Исследование устройства защитного отключения, реагирующего на дифференциальный ток

Московский государственный технический университет 

имени Н.Э. Баумана 

В.В. Тупов 
 

 

Исследование устройства защитного отключения, 
реагирующего на дифференциальный ток 

 

Методические указания к выполнению лабораторной работы 

 по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности» 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

УДК 614.825 
ББК 31.29н 
       Т85 

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/81/book1480.html 

Факультет «Энергомашиностроение»  
Кафедра «Экология и промышленная безопасность» 

Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
 МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве методических указаний 

 

Тупов, В. В. 
 
Исследование устройства защитного отключения, реагирующего 
на дифференциальный ток : методические указания к выполнению 
лабораторной работы по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности». — 
Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 
2016. — 16, [4] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-4480-9 

 
Рассмотрены основные характеристики устройства защитного отключения (
УЗО) и особенности его эксплуатации с точки зрения обеспечения 
эффективной защиты человека от поражения током. Описаны расчетный 
и экспериментальный методы определения силы тока уставки и 
времени срабатывания УЗО, реагирующего на дифференциальный ток, а 
также способы контроля его работоспособности и определения влияния 
защитного зануления установок на его функционирование. 
Для студентов всех специальностей МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
 
 
УДК 614.825 
 
ББК 31.29н 

  
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016 
  
 Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4480-9 
 
 
 
       МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016 

Т85 

Предисловие 

Широкое использование электроэнергии во всех отраслях 
промышленности, на транспорте, в медицине, а также в быту сопровождается 
значительным увеличением количества людей, связанных 
с эксплуатацией электрооборудования, что существенно 
повышает потенциальную опасность электротравмирования.  
Наиболее распространенным и эффективным средством защиты 
от поражения током являются устройства защитного отключения 
(УЗО). В электроустановках, питающихся от трехфазных сетей с 
различным режимом нейтрали напряжением до 1кВ, широкое применение 
нашли УЗО, реагирующие на дифференциальный ток.  
Данная лабораторная работа позволит студентам расчетным и 
экспериментальным способом исследовать функционирование УЗО 
и обоснованно применять их в условиях своей практической деятельности. 

Цель работы — исследование основных характеристик 
устройства защитного отключения, реагирующего на дифференциальный 
ток, и оценка их соответствия нормативным требованиям 
электробезопасности. 
В результате выполнения лабораторной работы студенты 
должны научиться: 
 использовать в практической работе длительно допустимые 
значения силы тока (Ih,д), проходящего через тело человека; 
 выполнять профилактический контроль работоспособности 
УЗО, реагирующего на дифференциальный ток; 
 измерять силу тока уставки (Iу) и время срабатывания (τс) УЗО; 
 оценивать силу тока (Ih), проходящего через человека, прикоснувшегося 
к фазе сети в установке, до момента срабатывания УЗО;  
 исследовать влияние защитного зануления на эффективность 
действия УЗО; 
 оценивать соответствие параметров УЗО допустимым, 
обеспечивающим электробезопасность;  
 применять освоенные методы расчетов и измерений, анализировать 
полученные результаты и формулировать выводы по работе.  

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 

1.1. Принцип действия УЗО 

Защитным отключением в электроустановках до 1 кВ называется 
автоматическое отключение всех фаз (полюсов) участка сети, 
обеспечивающее безопасные для человека сочетания тока и 
времени его прохождения при замыкании на корпус или снижении 
уровня изоляции ниже определенного значения. 
Устройство защитного отключения работает следующим образом. 
Сигнал S, несущий информацию об условиях поражения 
током, поступает на вход преобразователя УЗО, где сравнивается 
с заранее установленным значением Sу — уставкой. При S   Sу 
вырабатывается аварийный сигнал необходимой мощности, который 
подается на исполнительный орган, осуществляющий защиту (
например, отключение электроустановки). Входной сигнал 
называется критическим Sкр, если он соответствует максимальному 
значению длительно допустимого для человека тока Iд.д или 
напряжения Uд.д [4]. Работа УЗО оптимальна, если Sу = Sкр. При Sу < 
< Sкр повышается вероятность ложного срабатывания защиты при 
действии помех (перезащита), а при Sу > Sкр возрастает вероятность 
поражения током (недозащита). 
Устройство защитного отключения должно обладать высокой 
чувствительностью, достаточным быстродействием, селективностью 
работы (способностью отключать только защищаемый объект), 
самоконтролем исправности, надежностью. 
Защитное отключение применяется в сетях любого напряжения 
и с любым режимом нейтрали. Наиболее часто оно используется 
для защиты при эксплуатации ручных электрических машин, 
подземных и передвижных электроустановок. Известно несколько 
основных типов УЗО. В настоящее время наибольшее распространение 
получили устройства, реагирующие на дифференциальный 
ток (иначе говоря, на ток нулевой последовательности). 

