6. SKUTECZNOŚĆ SAMOCZYNNEGO WYŁĄCZENIA NAPIĘCIA 6.1. Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jest poznanie podstawowych wiadomości z zakresu ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach elektrycznych niskiego napięcia oraz metod kontroli skuteczności działania urządzeń ochrony przed dotykiem pośrednim przez zastosowanie samoczynnego wyłączenia zasilania. Ćwiczenie polega na sprawdzeniu wybranymi przyrządami i dokonaniu oceny skuteczności ochrony realizowanej w badanej instalacji na podstawie normy PN-IEC 60364-4-41. 6.2. 6.2.1. Wiadomości podstawowe Ochrona przed dotykiem pośrednim. Ochrona przed dotykiem pośrednim przez zastosowanie samoczynnego wyłączenia zasilania to najbardziej rozpowszechniony sposób ochrony. Ochrona ta polega na spowodowaniu w określonym czasie samoczynnego wyłączenia chronionego obwodu lub urządzenia w przypadku uszkodzeń – zwarć między częścią czynną i częścią przewodzącą dostępną lub przewodem ochronnym tego obwodu albo urządzenia – wywołujących napięcie dotykowe na częściach przewodzących dostępnych o wartościach niebezpiecznych dla zdrowia i życia. Graniczne dopuszczalne długotrwale napięcia dotykowe są równe 50 V dla prądu przemiennego i 120 V dla prądu stałego nietętniącego, a w warunkach zwiększonego zagrożenia wynoszą one odpowiednio 25 oraz 60 V. Polska norma PN-IEC 60364-4-41 „Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przeciwporażeniowa” określa najdłuższe dopuszczalne czasy wyłączenia. Zależą one od napięcia znamionowego względem ziemi, typu układu sieci i granicznego dopuszczalnego długotrwale napięcia dotykowego. W pewnych okolicznościach np. w obwodach rozdzielczych, zależnie od układu sieci, dopuszcza się czas wyłączania nie dłuższy niż 5 s niezależnie od wartości napięcia dotykowego. W zależności od wymagań określonych dla każdego z układów sieci części przewodzące dostępne powinny być połączone z uziemionym przewodem ochronnym PE lub ochronno-neutralnym PEN. W celu zmniejszenia lub wyeliminowania możliwości wystąpienia napięć dotykowych między różnymi częściami przewodzącymi w każdym budynku powinny być wykonane połączenia wyrównawcze główne łączące: główny przewód ochronny, główną szynę uziemiającą, metalowe elementy konstrukcyjne, urządzenia centralnego ogrzewania i systemów klimatyzacyjnych. Jeżeli warunki samoczynnego wyłączenia nie mogą być spełnione w danej instalacji powinny być wykonane połączenia wyrównawcze dodatkowe ( miejscowe ). 6.2.2. Układy TN Wszystkie części przewodzące dostępne instalacji powinny być przyłączone do uziemionego punktu sieci zasilającej za pomocą przewodów ochronnych uziemionych na każdym transformatorze. W układzie TN mogą być stosowane następujące urządzenia ochronne: - urządzenia ochronne przetężeniowe ( bezpiecznik, wyłącznik samoczynny ), - urządzenia ochronne różnicowoprądowe. Urządzeń różnicowoprądowych nie można stosować w układzie TN-C. W układach TN-C-S przewód PEN nie może być używany po stronie odbioru. Połączenie przewodu ochronnego PE z przewodem PEN powinno być wykonane po stronie zasilania urządzenia ochronnego. Skuteczność działania zabezpieczenia określa następujący warunek: Zs × Ia ≤ Uo (6.1) gdzie: Zs – impedancja pętli zwarciowej obejmującej źródło zasilania, przewód czynny do punktu zwarcia i przewód ochronny między punktem zwarcia a źródłem, Ia – prąd powodujący samoczynne zadziałanie urządzenia wyłączającego w określonym czasie, wyznaczony na podstawie charakterystyki czasowo – prądowej zabezpieczenia, Uo – skuteczna wartość napięcia znamionowego względem sieci. W przypadku urządzeń ochronnych różnicowoprądowych za prąd Ia przyjmuje się wartość znamionowego prądu różnicowego zadziałania urządzenia ochronnego w wykonaniu normalnym Ia = I∆N oraz podwojoną wartość tego prądu dla urządzeń selektywnych Ia = 2I∆N. Urządzenie zabezpieczające powinno spowodować samoczynne wyłączenie zasilania w czasie, którego wartości podano w tab. 2.1. 