потрясение" (в буквальном смысле) испытывают детали и узлы прибора.
Inc – определяет надежность и прочность устройства, качество исполнения его механизма и электрических соединений;
номинальная коммутационная способность – Im (некоторые производители также указывают ее на лицевой панели). ВДТ должен проводить этот ток до тех пор, пока не сработает дифференциальная защита, и, естественно, отключать. Этот параметр, определяющий надежность ВДТ, зависит от качества силовых контактов, мощности пружинного привода, материала деталей, наличия дугогасящей камеры;
номинальная коммутационная способность по дифференциальному току – IΔm. Параметр аналогичен предыдущему, с той лишь разницей, что определяет дифференциальный сверхток, например, при коротком замыкании на корпус.
Тест проводили для того, чтобы выяснить, как короткое замыкание в целом действует на ВДТ: выдержит ли устройство такую нагрузку, защитит ли человека от поражения током, а дом – от пожара.
Между выводами одного и другого полюса создавали номинальный условный ток К3 величиной 3000 А (наименьший из предложенных методикой ГОСТа). Предполагалось, что промышленный отечественный автоматический выключатель, соединенный последовательно с выключателем дифференциального тока, среагирует и "вырубит" цепь. Но из-за несогласованности характеристик стендового выключателя и наших образцов при тестировании в большинстве случаев этого не произошло. Отключился не "автомат", а защитные устройства. Таким образом, мы подтвердили справедливость рекомендации специалистов: использовали в цепи УЗО и "автоматы" одного и того же производителя.
Фактически мы проверяли параметр Im, но током, существенно превосходящим указанный в паспортных данных. Неудивительно, что некоторые ВДТ (АВВ, "ИЭК", Legrand) не выдержали такого жесткого испытания. Однако остальные все же выстояли.
Для справки: даже в новостройках, где качество электросетей повыше, ток короткого замыкания в квартире вряд ли превысит 1 кА.
Таблица результатов тестирования выключателей дифференциального тока по ГОСТ Р 51326.1-99 (МЭК 61008-1-96)
| Тестируемые параметры | Производитель, модель | |||||
| ABB F362 | "Астро-УЗО" серия Ф | ДЭК УЗО 01 | GE V/304 | ИЭК ВД1-63 | ||
| Превышение температуры на внешних выводах, |C | нового образца | |||||
| после испытаний на износостойкость | 72* | |||||
| при недожатых контактах | 97* | |||||
| Износостойкость | + | + | + | + | + | |
| Электрическая прочность изоляции | + | + | + | + | + | |
| Время срабатывания (средняя величина по пяти измерениям), с | 0,08 | 0,07 | 0,14 | 0,08 | 0,08 | |
| Отключающий ток (средняя величина по пяти измерениям), с | ||||||
| Работоспособность при токах короткого замыкания | - | + | + | + | - |
Продолжение таблицы
| Тестируемые параметры | Производитель, модель | |||||
| Kopp RCD | Legrand 086 29 | Moeller CFI6 | "ТЕСС-инжиниринг" ВК3 | Siemens 5SM1 | ||
| Превышение температуры на внешних выводах, |C | нового образца | |||||
| после испытаний на износостойкость | 87* | 75* | нет данных | |||
| при недожатых контактах | 123* | 74* | 106* | нет данных | 91* | |
| Износостойкость | + | + | + | 1030 циклов | + | |
| Электрическая прочность изоляции | + | + | + | нет данных | + | |
| Время срабатывания (средняя величина по пяти измерениям), с | 0,08 | 0,08 | 0,08 | 0,10 | 0,10 | |
| Отключающий ток (средняя величина по пяти измерениям), с | ||||||
| Работоспособность при токах короткого замыкания | + | - | + | + | + | |
| * - через 30 мин. |