Что такое дифференциальный ток?

Что такое дифференциальный ток?

Дифференциальный ток – это сумма тока утечки и тока замыкания на землю. Если установлено ВДТ, то дифференциальный ток – это разница токов по фазному и нейтральному току ВДТ.

Официально (ГОСТ тот же, п.3.2.3): дифференциальный ток – это “действующее значение векторной суммы токов, протекающих в первичной цепи ВДТ”

Таким образом дифференциальный ток IΔ, который может вызвать срабатывание ВДТ, будет складываться из двух составляющих: тока утечки и тока замыкания на землю. Он никогда не равен нулю, поскольку “фоновый” ток утечки присутствует всегда. И он может резко увеличиться, если появится ток замыкания на землю.

Область появления тока

Физиками точно не дано понятия дифференциального токового значения, поэтому оно максимально приближено к понятию короткого замыкания. Оно, в свою очередь, возникает из-за высокого напряжения, плохой изоляции электрических элементов, внешнего механического воздействия, наличия посторонних предметов в электрических проводниках и прямом ударе молнии. Появляется подобное явление, как в домашней, так и производственной сети. Сопровождается искрами, неприятным запахом и порчей электрооборудования.

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:

• при сложных дифференциальных токах;
• при пульсирующем постоянном дифференциальном токе, наложенном на сглаженный постоянный ток 0,01 А.

Устройства дифференциального тока типа B оперируют так же, как УДТ типа F, и дополнительно:

• при синусоидальных переменных дифференциальных токах, имеющих частоту до 1000 Гц включительно;
• при пульсирующем постоянном дифференциальном токе, который появляется в двух и более фазах;
• при сглаженных постоянных дифференциальных токах.

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. »

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

Отключающий и неотключающий дифференциальные токи

Под током срабатывания (или отключающим) понимают такой дифференциальный ток, протекание которого приводит к отключению ВДТ при утечках в цепи.

Ток, протекание которого допустимо в цепи устройства защитного отключения (УЗО) и не происходит его срабатывания, называется дифференциальным неотключающим током.

В нагруженной цепи, где работают устройства импульсного типа: выпрямители, дискретные цифровые приборы для регулировки мощности – все это современная бытовая техника, присутствуют фоновые токи дифференциальные. Но такие токи не являются токами повреждения, и электрическую цепь в этом случае отключать нельзя. Поэтому порог срабатывания УЗО выбран таким, чтобы не реагировать на рабочее значение фона, а отключать ток утечки, превышающий эту величину.

Где применимо устройство защитное дифференциального тока

В современном строительстве и электрическом оборудовании площадей, а также при реконструировании все больше применяют устройства, которые отключают дифференциальный ток. Это обосновано повышением безопасности эксплуатации электрических сетей, а также снижением травматизма. УЗО применяют в:

• зданиях общественного назначения: учебных заведениях, зданиях культуры, лечебницах, гостиничных комплексах, спортивных учреждениях;
• зданиях индивидуальных жилых и многоквартирных: домах, дачах, общежитиях, подсобных постройках;
• торговых площадях, особенно изготовленных на основе металлоконструкций;
• зданиях административного назначения;
• промышленных предприятиях.

Как выбрать устройство дифференциального тока?

Выбирают устройства дифференциального тока аналогично тому, как делают это, к примеру, с автоматическими выключателями.

Выбор УДТ. При той обширной информации, что выводится на фронтальной панели модуля, выбирать приборы можно без затруднений непосредственно на месте приобретения

То есть выбор делается на основании традиционных критериев подбора электрооборудования подобного типа:

1. Цель применения.
2. Соответствие току нагрузки.
3. Критерий чувствительности на срабатывание.
4. Корпусное исполнение.

Для применения в условиях привычного быта обычно выбор приходится на однофазные приборы характеристики «АС» или «А». Для использования на бытовых сетях жилых строений лучше брать устройства чувствительностью 10-30 мА (на прикосновение) и 100 мА (пожарная защита и КЗ). Корпусное исполнение – максимально удобное под монтаж и в плане эксплуатации.

Следует отметить: устройство дифференциального тока монтируется всегда последовательно с автоматическим выключателем. Поэтому токовые характеристики обоих приборов должны совпадать либо номинальный ток УДТ должен быть выше.

Что такое дифференциальный автомат (дифавтомат)?