6.2.3. Układ TT W układzie TT punkt neutralny sieci powinien być uziemiony w każdej stacji transformatorowej. Niezależnie od uziemienia punktu neutralnego sieci wymaga się bezpośredniego połączenia z ziemią podlegających ochronie dostępnych części Tab. 6.1 Najdłuższe dopuszczalne czasy wyłączenia w sieciach i instalacjach typu TN Napięcie znamionowe Najdłuższe dopuszczalne czasy wyłączenia względem ziemi Uo [s] [V] 50 V~, 120 V25 V~, 60 V120 0,8 0,35 230 0,4 0,20 277 0,4 0,20 400 0,2 0,05 480 0,1 0,05 580 0,1 0,02 Dotyczy urządzeń odbiorczych I klasy ochronności ręcznych lub przenośnych, przeznaczonych do ręcznego przemieszczania w czasie użytkowania przewodzących. Części przewodzące jednocześnie dostępne powinny być przyłączone do tego samego uziemienia indywidualnie, grupowo lub zespołowo. W układzie TT mogą być stosowane następujące urządzenia ochronne: - urządzenia ochronne różnicowoprądowe, - urządzenia ochronne przetężeniowe. Działanie tych urządzeń uznaje się za skuteczne wówczas, gdy spełniony jest następujący warunek: R A × I a ≤ 50 V (6.2) gdzie: RA – suma rezystancji uziomu i przewodu ochronnego części przewodzących dostępnych, Ia – prąd powodujący samoczynne zadziałanie urządzenia ochronnego. Jeżeli urządzeniem ochronnym jest wyłącznik różnicowoprądowy Ia jest znamionowych prądem różnicowym zadziałania I∆N. Jeżeli natomiast urządzeniem ochronnym jest urządzenie o zależnej charakterystyce czasowo - prądowej prąd Ia powinien być prądem zapewniającym samoczynne zadziałanie w czasie nie dłuższym niż 5 s. Dla urządzenia z działaniem natychmiastowym prąd Ia powinien być minimalnym prądem zapewniającym natychmiastowe wyłączenie. 6.2.4. Układ IT W sieci o układzie IT ochrona przed dotykiem pośrednim może być zrealizowana przez zastosowanie: - urządzenia do kontroli stanu izolacji, - urządzenia różnicowoprądowego, - urządzenia napięciowego. W układach typu IT wymaga się aby części czynne były odizolowane od ziemi lub połączone z ziemią za pośrednictwem impedancji o odpowiednio dużej wartości. Części przewodzące dostępne natomiast powinny być uziemione indywidualnie, grupowo lub zbiorowo. W układach tych powinien być spełniony następujący warunek: (6.3) R A × I d ≤ 50 V gdzie: RA – rezystancja uziemienia części przewodzących dostępnych, Id – prąd pierwszego doziemienia przy pomijalnej impedancji między przewodem fazowym i częścią przewodzącą dostępną. Sieci o układzie IT charakteryzują się prądami o nieznacznej wartości przy doziemieniach. Sieci te powinny być wyposażone w urządzenia do kontroli stanu izolacji, które uruchamiają sygnał dźwiękowy lub/i optyczny. Zaleca się jednak, aby pierwsze doziemienie było usuwane z możliwie najkrótszym opóźnieniem. W przypadku wystąpienia drugiego zwarcia zmieniają się warunki bezpieczeństwa porażeniowego. Urządzenie zabezpieczające powinno spowodować samoczynne wyłączenie zasilania w czasie, którego wartości podano w tab. 2.2. Tablica 