Елементи теорії диференціального струму, або струму витоку

Розглянемо один фізичний процес. Якщо людина здійснює дотик до ізольованої струмоведучої частини електроустановки чи подвійно ізольованих проводів ЛЕП, то ураження електричним струмом буде відсутнє. Це очевидний факт: ізоляція не дає струму текти через людське тіло. Але якщо жилу проводу оголити від ізоляції, встати на ізолювальну підставку або на діелектричний килим і доторкнутися до цього проводу? Ефект буде той же самий – електричного удару не буде. В обох випадках не виконується друга умова виникнення струму: наявність замкненого провідного контуру кола струму (перша умова – наявність джерела напруги чи електрорушійної сили).

В природі немає такого фізичного процесу, як диференціальний струм. Це поняття є векторною величиною, вираженої як сума струмів, присутніх у колі, взятих у значенні середньоквадратичному.

Сама назва «диференційний» походить від англійського слова «different», що означаєвідмінний, інший. У російській мові прижилася міцно назва «електричний струм витоку». Так позначають електричний струм, який стікає прямо в землю або ж на інші струмопровідні частини (корпуселектроустановки та її металеву основу) в колі електричного струму непошкодженої електроустановки.

Теорія диференційного струму лежить в основі конструювання захисних пристроїв, керованих диференціальним (залишковим) струмом, а саме автоматичних вимикачів диференціального струмуз вбудованого і невбудованого захисту від надструмів (промислового та побутового призначення), автоматичних вимикачів з вбудованими або автономними модулями захисту від струмів витоку.

Рис. 7.22.Струм витоку

Відповідно до міжнародного стандарту МЭК 60755-2012, диференційний струм– це діюче значення векторної суми миттєвих значень струмів, що протікають в головному колі ПЗВ.Поняття диференційний струм, відноситься до фізичних величин і визначає діюче значення векторної суми струмів в ланцюзі, де встановлено ПЗВ.

Щоб з'явився диференціальний струм, повинен відбутися фізичний процес, який називається струмом витоку. Але необхідно, щоб була дотримана одна умова: корпус обладнання, де з'явився струм витоку, повинен бути з'єднаний з землею. В іншому випадку, якщо тіло не заземлено, то виникнення струму витоку не спричиняє до появи диференціального струму івимикач диференціального струму (ВДТ) не спрацює.

Відповідно до міжнародного стандарту МЭК 60755-2012, струм витоку на землю (earth leakagecurrent) – це струм, який протікає від струмоведучих частин електроустановки в землю за відсутності пошкодження ізоляції.Поняття струм витоку, відноситься до назви струму, який стікає з струмоведучих частин кола, які перебувають під напругою (жили проводів, шини тощо) на струмопровідні елементи кола (металеві корпуси, труби тощо). Причому, на відміну від струму КЗ, витік струму відбувається без явного порушення працездатності кола (ушкодження кола).

Так як диференціальний струм, якщо виразити математично, являє собою різницю (в векторному значенні) між струмом на виході джерела і струмом після навантаження, то зрозуміло, що він практично ідентичний струму витоку (рис. 7.23).

Рис. 7.23.До пояснення суті диференціального струму

Диференціальний електричний струм не протікає по повітрю, йому обов'язково необхідний електричний провідник, і, звичайно, подібним провідником виступає саме людське тіло. Поява подібних електричних струмів зовсім не рідкість, і виникають вони в результаті електричного пробою діелектричної ізоляції кабелів і проводів, або поганих з'єднань і т. д. У результаті прямого дотику (прямих контактів людини до фазного електричного провідника) або непрямогодотику(контакт людини з струмопровідним корпусом електроустановки (зокрема, електроприймача), що знаходяться під напругою через випадковий пробій електричного провідника, зокрема обмотки електродвигуна) людське тіло може отримати серйозну травму або навіть летальний результат.

Розглянемо двухпровідний кабель, який живить змінним струмом активне навантаження (наприклад, електрообігрівач).

При нормальній роботі електричної мережі сила струмуна одній жилі двухпровідного кабелю буде рівна силі струму на другій жилі двухпровідного кабелю. Тобто різниця між силами струму в цих двох жилах буде дорівнювати нулю (вектори цих сил струму рівні за модулем (величині) і протилежні за напрямом).

При аварійному виникненні електричного пробою одного провідника кабелю з'являється замикання його на струмопровідний корпус. Якщо людина випадково доторкнеться до цього корпусу електроприймача (на якому знаходиться фазна напруга) утворюється нове електричне коло, що проходить через тіло людини. Людське тіло пропускає через себе частину струму, що йде на землю. Це викличе протікання диференціального струму.

У даному випадку, струм, що приходить по одному провіднику (жилі кабелю) вже не буде дорівнювати електричному струму, що приходить по другому провіднику. Виникає різниця струмів між проводами (тобтодиференціал) і це буде величиною струму витоку. Цей витік буде являти собою диференційний струм.