Прибор, предназначенный для отключения электропитания в сети при появлении в ней нарушений, способных привести к выходу из строя проводки и подключенной к ней аппаратуры, в электрике называется автоматическим выключателем (АВ). Это устройство обычно называют проще – автоматом. Одной из его разновидностей является устройство защитного отключения, которое обесточивает линию при обнаружении утечки тока, тем самым предотвращая поражение людей электричеством при касании кабеля. Особенность УЗО такова, что его нельзя ставить без АВ, защищающего линию от КЗ и перенапряжения. Чтобы не подключать к линии два защитных прибора, был создан дифференциальный автомат – прибор, сочетающий в себе функции УЗО и автоматического выключателя.

Характеристики дифференциальных выключателей

Различные модификации устройств защитных отличаются друг от друга по:

• особенностям конструкции;
• виду электричества утечки;
• параметрам чувствительности;
• быстродействию.

В зависимости от конструктивных особенностей бывают:

• Устройства ВДТ (дифференциальный выключатель), где отсутствует защита от больших токов. Они реагируют на токи утечки, но чтобы обеспечить защиту их схемы, последовательно нужно включать предохранители.
• Устройство АВДТ, где предусмотрен выключатель автоматического типа. Это универсальные приборы с двойной функцией – для защиты от КЗ и перегрузок, а также контроля утечек.
• Устройство БДТ с возможным подключением автомата срабатывания в точке подключения. Прибор, предназначенный для совместной установки с автоматическим выключателем. Его конструкция проработана таким образом, что допускает только одноразовое соединение с автоматом.

В зависимости от формы токов утечки, разработаны группы защитных устройств следующей модификации:

• AC – устройства, работающие с переменным синусоидальным током. Они не реагируют на дифференциальные импульсные токи, которые возникают в момент включения, например, ламп люминесцентных, рентгеновских аппаратов, устройств для обработки информационных сигналов, преобразователей на тиристорах.
• A – приборы для защиты от постоянного пульсирующего и переменного тока. Не распознают пиковые значения утечек импульсных дифференциальных токов. Они работают в цепях выпрямителей электронного типа, регуляторов фазоимпульсного преобразования. Предотвращают утечки на землю пульсирующего электричества, в котором имеется постоянная составляющая напряжения.
• B – системы, работающие с переменными, постоянными и пульсирующими токами утечки.

По чувствительности дифференциальный выключатель имеет следующие типы:

• Системы низкочувствительные, которые отключают цепь при косвенном прикосновении.
• Системы с чувствительностью высокого порядка. Защищают, если произошло прямое прикосновение к токопроводу.
• Противопожарного действия.

По времени, которое требуется для срабатывания устройства:

• Действия мгновенного.
• Быстродействующие.
• Для общего назначения.
• С задержкой – селективного типа.

Приборы защиты тока дифференциального селективного устройства способны отключать лишь ту часть оборудования, где произошло нарушение.

Работа устройства дифференциального тока

Рассматривая стандартную конструкцию УЗО (УДТ), следует особо выделить три главных модуля:

1. Трансформатор тока суммирующий.
2. Расцепитель-преобразователь.
3. Устройство блокировки коммутирующих элементов.

Токоведущие проводники текущей схемы подключаются на контакты суммирующего трансформатора. Учитывая закон Ома, согласно которому сумма всех токов даёт нуль, магнитное действие токоведущих проводников трансформатора взаимно компенсируется.

Магнитного поля, вызывающего за счёт эффекта индукции появление напряжения вторичной обмотки трансформатора, не образуется. Такое состояние соответствует нормальным условиям прохождения тока в схеме.

Прибор УДТ: 1 – контакты входной цепи; 2 – контакты выходной цепи; 3 – кнопка взвода; 4 – замыкающие контакты; 5 – трансформатор суммирующий; 6 – вторичная обмотка; 7 – устройство слежения; 8 – кнопка «тест»; 9 – тестовый проводник

Однако формирование даже небольшого тока утечки этот баланс нарушает. Область сердечника трансформатора оказывается под действием остаточного магнитного поля. Как результат — вторичная обмотка выдаёт напряжение.

Естественным образом срабатывает расцепитель, преобразующий электрическую величину в механическое действие. Далее срабатывает блокирующее устройство дифференциального тока.

Подобная техника защиты характеризуется как высокоуровневая, потому что разрыв цепи осуществляется независимо от напряжения сети или напряжения вспомогательного источника энергии. Именно такой принцип действия на 100% гарантирует срабатывание защиты в любых обстоятельствах.

Конструкция каждого выключателя дифференциального тока, как правило, оснащается тестовой клавишей. Так называемая «контрольная кнопка» специально выведена на фронтальную панель устройства, чтобы пользователи могли проверять эксплуатационную готовность защитного устройства.