6.2. Maksymalne czasy wyłączenia w układach IT przy podwójnym doziemieniu Napięcie znamionowe instalacji Uo/U [V] 120-240 230/400 400/690 580/1000 - Czas wyłączenia [s] bez przewodu neutralnego z przewodem neutralnym 0,8 0,4 0,2 0,1 5 0,8 0,4 0,2 W instalacjach o układzie IT powinny być spełnione następujące warunki: w sieciach bez przewodu neutralnego Zs ≤ UN Ia (6.4) - w sieciach z przewodem neutralnym Z s' ≤ UN 3 Ia (6.5) gdzie: Zs – impedancja pętli zwarciowej obejmująca dwa przewody fazowe i przewód ochronny, Z’s – impedancja pętli zwarciowej obejmująca przewód fazowy, neutralny i ochronny, Ia – prąd zapewniający zadziałanie urządzenia ochronnego w określonym czasie. Rys.6.1. Układy połączeń sieci i instalacji niskiego napięcia: a) sieć typu TN-C, b) sieć typu TN-S, c) sieć typu TN-C-S, d) sieć typu TT, e),f) sieć typu IT; : UKSI – urządzenie do kontroli stanu izolacji, 1 - bezpiecznik iskiernikowy 6.2.5. Charakterystyki urządzeń wyłączających Warunkiem skuteczności ochrony przeciwporażeniowej jest m.in. to, aby spodziewany prąd zwarcia jednofazowego Ik1 był co najmniej równy wartości prądu działania zabezpieczeń zwarciowych Ia. (6.6) I k1 ≥ I a Wartości prądów wyłączających Ia przyjmuje się na podstawie charakterystyk czasowo – prądowych urządzeń zabezpieczających. Wyznaczenie natomiast wartości prądów zwarć jednofazowych odbywa się pośrednio, poprzez pomiary impedancji obwodu zwarciowego każdego chronionego urządzenia lub pomiary rezystancji uziemienia. Prąd Ik1 płynący przez zabezpieczenie w czasie zwarcia można wówczas wyznaczyć z zależności: I k1 = Uo Zs (6.7) gdzie: Uo – napięcie fazowe sieci, Zs – impedancja obwodu zwarciowego. Najbardziej rozpowszechnionymi urządzeniami zabezpieczającymi stosowanymi w sieciach o układzie TN są bezpieczniki topikowe i wyłączniki instalacyjne. Wymienione rodzaje urządzeń posiadają tzw. charakterystykę prądowo – czasową, na podstawie której można stwierdzić po jakim czasie zostanie wyłączony prąd o określonej wartości. t krzywa maksymalnego czasu zadziałania krzywa minimalnego czasu zadziałania tmax t=f(Ik1) tmin Ia Ik1 I Rys.6.2. Charakterystyka prądowo-czasowa bezpiecznika topikowego Z przedstawionego rysunku wynika, że zadziałanie wkładki topikowej przy prądzie I = Ia nastąpi w czasie nie dłuższym niż tmax i nie krótszym niż tmin. Chcąc zatem sprawdzić skuteczność ochrony przed dotykiem pośrednim należy: - określić najdłuższy dopuszczalny czas wyłączenia tmax urządzenia zabezpieczającego, w zależności od napięcia znamionowego względem ziemi, typu układu sieci i granicznego dopuszczalnego długotrwale napięcia dotykowego, - na podstawie charakterystyki I-t wyznaczyć wartość prądu wyłączającego Ia, - wyznaczyć spodziewaną wartość prądu zwarcia jednofazowego Ik1 i porównać z wartością prądu Ia. 6.2.6. Zakres i metody badania Zasadniczym etapem kontroli poprawności działania ochrony przeciwporażeniowej przez samoczynne wyłączenie zasilania jest pomiar impedancji pętli zwarciowej. Wyróżnić można następujące metody pomiaru impedancji pętli zwarcia: - metoda techniczna, - metoda z zastosowaniem specjalistycznych mierników, np. typu MZC-2, MZC-300 Pomiaru impedancji pętli zwarcia w tych metodach dokonuje się przez wykonanie celowego zwarcia pomiarowego podczas normalnej pracy badanego urządzenia. W zależności od rodzaju prądu zwarcia pomiarowego I2 wyróżnia się metody pomiarowe: - przemiennoprądowe, - stałoprądowe ( prąd pomiarowy wyprostowany