1.2. УЗО, реагирующее на дифференциальный ток 

Устройства защитного отключения, реагирующие на дифференциальный 
ток, используются для защиты человека от поражения 
при прикосновении к фазе непосредственно или к корпусу 

электроустановки, оказавшемуся под напряжением. Обычно их 
применяют для защиты участков разветвленной сети или отдельных 
электропотребителей. На рис. 1 показано подключение 
электроустановки к трехфазной сети через разъемы УЗО (разъемы 
на рисунке не показаны). В качестве датчика входного сигнала 
используется трансформатор тока. Простейший трансформатор 
тока представляет собой тороидальный магнитопровод, на 
который намотана вторичная обмотка, соединенная проводной 
связью с входом преобразователя сигнала. 

 

Рис. 1. Схема трехфазной четырехпроводной сети с УЗО, реагирующим 
на дифференциальный ток:  

1 — УЗО; 2 — защищаемая электроустановка; ТТ — трансформатор тока (датчик 
УЗО); 
 
, 
,  
A
B
C
U
U
U
 — фазные напряжения источника питания; 
0,
U
 
0
Y  и 
0I  — 
напряжение, проводимость и ток между нулевой точкой источника питания и 
землей соответственно; YAE, YBE, YCE, YPEN — проводимости изоляции фазных и 
нулевого проводников сети относительно земли вне зоны защиты УЗО; Yai, Ybi, 
Yci — проводимости изоляции фазных проводников относительно земли в зоне 
защиты; Yh — проводимость тела человека; А, В, С — фазные проводники электрической 
сети до УЗО; а, в, с — фазные проводники электрической сети после 
УЗО; Iн — ток от ТТ к преобразователю;  IAE, IBE, ICE — ток утечки между фазными 
проводниками и землей до УЗО; Iai, Ibi, Ici — ток утечки между фазными  
          проводниками и землей после УЗО; Ih — ток через тело человека 

В качестве первичных обмоток выступают фазные проводники (
например, жилы кабеля, питающего электроустановку), пропущенные 
в центральное отверстие магнитопровода. Если токи в 
фазных проводниках симметричны (равны по модулю и сдвинуты 

по фазе на 120о), то их суммарный ток IΣ = 0. Поэтому магнитный 
поток в магнитопроводе и ток во вторичной обмотке отсутствуют. 
В этом режиме (дежурном) контакты исполнительного 
органа (реле) УЗО нормально замкнуты и электроустановка получает 
питание от сети. В случае прикосновения человека к фазе 
в зоне защиты УЗО (см. рис. 1) сила тока в этой фазе возрастает 
за счет силы тока Ih, проходящего через человека. В результате 
возникшей несимметрии фазных токов суммарный ток IΣ уже не 
равен нулю, а при достижении им уставки (IΣ ≥ Iу) ток Iн во вторичной 
обмотке трансформатора тока приводит в действие преобразователь, 
который вырабатывает аварийный сигнал. Этот 
сигнал поступает на обмотку исполнительного реле, которое 
своими контактами отключает электроустановку от сети. Последующее 
включение установки возможно, как правило, только 
после отключения ее вместе с УЗО от сети и устранения 
условий поражения.  
Для осуществления контроля исправности УЗО искусственно 
вызывают нарушение симметрии фазных токов. При этом должно 
происходить срабатывание защиты. 
Правильно выбранная уставка и время срабатывания УЗО являются 
основными условиями обеспечения надежной защиты. 
Для нахождения оптимальных значений этих параметров необходимо 
установить зависимость входного сигнала IΣ от Ih. Предположим, 
что рабочие токи в фазных проводниках, потребляемые 
электроустановкой, симметричны. Тогда их суммарный ток равен 
нулю и не будет восприниматься датчиком УЗО. Поэтому фазные 
рабочие токи исключим из рассмотрения. В этом случае входным 
сигналом будет суммарный ток всех утечек в зоне защиты УЗО, 
включая и ток Ih: 