Тестовая кнопка используется с целью проверки работоспособности устройства. Обычное применение кнопки – после первой установки прибора и запуска в работу, а также в рамках технического обслуживания

Если клавишу «Тест» нажать, механизм устройства искусственно формирует ток утечки. В этом случае исправный прибор обязательно срабатывает. Обычно кнопкой «Тест» пользуются сразу после установки автомата в схему, при первом подключении электричества. В последующем тестируют по графику, примерно один раз в квартал.

Как отличить УЗО от дифавтомата?

Внешне два устройства очень похожи, из-за этого пользователи даже думают, что это одно изделие от разных производителей.

• Прямое указание – некоторые производители пишут прямо на корпусе название приборов «УЗО» или «дифавтомат».
• Маркировка на русском – иногда на устройствах ставят сокращенные обозначения. Надпись «ВД» (выключатель дифференциальный) говорит о том, что перед нами УЗО, «АВДТ»  или «АД» (автоматический выключатель дифференциальный) – дифавтомат.
• Схема на корпусе – на приборах изображают электрическую схему, у дифавтомата на ней присутствует электромагнитный и механический расцепители.

• Номинал автомата – перед силой тока у автоматических выключателей обычно присутствует тип устройства, который обозначается буквами «А», «B», «C» или «D», такое же обозначение присутствует и на дифавтомате, у УЗО его нет.

Место в щитке

Для безопасного функционирования электрической линии на ней должен быть один автомат и одно УЗО или дифавтомат, который заменяет собой сразу два устройства. На DIN-рейке дифференциальный выключатель занимает 2 места, автоматический выключатель – еще одно. К тому же при установке этой пары потребуется пространство для подключения: фаза должна зайти в автомат, выйти и зайти в УЗО. Дифференциальный автомат займет 2 места, поэтому на первый взгляд он выгоднее с точки зрения габаритов щитка. На этот параметр сильно влияет конкретная схема.

Для большинства мощных приборов нам потребуется отдельный контур и отдельный автомат, соответственно потребуется столько же дифавтоматов, а УЗО может быть одно на несколько автоматов. При этом одним устройством обычно не ограничиваются, так как в случае выявления дифференциального тока выключатель обесточит весь дом или квартиру. Если в это время хозяев не было на месте, то перестанет работать система отопления, сигнализация и другие электрические приборы, которые должны функционировать автономно. По этой причине под такое оборудование выделают отдельную линию со своим УЗО и автоматом. Также при размещении всех автоматов на одном УЗО сложно определить, где именно произошла утечка.

Цена

Автоматический выключатель стоит 150 – 200 рублей, УЗО к нему обойдется в 1000 – 2000 рублей, один дифференциальный автомат продается по цене 3000 – 4000 рублей. Соответственно второй вариант получается примерно в два раза дороже. При этом стоит помнить, что можно разместить несколько автоматов на одном УЗО, а дифавтомат придется ставить отдельный на каждую линию.

При подборе дифавтоматов и автоматов следует учитывать тип расцепителя. Этот параметр отражает величину, на которую должен быть превышен ток, чтобы произошло разъединение. Для розеток надо использовать тип B, для освещения подойдут B или С, для силовых приборов, кондиционеров, нагревателей – С. D обладает низкой чувствительностью и чаще используется на крупных предприятиях. Автомат типа С обойдется дешевле, чем B.

Устранение неполадок

С точки зрения надежности оба устройства находятся на одном уровне и демонстрируют одинаковое количество отказов, но для конечного потребителя еще важно, какой из приборов позволяет проще выявить и устранить неполадку, которая привела к отключению.

УЗО позволяет разграничить проблемы с утечками и короткими замыканиями. Если сработал автомат, то проблема в скачке напряжения, если ВД-устройство, то на линии появился дифференциальный ток. При этом если на одном УЗО подключено большое количество автоматов, то бывает сложно определить, на каком именно устройстве происходят потери.

На современные дифавтоматы ставят специальные флажки и индикаторы, при выпадении которых можно определить, что именно произошло. Если подобных усовершенствований нет, то невозможно точно сказать, что стало причиной отключения.

При поломке автомата, который работает вместе с УЗО, заменить его проще и дешевле, чем весь дифавтомат.

Подключение

Защитное устройство дифференциального тока выпускают на разное число контролируемых фаз. Бывают однофазные, двухфазные и трехфазные выключатели дифференциального тока.

Если линия однофазная и нужно подключить к ней УЗО и одинарный автоматический выключатель, то не имеет принципиальной разницы, что ставить в первую очередь. Все эти приборы ставятся на входе цепи. Просто удобнее ставить вначале автомат на фазу, а выключатель дифференциального тока после. Так как нагрузка тогда подключается к обоим контактам УЗО, вместо фазы – на автомат, а вместо ноля – на защитное устройство.