jednopołówkowo ). W zależności od wartości prądu pomiarowego rozróżnia się metody: - małoprądowe, I2<1 A, - średnioprądowe, 1A < I2 < 30 A, - wielkoprądowe, I2 > 30 A. Czym większa jest wartość prądu pomiarowego I2, tym większa jest dokładność wykonywanego pomiaru oporu pętli zwarciowej. Metoda techniczna Pomiar metodą techniczną wykonuje się za pomocą woltomierza i amperomierza (Rys.6.3). Badanie polega na dwukrotnym pomiarze napięcia: U1– przed zwarciem, U2– podczas sztucznego zwarcia ( spadek napięcia na rezystorze pomiarowym R – pozycja przełącznika p1) oraz na pomiarze prądu zwarcia celowego I2. Różnica wskazań woltomierza U1 – U2 to spadek napięcia na rezystancji pętli zwarcia wywołany przepływem prądu sztucznego zwarcia. Dzieląc spadek napięcia ∆U przez prąd I2 otrzymuje się wartość rezystancji badanej pętli zwarcia Rs = ∆U I2 (6.8) gdzie: Rs – rezystancja pętli zwarcia, ∆U – różnica wskazań woltomierza ∆U=U1 - U2, I2 – prąd sztucznego zwarcia. Jeżeli rezystancja badanego obwodu jest duża w stosunku do reaktancji ( w obwodach odbiorczych gdzie w skład pętli zwarcia zalicza się przewody i kable ), można uznać, że impedancja pętli zwarcia Zs równa jest wartości zmierzonej rezystancji. Jeżeli natomiast nie można pominąć wpływu reaktancji Xs na wartość impedancji Zs (np. elementami pętli zwarcia są linie napowietrzne lub pomiar odbywa się w pobliżu stacji o dużym udziale impedancji transformatora ) to wykonuje się dodatkowo celowe zwarcie za pomocą dławika lub kondensatora o impedancji X2 (pozycja przełącznika p2). Wówczas: Xs = U x1 − U x 2 ∆U x = I x2 I x2 (6.9) Impedancję pętli zwarcia wyznacza się wówczas ze wzoru: Z s = Rs2 + X s2 (6.10) W praktyce, w instalacjach niskiego napięcia składową reaktancyjną impedancji pętli zwarciowej można pominąć i bez obawy popełnienia znaczącego błędu stosuje się metodę sztucznego zwarcia z wykorzystaniem elementu rezystancyjnego. Spodziewaną wartość prądu zwarcia jednofazowego wyznacza się z zależności: I k1 = U1 Zs (6.11) Następnie porównuje się otrzymaną wartość z prądem Ia powodującym działanie urządzeń zabezpieczających w określonym czasie. Warunek samowyłączenia uważa się za spełniony, jeżeli: I k1 ≥ I a (6.12) TN - C L1 L2 L3 PEN 1a 1 >I >I >I 1b A p1 R V p2 X 2 Rys.6.3. Zasada pomiaru impedancji pętli zwarciowej metodą techniczną w sieci TN-C: 1- zabezpieczenie przetężeniowe, 1a – bezpiecznik, 1b – wyłącznik, 2 – odbiornik trójfazowy Uwaga ! Ze względów bezpieczeństwa, przed wykonaniem właściwych pomiarów należy sprawdzić ciągłość pętli zwarcia. Zasada kontroli polega na pomiarze napięcia na rezystorze kontrolnym o znacznej rezystancji ( rzędu kilku kΩ ) podczas zwarcia kontrolnego. Jeżeli pętla zwarciowa jest ciągła napięcie U2 przy zwarciu wstępnym praktycznie nie różni się od wartości U1. W razie nieciągłości w przewodzie ochronnym lub znacznej wartości impedancji pętli zwarciowej spadek napięcia na rezystorze kontrolnym może okazać się mniejszy niż na impedancji pętli. Pomiar miernikami rezystancji i impedancji pętli zwarciowej Jednymi z popularniejszych w Polsce przyrządów do pomiaru parametrów pętli zwarciowej są mierniki typu MZC. Cyfrowe mierniki rezystancji MZC-2 oraz impedancji MZC-300 pętli zwarciowej przeznaczone są do badań kontrolnych ochrony przeciwporażeniowej i uziemienia w sieciach elektroenergetycznych prądu przemiennego o znamionowych napięciach 220/380V, 230/400V i częstotliwości 45-65Hz. Przyrząd