 
 IΣ = Iai + Ibi + Ici + Ih,  
(1) 

где Iai, Ibi, Ici — сила токов утечки через изоляцию между фазными 
проводниками а, в, с и землей (см. рис. 1). 
Из формулы (1) следует, что до прикосновения человека к фазе (
Ih = 0) сила тока IΣ определяется токами утечек через изоляцию 
и может быть не равна нулю. Для УЗО это помеха, которая 
ограничивает снизу значение уставки Iу. При симметрии этих токов 

Σ
(
 0)
ai
bi
ci
I
I
I
I




 помеха отсутствует. Тогда в случае 

прикосновения человека к фазе появляется, согласно (1), входной 
сигнал IΣ = Ih. 
Сила тока 
нI  во вторичной обмотке трансформатора тока, поступающего 
на вход преобразователя, 

 
 
нI = 
т Σ
К
,
I
 
(2) 

где 
т
К  — коэффициент трансформации трансформатора тока. 
Между нулевой точкой источника питания сети и землей проходит 
ток, сила которого определяется по формуле 

 
 I0 = IAE + IBE + ICE + Iai + Ibi + Ici + Ih,  
(3) 

где IAE, IBE, ICE — сила фазных токов утечки на землю вне зоны 
защиты. 
Подставляя (1) в (2) с учетом (3), получаем 

 
нI   
т
К (
0I   
AE
I
  
BE
CE
I
I

),  
(4) 

или, выражая токи через напряжения и проводимости (см. рис. 1) и 
пренебрегая 
 
PEN
Y
(YPEN   Y0, так как, согласно правилам устройства 
электроустановок (ПУЭ) сопротивления, 
500
PEN
R

 кОм,  
а 
0
8
R 
 Ом), записываем 







н
т
0 0
0
0
0
К
.
A
AE
B
BE
C
CE
I
U Y
U
U
Y
U
U
Y
U
U
Y











  (5) 

При условии, что проводимости изоляции фазных проводников 
относительно земли вне зоны защиты одинаковы (YAE = YBE =  
= YCE = YE) и нет перекоса фазных напряжений источника питания, 
т. е. 
A
U
  
B
U
  
C
U
  0, выражение (5) примет вид 

 
н
 I   
т
0
К U  
0
(Y   3
E
Y ).  
(6) 

Из (6) следует, что в случае прикосновения человека к фазе в 
зоне защиты УЗО не сработает (
нI = 0), если 
т
К = 0 (низкая чувствительность 
устройства) или 
0
U = 0 (человек за счет проводимости 
тела выровнял проводимости фаз относительно земли), или 

0
Y + 3
E
Y = 0 (при компенсации токов утечки вне зоны защиты 
УЗО), или все три сомножителя в (6) равны нулю. 
Суммарные токи утечки между фазными проводниками и землей (
см. рис. 1) можно вычислить по формулам 

 
,  
,
 .
 
A
AE
ai
B
BE
bi
C
CE
ci
I
I
I
I
I
I
I
I
I






  

При этом (3) примет вид 

 
 
0
.
A
B
C
h
I
I
I
I
I




 
(7) 

Выразив суммарные токи утечки (см. (7)) через соответствующие 
напряжения и суммарные проводимости фаз относительно 
земли, т. е.  

, 
, 
,
A
AE
ai
B
BE
bi
C
CE
ci
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y






  
получим 

 


 



0 0
0
0
0
 .
A
A
h
B
B
C
C
U Y
U
U
Y
Y
U
U
Y
U
U
Y







  (8) 

При симметрии векторов фазных напряжений сети запишем 
каждый из них через его модуль 
:
U  

 
2
; 
; 
,
A
B
C
U
U
U
a U
U
aU



  
(9) 

где a  — фазный оператор, позволяющий учесть сдвиг по фазе на 
120  между векторами, 

 
 
2
1
3
1
3
 ; 
 .
2
2
2
2
a
j
a
j
 

 

 
(10) 