Если основная линия делится на несколько линий с нагрузками, то УЗО ставят вначале, а далее на каждую линию свой автоматический выключатель. Важно, чтобы номинальный ток, который может пропустить УЗО, был больше тока срабатывания автомата, иначе защитить само устройство не получится.

Подключение дифавтомата – весьма несложный процесс. Верхняя часть дифференциального автомата содержит контактные пластины и зажимные винты, предназначенные для подключения нуля N и фазы L от счётчика. Нижняя часть располагает контактами, к которым и подключается линия с потребителями.

Подключение дифавтомата можно представить следующим образом:

1. Зачистка концов проводников от изоляционного материала примерно на 1 сантиметр.
2. Ослабление зажимного винта на несколько оборотов.
3. Подключение проводника.
4. Затягивание винта.
5. Проверка качества крепления простейшим физическим усилием.

Выбор между конфигурацией УЗО + автомат и обычным дифавтоматом должен обуславливаться наличием места в щитке и ценой самих устройств. В первом варианте сложность монтажа слегка возрастёт.

В случае с однофазной сетью в 220 В, используемой в большинстве квартир и домов, необходимо использовать двухполюсное устройство. Монтаж дифференциального автомата в данном случае можно провести двумя способами:

1. На входе после электросчётчика для всей квартирной проводки. При использовании данной схемы питающие провода подключаются к верхним клеммам. К нижним же подаётся нагрузка от различных электрических групп, разделённых автоматическими выключателями. Существенным минусом данного варианта является сложность поиска причины выхода из строя в случае срабатывания автоматики и полное отключение всех групп при неполадках.
2. На каждую группу потребителей по отдельности. Этот метод применяют для защиты в помещениях, где отмечается повышенный уровень влажности воздуха – ванные, кухни. Актуален метод и для мест, где электробезопасность должна быть на высшем уровне – например, для детской. Понадобится несколько дифференциальных автоматов – несмотря на большие затраты, данный способ является наиболее надёжным и гарантирующим бесперебойное электроснабжение, а срабатывание любого из дифавтоматов не заставит сработать остальные.

При наличии трёхфазной сети в 380 В нужно применять четырёхполюсный дифавтомат. Вариант используется в новых домах или коттеджах, где устройству необходимо выдерживать высокие нагрузки от электроприборов. Использовать такое подключение дифавтоматов можно и в гаражах в связи с возможным использованием мощного электрооборудования.

Можно сделать вывод, что схема подключения дифференциальных автоматов мало чем отличается от аналогичных схем для УЗО. На выходе устройства должны быть подключены фаза и ноль от защищаемого участка сети. Безопасность именно этой группы и будет контролироваться.

Дифференциальные автоматы успешно применяются и в однофазных, и в трёхфазных сетях переменного тока. Установка такого устройства значительно повышает уровень безопасности при эксплуатации электроприборов. Кроме того, дифференциальный автомат может поспособствовать предотвращению пожара, связанного с возгоранием изоляционного материала.

Что выбрать?

Электрика на дифференциальных автоматах обойдется дороже, но использование этих устройств позволит сэкономить место в щите и сделает электрический шкаф более компактным. С точки зрения подключения и монтажа это устройство проще в использовании в небольших схемах, например, в квартире. В домах со сложными схемами лучше отталкиваться от проекта и потребностей жильцов.

Защита от дифференциального тока

Защититься от перенапряжения и всех неприятных признаков испорченной электропроводки и сети можно при помощи дифференциального автоматического выключателя или устройства защитного отключения. Оба они предназначены, для того чтобы защитить пользователей от поражения электротоком. Могут срабатывать при коротком замыкании. Как правило, работа первых аппаратов нацелена на устранения последствий при прямом соприкосновении, а работа вторых направлена на уничтожения неприятных ситуаций при косвенном соприкосновении электроэнергии.

То есть, в первом случае устройства непосредственно защищают человека от поражения электроэнергией, а во втором случае аппараты защищают электрооборудование и, тем самым, самого человека. Оба аппарата пропускают через себя напряжение и выдают нормальное токовое значение на выходе. Работают как с переменным, так и с постоянным электротоком. Бывают как однофазными, так и двух- и трехфазными.

Обратите внимание! Стоит указать, что по-другому защититься можно, делая правильно электропроводку и внимательно отслеживая работу сети.

В целом, дифференциальный ток — энергия, попадающая в землю или в иные токопроводящие элементы в электроцепи, не имеющей повреждений. Принцип работы основан на наличии электропроводника. Появляется он постоянно в результате электропробоя кабельного изоляционного диэлектрика. Защититься от него можно применением устройств дифференциальной защиты.