MZC-2 umożliwia pomiar: - napięć fazowych i międzyprzewodowych sieci, - rezystancji pętli zwarciowej, - rezystancji uziemienia. Sposób połączenia przyrządu typu MZC-2 ( MZC-300 ) z siecią w układzie TN i badanym urządzeniem przy pomiarach rezystancji ( impedancji ) pętli zwarcia przedstawiono na rys.6.4. Pomiary rezystancji pętli zwarcia miernikiem typu MZC-2 wykonuje się następująco: 1) Jeden przewód połączeniowy przyrządu połączyć z zaciskiem ochronnym PE urządzenia podlegającego ochronie, drugi przewód połączyć z przewodem dowolnej fazy obwodu zasilającego. 2) Włączyć zasilanie bateryjne przyrządu (ON). Na wyświetlaczu przyrządu powinna ukazać się wartość napięcia zasilania U1. 3) Wykonać sztuczne zwarcie przyciskając klawisz pomiarowy wybranego zakresu i odczytać zmierzoną wartość rezystancji pętli zwarcia Rs. Przyrząd MZC-2 służy do pomiaru jedynie rezystancji. Pomiar impedancji, spodziewanej wartości prądu zwarcia jednofazowego oraz odczyt składowych impedancji: rezystancji, reaktancji i kąta fazowego pętli zwarciowej umożliwia przyrząd typu MZC –300. Do najistotniejszych cech przyrządu typu MZC-300 zalicza się: - pomiar impedancji i kąta fazowego pętli zwarciowej, - pomiar napięć przemiennych, - automatyczne obliczenia prądu zwarciowego oraz rezystancji i reaktancji pętli zwarciowej, - możliwość pomiaru w instalacjach z wyłącznikami różnicowoprądowymi bez ich wyzwalania ( funkcja RCD ), - sprawdzenie ciągłości przewodu ochronnego PE/PEN przed pomiarem, duże możliwości zapamiętywania wyników pomiarów. Pomiary impedancji pętli zwarcia przyrządem typu MZC-300 wykonuje się następująco: 1) Jeden przewód połączeniowy przyrządu połączyć z zaciskiem ochronnym PE urządzenia podlegającego ochronie, drugi przewód połączyć z przewodem dowolnej fazy obwodu zasilającego. 2) Włączyć zasilanie bateryjne przyrządu. Na wyświetlaczu przyrządu powinna ukazać się wartość napięcia zasilania U1. 3) Wykonać sztuczne zwarcie przyciskając przycisk START i odczytać zmierzoną wartość impedancji pętli zwarcia Zs lub obliczoną wartość prądu zwarciowego Ik1 ( przycisk Z/I ). 4) Pozostałe składniki pomiaru: rezystancji, reaktancji i kąta fazowego pętli zwarciowej można wyświetlić naciskając klawisz SEL. a) b) Rys.6.4. Sposób podłączenia miernika typu MZC-2 (MZC-300) podczas sprawdzenia skuteczności ochrony przeciwporażeniowej przez pętli zwarciowej : a) dla samoczynnego wyłączenia zasilania, b) dla uziemienia ochronnego [6.3]. 6.3. Niezbędne przygotowanie studenta Studentów przystępujących do ćwiczenia obowiązuje znajomość podstawowych definicji z zakresu ochrony przeciwporażeniowej, skutków działania prądu na organizm ludzki oraz kryteriów oceny skuteczności działania ochrony przez zastosowanie samoczynnego wyłączenia zasilania. 6.4. Opis stanowiska laboratoryjnego Schemat układu elektrycznego stanowiska laboratoryjnego przedstawiono na rysunku 6.5. Na płycie czołowej stanowiska umieszczono następujące zabezpieczenia: - bezpieczniki topikowe, - wyłącznik silnikowy typu M250, - wyłącznik instalacyjny typu S301 w obwodzie gniazda wtykowego. L1 L2 L3 N PE M250 S301 >I >I >I L1 L2 L3 PE L1 L2 L3 >I PE Rys.6.5. Schemat układu do badania skuteczności samoczynnego wyłączenia zasilania. Na rysunku 6.6 przedstawiono charakterystyki czasowo-prądowe (I-t) wyłącznika silnikowego typu M250 oraz wyłączników instalacyjnych typu B. Na stanowisku istnieje możliwość modelowania uziemień dodatkowych przewodu ochronnego PE oraz nieciągłości przewodu ochronnego PE. 6.5. Program ćwiczenia Podczas wykonywania ćwiczenia należy: 1) Przed wykonaniem właściwych pomiarów dokonać oględzin urządzenia objętego ochroną przed dotykiem pośrednim. 