Електричним провідником для диференціального струму може бути не тільки людина. Це можуть бути будь-які струмопровідні частини, які електрично з'єднані з землею. Наприклад, застаріла електропроводка, у якій порушена ізоляція.

Диференціальні струми у будь-якому випадку є негативний фактор. У разі контактування струмопровідних частин з тілом людини, виникає небезпека для самої людини. Якщо диференційний струм виникає через несправність електричної проводки або інших подібних електрично провідних частин, які контактують з землею, то виникає небезпека появи як мінімум втрати електроенергії, а як максимум, це велика ймовірність пожежі.

Для боротьби з небажаним диференціальним струмом існують спеціальні електротехнічні пристрої. Вони називаються пристрої диференціального захисту (ПДЗ). Усередині ПДЗ є своєрідний датчик (диференційний трансформатор), який відстежує різницю вхідних і вихідних струмів, що проходять через нього. Якщо все працює в нормальному режимі, і немає ніяких витоків на землю, то значить, значення сили струму на двох проводах однакові, а напрями їх взаємопротилежні (у певний момент часу). Значить різниця між цими струмами, тобто диференціальний струм, буде дорівнювати нулю (рис. 7.24).

Рис. 7.24.Механізм виникнення диференціального струму

Але як тільки відбувається контакт струму з землею (будь, то через тіло людини або елементи електроустановки) в диференціальному трансформаторі на обмотці, яка відстежує, з'являється різницева напруга (DU). Ця напруга передається спочатку підсилювальному, а потім виконавчому пристрою.

Як тільки надійшов сигнал про наявність диференціального струмуDI, який прямо пропорційний різницевій напрузі DU, то одразу ж спрацьовує пристрій захисту і розриває електричні контакти між джерелом електроенергії і безпосереднім електроприймачем. У результаті такого аварійного відключення забезпечується надійний захист від ураження людини електричним струмом і від ймовірного виникнення пожежі через надмірний перегрів електропроводки (кабелю).

Таким чином, диференціальний струм з'являється при витоку на землю.

Під струмом спрацьовування(або відключання) розуміють такий диференціальний струм, перебіг якого призводить до відключення ВДТ при витоках у колі.

Струм, перебіг якого допустимий у колі пристрою захисного відключення (ПЗВ) і не відбувається його спрацьовування, називається диференціальним невідключаючим струмом.

У навантаженому колі, де працюють пристрої імпульсного типу (випрямлячі, дискретні цифрові прилади для регулювання потужності тощо) присутні фонові диференційні струми. Але такі струми не є струмами пошкодження, і електричне коло в цьому випадку не можна відключати. Тому поріг спрацьовування ПЗВвибраний таким, щоб не реагувати на робоче значення фону, а відключати струм витоку, що перевищує цю величину.

Для того щоб захистити коло від замикання на землю струмів великої величини, розроблені спеціальні автоматичні вимикачі. Схема пристрою постійно тестує контрольоване коло на наявність електричних витоків. Як тільки сума векторних значень лінійних струмів стане більше нуля і перейде межу чутливості приладу, він відразу відключить коло. Такі системи ставлять і в однофазних, і в трифазних лініях електропередачі.

Зазначимо, що вимикач диференціальний (ВД)реагує на диференціальний струм і забезпечує захист людини від ураження електричним струмом при випадковому не навмисному дотику до струмоведучих частин електроустановки при пошкодженні ізоляції.

На відміну від ВД , автомат диференціальний (АД)окрім функції захисту людини від ураження електричним струмом виконує також функцію запобігання пожежі внаслідок протікання струмів витоку на землю та функцію захисту від надструмів (струмів КЗ і перевантаження).

Стандарт МЕК 60364-1“Низьковольтні електричні установки”[26]має довідниковий додаток “Терміни і визначення” в якому пояснюється сутність селективності захисту, яка ґрунтується на термінах “диференціальний струм” і “пристрій диференціального струму”.

Зауважимо, що у національній нормативній документації замість терміна “пристрій диференціального струму” вживають термін “пристрій захисного відключення” (ПЗВ).

Підсумовуючи вище викладене, відзначимо, щодиференціальний струм(позначення ID) – середнє квадратичне значення векторної суми струмів, що протікають через головне коло пристрою диференціального струму.

Іншими словами, ID– алгебраїчна сума значень електричних струмів у всіх провідниках, які знаходяться під напругою, в один і той же час в даній точці електричного кола в електричній установці. Висновок: диференціальний струм, що з’являється в електричному колі,буде рівний диференціальному струму, який визначається пристроєм диференціального струму. У свою чергу, пристрій диференціального струму – контактний комутаційний пристрій, призначений включати, проводити та відключати струми в нормальних робочих умовах і викликати розмикання контактів, коли диференціальний струм досягає заданого значення у певних умовах.

_____________________________________________________________________________________