ЗАЩИТИТ АВТОМАТ
Моделист-конструктор 1994 №10
При всём желании трудно представить нашу жизнь без электричества. Но оно не только верный помощник, но и страшный враг - при нарушении элементарных правил безопасности. Конечно, последнее чаще всего происходит из-за личной халатности людей и по причине повреждения изоляции токоведущих частей электрооборудования.
Статистика показывает, что случаи однополюсного прикосновения к токоведущим частям, приводящие к смерти, составляют 92-95%. При этом человек, как правило, стоит на токопроводящем полу (мокрый асфальт, кафель, грунт). Или - несколько иная ситуация, когда пострадавший второй рукой коснулся заземлённого технологического оборудования (трубы водопровода, отопления, газа). Переходное сопротивление между точкой прикосновения к фазному проводу и заземлённому основанию (полу) с учётом сопротивления обуви может изменяться от сотен мегаом (за пределами ощущения воздействия тока) до 1000-800 Ом (смертельный исход). При токе до 10-12 мА взрослый человек в состоянии сам освободиться от его воздействия. А потому такой ток подчас называют «отпускающим». При 20-30 мА возникает эффект «схватывания», когда рука поражённого не может быть разжата одним лишь усилием воли. Ток силою 50-100 мА и длительности воздействия в несколько секунд вызывает резкую аритмию - фибрилляцию желудочков сердца, удушье и смертельный исход. Разумеется, если не будут приняты специальные меры. Следует также помнить: при всех отягчающих обстоятельствах ток, протекающий через тело человека (в сети 220 В, 50 Гц), не может быть более 300 мА.
Проблема защиты людей от поражения при случайном прикосновении к токоведущим частям встала с особой остротой перед специалистами-электриками сразу после второй мировой войны (в связи с резким ростом электропотребления и развитием бытовой электротехники). Перспективный путь для её решения предложили в 1949 г. австрийские инженеры, воспользовавшись принципом дифференциального трансформатора как удобного «обнаружителя» тока, который может протекать через тело человека, попавшего под высокое напряжение.
Принцип действия дифференциального трансформатора.
В чем же тут суть? А в том, что при «ждущем» (обычном) режиме ток нагрузки создаёт в магнитопроводе такого трансформатора Т два равных по величине встречных магнитных потока. Значит, в дополнительной обмотке II практически будет отсутствовать напряжение.
Но вот произошло ЧП, и человек, как говорится, попал под напряжение. Тогда ток, ответвляющийся в землю через тело человека, создаст уже свой магнитный поток, который наведет в обмотке II напряжение. Причём величина последнего, как показали исследования, зависит от соотношения чисел силовых витков (к нагрузке) проводов и обмотки II, а также от геометрических размеров магнитопровода и материала, из которого тот изготовлен. На принципе дифференциального трансформатора и были созданы устройства защитного отключения (УЗО). До сих пор они являются не чем иным, как наиболее совершенным техническим средством защиты людей от поражения электрическим током. УЗО в массовых количествах выпускаются крупнейшими электротехническими фирмами мира (Сименс, АЕГ, Томсон-Брандт, Тошиба, Мицубиси и др.). Широкое применение этих устройств, как свидетельствует статистика, позволило резко уменьшить смертельный электротравматизм и свести к минимуму ущерб от пожаров, вызванных электрическим током.
В бывшем СССР серийный выпуск УЗО удалось начать лишь в 1966 г. Но основная масса этих устройств направлялась в строительство и сельское хозяйство (как наиболее неблагополучные отрасли страны). С 1982 года отечественная промышленность взялась-таки за производство УЗО для использования в быту. Но не как установочные на вводно-распределительном щитке, а в виде переносных изделий для эффективной защиты человека при пробое электроинструментов или электроприборов с кабельным питанием. Эти УЗО имеют чувствительность на уровне «отпускающего» тока в 10 мА и называются «персональной защитой». Таково УЗО-10.2.010. П. УХЛ2 Владикавказского завода «Бином», выполненное с двумя встроенными розетками на 6А; а также УЗОШ-10.2.010 УХЛ4 Гомельского завода «Электроаппаратура», рассчитанное на ток нагрузки до 10А; УЗОВ-6, 3.2.010УЗ того же завода, выпускаемое в виде «вилки» с током нагрузки до 6,3 А.
Электрическая принципиальная схема устройства зашиты подключением.
Электрическая схема одного из серийных УЗО персональной защиты (см. рис.) не столь уж и сложна. «Сердцем» здесь служит обведённый пунктиром усилительно-преобразовательный орган «А». Источником его питания является однополупериодный выпрямитель на диоде VD6 с делителем напряжения на резисторах R10, R11 и сглаживающим фильтром С3. Стабильность напряжения обеспечивается стабилитроном VD5.