2) Określić rodzaj i typ zabezpieczenia. 3) Określić dopuszczalny czas wyłączenia ( na podstawie normy ). 4) Wyznaczyć wartość prądu wyłączającego Ia ( na podstawie charakterystyki I-t zabezpieczenia ). 5) Zapoznać się ze sposobem pomiaru impedancji pętli zwarciowej metodą techniczną oraz miernikami specjalistycznymi typu MZC-2, MZC-301. 6) Wykonać pomiary w zakresie możliwym do zrealizowania przy zastosowaniu wybranych przyrządów. 7) Wyznaczyć wartość prądu zwarciowego Ik1 ( obliczenia ). 8) Sprawdzić warunek prawidłowego działania zabezpieczenia. a) a) b) Rys.6.5. Charakterystyki czasowo-prądowe [6.5]: wyłączników instalacyjnych serii S300 B 6...63, b) wyłącznika silnikowego typu M250. 6.6. Sposób opracowania wyników badań Otrzymane wyniki pomiarów i obliczeń należy zapisać w tabelach oraz wypełnić protokół z badań skuteczności ochrony przeciwporażeniowej (zał. 6.1). Na podstawie otrzymanych wyników ocenić skuteczność działania urządzeń ochrony przeciwporażeniowej w badanych instalacjach. 6.7. Literatura [6.1] Gryżewski Z. Prace pomiarowo-kontrolne przy urządzeniach elektroenergetycznych o napięciu znamionowym do 1 kV, Centralny ośrodek szkolenia i wydawnictw SEP Warszawa 1997 r. [6.2] Markiewicz H. Instalacje elektryczne, WNT Warszawa 2002 r. [6.3] Instrukcja obsługi, Miernik impedancji pętli zwarciowej. Typ: MZC-300, MZC301, MZC-302, MZC-303, [6.4] Instrukcja obsługi, Miernik do kontroli zerowania i uziemienia. Typ MZC-2, [6.5] Katalog 2003 firmy LEGRAND, Instalacyjna aparatura elektryczna. Zał.6.1. Protokół Nr ..... Badania ochrony przeciwporażeniowej urządzeń i instalacji elektrycznych niskiego napięcia 1. Badania wykonano w obiekcie (adres)......................................................................... 2. Układ sieciowy instalacji: TN–C / TN–S / TN–C–S / TT / IT 3. Rodzaj środka ochrony przed dotykiem pośrednim: ................................................... 4. Przyrząd pomiarowy ( firma, nazwa, typ, nr fabr. ): ................................................... 5. Data badania: ............................................................................................................... 6. Napięcie sieci zasilającej: Un = ................... V; napięcie zmierzone: Uo = ............. V 7. Wyniki pomiarów: Lp. Rodzaj badanego urządzenia obwodu ( dane, nr fabr. ) In [A] Ia [A] Zs [Ω] Ik1 [A] Ik1 > Ia (tak–nie) Uwagi In – prąd znamionowy urządzenia zabezpieczającego ( wkładka topikowa, wyłącznik instalacyjny ), Ia – prąd zadziałania zabezpieczenia przetężeniowego, Zs – zmierzona wartość impedacji pętli zwarcia, Ik1 – prąd zwarcia jednofazowego ( Ik1 = Uo/Zs ). Wnioski i zalecenia: .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... Badania wykonali: ( imię i nazwisko, zaświadczenie kwalifikacyjne ) 1) ........................................................................................................ 2) ........................................................................................................ 3) ........................................................................................................ 4) ..........................................................................................................