Дифференциальные автоматы (дифавтоматы), иначе называемые автоматическими выключателями с дифференциальной защитой, представляют собой совмещенный в одном корпусе автоматический выключатель и УЗО.
Применяются такие аппараты в сетях номинальным напряжением 220 В с частотой 50 Гц, работающих в режиме глухозаземленной нейтрали. Функции, выполняемые этими защитными аппаратами:
- проведение электрического тока в нормальном режиме;- отключение цепи при коротком замыкании (КЗ) или токовой перегрузке;- защита человека от напряжения, которое может появиться на корпусе оборудования при неисправности;- защита помещений от возгораний вследствие токов утечек, при повреждении изоляции электрических цепей.
Устройство. В состав изделия входит: корпус, электродинамический расцепитель, тепловой расцепитель, система рычагов и пружин, удерживающих автомат во включенном положении и отключающих его, рычаг ручного управления автоматом, трансформатор тока с тороидальным сердечником, электромеханическое реле, исполнительный механизм, воздействующий на расцепитель при срабатывании реле.
Корпус дифференциального автомата, выполнен из негорючего пластика. Электродинамический расцепитель представляет собой катушку с подвижным сердечником, включенную последовательно с главными контактами автомата.
При прохождении по цепи катушки токов КЗ, имеющих высокое значение, сердечник с большой скоростью и силой втягивается, и выбивает защелку, удерживающую дифференциальный автомат во включенном положении. Время срабатывания электродинамического расцепителя стремится к нулю, а величина тока срабатывания зависит от его исполнения и выражается кратным значением Iн.
Электродинамический расцепитель называют независимым, так как время его срабатывания не зависит от величины тока. Тепловой расцепитель выполняется из биметаллических пластин. Биметаллическая пластина представляет собой сплав двух металлов, имеющих разный коэффициент температурного расширения.
При протекании по пластинам электрического тока, происходит их нагрев. Вследствие разных линейных расширений металлов пластины изгибаются. Когда величина тока возрастает до предельного значения, пластины выгибаются настолько, что выбивают защелку, удерживающую автомат во включенном положении.
Тепловой расцепитель называется зависимым, так как время его срабатывания зависит от величины протекающего тока и соответственно скорости нагрева.
Защитные характеристики. В совокупности, электродинамический и тепловой расцепители определяют защитную характеристику автоматического выключателя, которая изображается кривыми на графиках в координатах тока и времени. График содержит совмещенные кривые работы теплового и динамического расцепителя.
Различают шесть типов характеристик выключателей, проиндексированных латинскими буквами: A, B, C, D, K, Z:
A. Автоматы с характеристикой типа А применяются в электрических цепях большой длины, а также для защиты полупроводниковых приборов, имеют кратность отсечки 2-4 Iн.B. Характеристики типа В применяются в осветительных сетях общего назначения и имеют кратность отсечки 3-6 Iн.C. Выключатели с характеристикой С имеют перегрузочную способность 5-10 Iн и применяются в установках с умеренными пусковыми токами.D. Выключатели с характеристикой D предназначены для активно индуктивной нагрузки, например для защиты электродвигателей с тяжелым пуском. Электродинамический расцепитель с характеристикой D имеют уставку 10-20 Iн.K. Выключатели с характеристикой К предназначены для чисто индуктивной нагрузки, электродинамический расцепитель срабатывает в пределах 8-15 Iн.Z. В электрических цепях с электронными приборами применяются автоматические выключатели с характеристикой Z и уставкой 2-3 Iн.
Принцип действия дифференциальной защиты основан на сравнении тока направленного к нагрузке и тока в нулевом проводе. В нормальном режиме работы эти значения равны. Источником электродвижущей силы, для бытовых приемников являются фазный и нулевой провода.
В замкнутой цепи ток направлен от точки с большим потенциалом (фазного провода) к точке с меньшим потенциалом (нулевому проводу). Величина тока протекающего по фазному проводу, равна величине тока протекающего в нулевом проводе и равна току в цепи приемника. Этот пример справедлив, когда цепь замкнута и имеет хорошую изоляцию.
В дифференциальном автомате цепь нулевого и фазного провода проходит через замкнутый сердечник трансформатора тока. При равенстве токов в проводах, результирующий поток в сердечнике, наводимый проводами, равен нулю.
Во вторичных цепях ток отсутствует, реле находится в несработанном состоянии. Ухудшение изоляции ведет к появлению токов утечек, образующихся из-за разности потенциалов между фазным или нулевым проводом и заземленными конструкциями. Появление токов утечек ведет к нарушению баланса токов в проводах, как следствие нарушается равенство магнитных потоков в замкнутом сердечнике.
На выводах вторичной обмотки трансформатора тока появляется разность потенциалов, напрямую зависящая от дисбаланса токов в проводах. При достижении током утечки порогового значения, разность потенциалов на выходе трансформатора тока становится достаточной для срабатывания электромеханического реле, выбивающего защелку, удерживающую автомат во включенном положении.
Важным условием применения дифференциальной защиты, является надежное заземление токопроводящих конструкций, которые неожиданно могут оказаться под напряжением. От этого зависит насколько правильно и своевременно сработает дифференциальный автомат.
Согласно ПУЭ, применение УЗО, а значит и дифференциальных автоматов, в электроустановках с системами заземления TN-S и TN-C-S обязательно. В системах типа TN-S рабочий нулевой и защитный нулевой проводник выполнен разными проводами на всем протяжении. TN-C-S допускает совмещение рабочего и защитного нулевого проводника на отдельных участках, но непосредственно на защищаемом участке они должны быть разделены.
Применение дифференциальной защиты, в сетях с совмещенным рабочим и защитным нулевым проводом, а также в сетях без защитного нулевого провода не представляется возможным. В первом случае защита будет срабатывать излишне и без причины, токи утечки будут присутствовать всегда. Во втором случае токов утечки не будет до тех пор, пока человек своим телом не создаст цепь утечки.
Выбор дифференциальных автоматов сводится к выбору номинального тока теплового расцепителя, выбору типа характеристики автомата, и номинальному значению токов утечки. Номинал теплового расцепителя выбирается в зависимости от сечения проводов защищаемого участка и варьируется от 6 до 40 А. Ток срабатывания теплового расцепителя выбирается из ряда стандартных значений, на ступень меньше, допустимого тока провода.
В бытовых сетях в основном применяют дифференциальные автоматы с характеристикой В или С. Ток утечки для защиты человека должен быть в пределах 30 мА, для защиты помещений от пожаров применяют дифференциальные автоматы с током утечки 300 мА.