Подставив (9) с учетом (10) в уравнение (8) и приняв 
A
B
Y
Y

  
,
C
Y
Y


 решим (8) относительно 
0.
U
 Запишем решение в виде 

 
0
0
 
 .
3

h

h

Y
U
U Y
Y
Y



  
(11) 

Приняв 
ai
bi
ci
i
Y
Y
Y
Y



 и подставив (11) в уравнение (6), 
получим 

0
н
т
0

3
К
 .
3
3

E
h
E
i
h

Y
Y
I
UY Y
Y
Y
Y





 
(12) 

Далее применим выражение (12) для оценки эффективности 
работы УЗО, реагирующего на дифференциальный ток, в трех-
фазных сетях с различным режимом нейтрали. 

1.3. УЗО в трехфазной сети с изолированной нейтралью 

В трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью 
сопротивление изоляции между нейтралью и землей велико, 
поэтому положим, что в схеме, приведенной на рис. 1, 
0 
Y = 0. Тогда (
12) примет вид 

 
 
н
т
3
К
.
3
3

E
h
E
i
h

Y
I
UY
Y
Y
Y



 
(13) 

Если трансформатор тока расположить около источника питания, 
то фазных проводников между ними практически не будет, 
и, следовательно, утечка тока с проводников на землю будет отсутствовать, 
поэтому в схеме, приведенной на рис. 1, можно положить 
YE = 0. В этом случае, согласно (13), ток 
нI = 0, т. е. сигнал 
на входе усилителя будет отсутствовать и в аварийной ситуации 
УЗО не сработает. В такой сети УЗО следует распологать 
подальше от источника питания для защиты отдельных ее участков 
или непосредственно около защищаемой установки. При 
этом уставка может меняться при изменении проводимости изоляции 
фазных проводников (например, в результате ее старения), 
что может повлечь сбой в работе УЗО. 

1.4. УЗО в трехфазной сети с глухозаземленной нейтралью 

В трехфазной сети с глухозаземленной нейтралью при нормальном 
режиме ее работы сопротивление изоляции 
из
R
 проводников 
относительно земли (согласно ПУЭ 
из
 
500
R

 кОм), а 
также сопротивление 
h
R  в цепи тела человека (в расчетах берут 

1 
h
R 
 кОм) значительно больше сопротивления 
0
R  заземления 
нейтрали 
0
(
8 
R 
 Ом). Применительно к проводимостям это соответствует 
условию 
Y0   YE, Yi, Yh. 

Тогда, согласно (12), получим 

 
 
н
т
т
 
.
К
К
h
h
I
UY
I


  
(14) 

Из сравнения (2) и (14) следует, что входной сигнал УЗО 
Σ
I  
равен току, проходящему через человека, прикоснувшегося к фазе: 
IΣ = Ih. Уставка УЗО 
у
 I  не должна превышать максимального 

значения длительно допустимого для человека тока 
д.д
I
 (соглас-

но ПУЭ для производственных установок 
д.д
6 мА),
I

 так как 

при 
hI < 
уI  УЗО не срабатывает и ток 
hI  может воздействовать 
на человека неограниченно долго, усугубляя опасность поражения. 
Ориентируясь на максимальное значение порогового неот-
пускающего тока, при котором человек не может самостоятельно 
освободиться от зажатой в руке токоведущей части, часто принимают 

уI  = 10 мА. 
Как отмечено выше, 
0
E
Y
Y

, поэтому, согласно (6),  

н
т
0 0
т 0 
К
К
.
I
U Y
I


  

Сопоставив эту зависимость с выражением (2), получим 

Σ
0
I
I

. Следовательно, датчик УЗО (трансформатор тока) можно 
включить между нулевой точкой источника питания сети и землей. 
Таким образом, будет защищена вся сеть. 
Проведенный сравнительный анализ показывает, что УЗО, 
реагирующее на дифференциальный ток, более эффективно обеспечивает 
защиту в сети с глухозаземленной нейтралью, чем в сети 
с изолированной нейтралью. Дальнейшее теоретическое исследование 
работы УЗО продолжим применительно к трехфазной 
сети с глухозаземленной нейтралью. 
В течение времени срабатывания 
ср 

 УЗО (от момента при-

косновения человека к фазе до момента ее обесточивания) на человека 
действует ток