Конструкции и принцип действия. 
Дифференциальный трансформатор гока

В основе принципа действия УЗО лежит дифференциальный метод [4]. В нормальном режиме (см. рис. 2.15) векторная сумма токов в фазном (/_t) и нулевом рабочем (/₂) проводниках теоретически равна нулю. Практически она отличается от нуля и может достигать значений нескольких миллиампер из-за токов утечки, которые протекают в землю в электрически неповрежденной сети вследствие конечных значений сопротивления изоляции. В случае прямого или косвенного прикосновения к токопроводящей части ток, протекающий через тело человека, возвращается к источнику, минуя нулевой рабочий проводник. Таким образом, появляется некоторая векторная сумма токов, обнаруживаемая дифференциальным трансформатором тока 1. В случае превышения дифференциальным током заданного значения пусковой орган 2 воздействует на механизм свободного расцепления 3, что приводит к «мгновенному» размыканию контактов УЗО и в итоге к обесточиванию электроустановки.

Для получения сигнала, пропорционального векторной сумме токов, используется дифференциальный трансформатор тока, показанный на рис. 2.16. Для однофазных устройств он имеет две первичные обмотки, включенные последовательно соответственно в цепь фазного и нулевого проводников, и вторичную обмотку. В частности, на рис. 2.16 первичные обмотки имеют по одному витку, т. е. фазный (L) и нулевой рабочий (N) проводники проходят сквозь окно в магнитопроводе. В трехфазных УЗО трансформатор имеет соответственно четыре первичных обмотки.

Рис. 2.16. Дифференциальный трансформатор тока.

Тороидальный магнитопровод выполняется из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью, например из аморфного железа, с линейной характеристикой намагничивания. Вторичная обмотка подключается к входу пускового органа. В нормальном режиме по первичным обмоткам протекает ток нагрузки. Результирующий магнитный поток в магнитопроводе, создаваемый одинаковыми по величине и противоположно направленными токами первичных обмоток, равен нулю и соответственно на выводах вторичной обмотки напряжение отсутствует. При возникновении тока через тело человека или тока замыкания на землю вследствие повреждения изоляции по фазному проводнику, кроме тока нагрузки, протекает дополнительно дифференциальный ток. Этот ток возвращается к источнику, минуя нулевой рабочий проводник. Результирующий ток и, следовательно, магнитный поток уже не равен нулю. Переменный во времени магнитный поток создает на выводах вторичной обмотки напряжение, которое пропорционально дифференциальному току. Если значение дифференциального тока выше заранее установленного уровня, то в конечном счете должно последовать отключение поврежденного участка электроустановки.

В зависимости от конструкции и схемы блока управления вторичная обмотка дифференциального трансформатора может быть нагружена на большое или малое активное сопротивление. Используя упрощенную (без учета потоков рассеяния) Г-образную схему замещения трансформатора тока, можно получить формулы для выходного напряжения U₂. На схеме замещения (рис. 2.17) приведенный ко вторичной обмотке дифференциальный ток показан в виде источника тока I. В режиме практически холостого хода (при R —> °°) выходное напряжение определяется как.

где /_д — дифференциальный ток; со — угловая частота; L и N — индуктивность и число витков вторичной обмотки, соответственно. Первичная обмотка имеет один виток.

При работе на низкоомную нагрузку.

где R — сопротивление нагрузки; г — сопротивление вторичной обмотки.

Рис. 2.17. Схема замещения дифференциального трансформатора тока.

Из приведенных формул очевидно, что выходное напряжение пропорционально дифференциальному току. Однако при большом сопротивлении нагрузки оно также пропорционально индуктивности, т. е. при прочих равных условиях прямо пропорционально величине магнитной проницаемости. В то же время при низкоомной нагрузке и при условии (/? + r)":coL выходное напряжение практически не изменяется при вариациях магнитной проницаемости. Таким образом, при низкоомной нагрузке обеспечивается более точная работа УЗО.

Для защиты человека от поражения электрическим током предназначены УЗО с чувствительностью 10 и 30 мА. В противопожарных целях используются более грубые УЗО с током срабатывания 0,1 А и выше. В однофазных цепях применяются двухполюсные УЗО, а в трехфазных соответственно — четырехполюсные.