Работа схемы происходит следующим образом. На зажимы XI подают напряжение сети 220 В. При нажатии на кнопку SB1 операционный усилитель DA1 получает питание 15 В. Благодаря выбранной рабочей точке на выходе 6 устанавливается высокий уровень напряжения (+12 В). Через диоды VD3 и R12 он прикладывается к управляющему электроду тиристора VD10, который открывается. Тотчас же срабатывает реле К1, подключая нагрузку (защищаемый электроприбор) к сети, и блокирует контакты кнопки SB1. Включённый последовательно с реле светодиод VD8 загорается, сигнализируя включённое состояние УЗО.
При прикосновении человека к токопроводящим элементам или повреждении изоляции фазного провода на выводах 5,6 трансформатора Т1 появится напряжение, примерно пропорциональное току утечки. Оно тут же поступит на неинвертирующий вход 2 усилителя и переведёт DA1 из одного устойчивого состояния (открытого) в другое (закрытое). Напряжение на выводе 6 резко уменьшится. Стабилитрон VD5 закроется, а вслед за ним - и тиристор VD10.
Цепь VD3, R9, С2 фиксирует выключенное состояние усилителя DA1, а реле отпускает якорь, разрывая все свои контакты. Элементы C1, R2 ослабляют влияние помех на входные цепи УЗО. Что же касается диодов VD1, VD2, то они защищают схему от импульсных помех большой амплитуды. Резисторы R3-R5 образуют делитель напряжения на инвертирующий вход 3 усилителя. A R8 создает смещение на вход 2 и вызывает срабатывание УЗО при обрыве цепи обмотки II трансформатора Т1.
Резисторы R6, R7 создают цепь настройки УЗО на срабатывание при «появлении тока утечки на землю», 10 мА. Цепь R13, С4 защищает от помех тиристор VD10. Кнопкой SB2 при включённом УЗО создают режим, имитирующий утечку в 20-25 мА для проверки работоспособности УЗО.
Печатная плата с расположенными на ней элементами схемы.
Для сборки схемы лучше воспользоваться печатной платой, выполненной из 1,5 мм фольгированного стеклотекстолита (см. рис.). Но можно остановить свой выбор и на «навесном» монтаже.
Дифференциальный трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе из ленточного пермаллоя 79НМ толщиной 0,1-0,15 мм. Но вполне подойдет и кольцо К28х18х9 из феррита 3000НМ1. При этом обмотку II наматывают по окружности хорошо изолированного кольца проводом ПЭВ-2-0,1 мм, число витков - 1500. Наличие короткозамкнутых витков, естественно, здесь не допускается. Силовые же витки выполняют изолированным гибким проводом марок МГШВ, НВ, сечением 0,75 мм2. Намотку ведут в два провода. Число витков - 2x5.
В качестве коммутационного аппарата К1 лучше использовать реле с сильноточными контактами. Наиболее подходящим можно считать реле типа PП-21 с 3 группами контактов на переключение и катушкой, рассчитанной на 110 В постоянного тока
Резисторы R1, R10 и R11 взяты типа МЛТ-0,5. В качестве R7 использовано переменное сопротивление СП3-38. Остальные резисторы - наиболее распространённой в современной аппаратуре серии МЛТ-0,125 Конденсаторы C1 и С2 типа К73-17, а С3 и С4 - К50-35. Наименование и тип остальных применённых радиоэлементов указаны на принципиальной электрической схеме.
В заключение следует подчеркнуть: УЗО являются приборами особого класса, они - для защиты жизни человека. Вследствие этого нельзя, видимо, особо полагаться на кустарно изготовленные УЗО. Другое дело - заводские изделия. Они проходят тщательную проверку параметров на соответствие международным нормам и техническим условиям.
В минувшем году нашей промышленностью освоен выпуск приборов нового класса, рассчитанных на работу с повышенной надёжностью при длительной эксплуатации. Это - автоматический выключатель двухполюсного исполнения УЗО-20. Такой прибор надёжно защитит человека при работе с электроагрегатами, имеющими ток нагрузки до 32 А. Как нельзя лучше подойдёт он для установки на всю квартиру, дом, гараж и т. д. Выпускается также и новая «вилка» УЗО-2 (УЗО-2.6.010.В2УЗ), рассчитанная на работу с нагрузкой до 8 А (холодильники, стиральные машины, насосы и т. д.). Её масса не превышает 135 г.
Ю. Водяницкий, Москва