Защита электрооборудования от токов утечки

Использование бытовых и промышленных электроприборов без заземления запрещено правилами эксплуатации. В кабеле питания современных электроинструментов имеется третья жила, предназначенная для заземления корпуса, но в сетевых розетках не всегда имеется заземляющий разъем, особенно если монтаж проводки выполнен по старым стандартам.

Проверку качества заземления проводят разве что на подстанциях, и то в определённые сроки, а заземление бытовых электророзеток проводится один раз - во время сдачи в эксплуатацию.

Утечка тока на корпус электрооборудования при отсутствии или ненадёжном заземлении может привести к электротравме.

Устройство может использоваться для апробирования электротехнического оборудования и бытовых электроприборов.

Полагаться на надёжность изоляции кабеля и наличия заземления нельзя, предохранители сети не отключат нагрузку при малом токе утечки.

Применение при работе резиновых перчаток не всегда оправдано удобством эксплуатации.

Развести цепь гальванического соединения с трансформатором подстанции возможно при применении разделительного трансформатора достаточной мощности, то есть при работе электродрелью разделительный трансформатор должен быть не меньшей мощности. Это очень дорого и неудобно. Схемы такого питания сетевых нагрузок применяются в большинстве европейских стран. По старым правилам контролировалось наличие сетевого напряжения на корпусе электроприбора, что приводило к его отключению, при превышении заданных ограничений. Как оказалось, правильнее контролировать не напряжение на корпусе электроинструмента, а ток утечки- появление которого приведёт к отключению электроинструмента. 

Характеристики устройства:
Напряжение питания 220 Вольт
Потребляемая мощность 5 Ватт
Ток отключения 8 ма
Время отключения 6 мск
Вес устройства 340 г
Мощность нагрузки 800 Ватт

Схема устройства защиты электрооборудования от токов утечки состоит из: ждущего мультивибратора на микросхеме DA1,с цепями запуска на транзисторе VT1; ключевого устройства на тиристоре VS1 и сетевого стабилизированного выпрямителя питания.

В исходном состоянии на выходе 3 микросхемы DA1 напряжение близко к нулю, так как на входе нижнего компаратора напряжение больше 1/3 Un. В этом устойчивом состоянии схема может находиться бесконечно долго.

При появлении запускающего импульса, отрицательного по фронту на вход 2 DA1, срабатывает нижний компаратор. Запускающий импульс подготавливается усилителем на транзисторе VT1. Ток утечки, протекая по шине заземления, создаёт в обмотке трансформатора тока ТТ1 переменное напряжение, которое далее выпрямляется диодами VD3,VD4 по схеме удвоения напряжения.

Резисторы R11, R12 защищают обмотку трансформатора ТТ1 от пробоя импульсными токами. Параллельная базе транзистора VT1 цепь – C4,R7 позволяет снизить реакцию схемы на статические импульсы разряда, созданные одеждой оператора. Стабилитрон VD2 с резистором R12 защищает транзистор VT1 от критического уровня напряжения на входе.

Открытый, на короткое время, транзистор VT1, при появлении утечки, создаст запускающий импульс. Внутренний разрядный транзистор микросхемы DA1 по выходу 7DA1 закроется и конденсатор С2 начнёт заряжаться через цепь R2,R3. На выходе 3DA1 появится высокий уровень напряжения, который мгновенно откроет тиристор VS1.

Реле К1 с нормально замкнутыми контактами разомкнёт цепь питания нагрузки К1.1, К1.2. Цепь С7,R10,VD5 защищает обмотку реле К1 от межвитковых пробоев в момент переключения тока тиристором.

При наличии тока утечки и напряжении питания, реле К1 продолжит оставаться во включенном состоянии. Если питание устройства аварийно исчезнет и реле К1 выключится, при повторной подаче сетевого напряжения и наличии утечки, нагрузка отключится на длительное время.

Для повторного включения нагрузки достаточно снять напряжение сети с устройства, выдернув вилку питания.

В любом случае, после аварийного отключения нагрузки, необходимо провести поиск пробоя, осмотром электротехнического оборудования и выполнить испытание изоляции.

Питание схемы устройства реализовано от сетевого трансформатора T1 мощностью 5-10 ватт.

Диодный мост VD8-VD11 заменим на диодную сборку типа КЦ402, КЦ405, тиристор VS1 типа КУ101Б на КУ 101Г.
Силовой трансформатор типа ТПП или от сетевых адаптеров с выходным напряжением 12 вольт.
ТранзисторVT1 с усилением более 200.
Реле типа РЭС-47 №РФ4-500-409 с сопротивление м обмотки 157 Ом. Контакты выдерживают до 3-х ампер переменного тока напряжением 220 вольт.

Аналоговый стабилизатор напряжения DA2 стабилизирует питание схемы устройства при возможных колебаниях. Дополнительные диоды VD6,VD7 поднимают выходное напряжение стабилизатора микросхемы DA2 с 12 до 12,8 вольт.
Напряжение питания выбрано из условий включения реле К1 с напряжением срабатывания в 12 Вольт, хотя проверка таких реле показывает хорошее срабатывание при напряжении от 8 до 12 вольт.

Трансформатор тока ТТ1 переделан из выходного трансформатора малогабаритных радиоприёмников, железо разбирается на отдельные пластины, каркас с обмотками ставится с одной стороны трансформатора, с другой обмотка состоящая из трёх витков изолированного провода диаметром 0,6мм.

Многовитковая обмотка используется для снятия напряжения утечки.
Светодиод HL1 используется как индикатор аварийного отключения.
Наладку схемы начинают с проверки источника питания наличия напряжения 12,8 вольт и 10 вольт на микросхеме DA1.

Проверка срабатывания реле К1 выполняется путём подачи напряжения 10 вольт на управляющий электрод тиристора VS1,через добавочный резистор 1 кОм.

Кратковременное замыкание вывода 2DA1 на минус питание должно приводить к срабатыванию реле.

Подача на резистор R12 напряжения в 0,5 вольта также должно приводить к срабатыванию реле.

Возможно искусственно создать в цепи ток утечки в 10 мА, нагрузив заземление подключенного оборудования резистором 18-22 кОм 5 ватт. Конструкция устройства собирается в пластмассовом корпусе типа БП-1, а лучше в корпусе сетевого удлинителя. Разрыв нулевого провода припаивается к выводам первичной обмотки трансформатора тока.

Владимир Коновалов, Вантеев Александр (г. Иркутск)