POLITECHNIKA POZNAŃSKA INSTYTUT ELEKTROENERGETYKI
Temat: Badanie skuteczności ochrony przeciwporażeniowej przez samoczynne wyłaczenie zasilania
Rok aked.:2005/2006	Wykonał:	Data wykonania ćwiczenia:	Data oddania sprawozdania:
Wydział elektryczny
Elektrotechnika
Specjalność:			Ocena:
UWAGI:

W instalacjach niskiego napięcia stosowane są różne układy sieciowe symbolami: TN-C, TN-S, TN-C-S, TT oraz IT. Pierwsza litera, T lub I, w stosowanej symbolice oznaczeń podaje związek między układem sieci a ziemią. Druga litera, N lub T, określa związek między częściami przewodzącymi obcymi (nie będącymi pod napięciem w warunkach normalnej pracy pod napięciem) a ziemią: N - połączenie z przewodem neutralnym N lub przewodem ochronnym PE, T - połączenie z ziemią. Trzecia i czwarta litera określają związek przewodów neutralnych i ochronnych: C - przewody wspólne PEN, S - przewody rozdzielone na neutralny N i ochronny PE.

Obecnie w zakresie przepisów o ochronie przeciwporażeniowej w sieciach elektrycznych o napięciu znamionowym do 1 kV obowiązuje norma PN-IEC60364-4-41. Zgodnie w wymienioną normą, w podanych sieciach elektrycznych, ochronę przeciwporażeniową zapewnia się przez stosowanie:

• bardzo niskich napięć (~U ≤ 50 V), które nie wywołują przepływu prądów rażeniowych zagrażających zdrowiu i życiu, nawet przy bezpośrednim dotknięciu części czynnych. Ochrona taka zapewniona jest w obwodach typu SELV (bez uziemień) lub PELV (z uziemieniem), w których stanowi jednocześnie ochronę przed dotykiem bezpośrednim i pośrednim,

• ochrony przed dotykiem bezpośrednim oraz co najmniej jednego ze środków ochrony przed dotykiem pośrednim.

Ochrona przed dotykiem bezpośrednim zabezpiecza przed zagrożeniami wynikającymi z dotykania części czynnych pozostających w normalnych warunkach pracy pod napięciem przez:

• izolowanie części czynnych odpowiednimi materiałami izolacyjnymi (pokrycie farbą, pokostem części czynnych nie stanowi izolacji ochronnej),

• umieszczanie części czynnych urządzeń i elementów instalacji poza zasięgiem ręki (tj. takie ich oddalenie, aby nie było możliwe niezamierzone bezpośrednie ich dotknięcie - min. 2,5 m),

• stosowanie obudów, osłon, ogrodzeń, przeszkód i barier uniemożliwiających niezamierzone niebezpieczne zbliżenie do części czynnych lub ich dotknięcie podczas eksploatacji.

Wymienione środki mają uniemożliwić przepływ prądu elektrycznego przez ciało człowieka lub ograniczyć wartość tego prądu do wartości bezpiecznej.

Uzupełnianiem ochrony podstawowej może być wyłącznik różnicowoprądowy (F-I) o prądzie wyzwalającym ≤ 30 mA, ale tylko w przypadku nieskuteczności działania innych środków ochrony przed dotykiem bezpośrednim.

Ochrona przed dotykiem pośrednim zabezpiecza przed zagrożeniami wynikającymi z dotyku dostępnych części przewodzących mogących znaleźć się pod napięciem w wyniku uszkodzenia izolacji. Poprawnie wykonana ochrona przed dotykiem pośrednim:

• nie może dopuścić do występowania niebezpiecznych napięć dotykowych (U_L),

• nie może dopuścić do przepływu prądu rażeniowego przez ciało człowieka,

• musi ograniczać prąd rażeniowy do wartości bezpiecznej lub spowodować szybkie (poniżej 5 s) samoczynne wyłączenie zasilania obwodu lub urządzenia chronionego.

Ochrona przed dotykiem pośrednim może być zrealizowana przez zastosowanie:

1. samoczynnego wyłączenia zasilania,

2. urządzeń elektrycznych II klasy ochronności (lub o izolacji równoważnej),

3. izolowania stanowiska,

4. separacji elektrycznej,

5. nieuziemionych połączeń wyrównawczych miejscowych.

Zgodnie z normą [1] w wymienionych wyżej układach sieciowych, jako środek ochrony od porażeń prądem elektrycznym, najczęściej stosuje się samoczynne wyłączanie zasilania poprzez stosowanie urządzeń ochronnych: przetężeniowych (bezpieczniki, wyłączniki nadmiarowo-prądowe) oraz różnicowoprądowych (wyłączniki różnicowoprądowe) - z zastrzeżeniem, że rodzaj zastosowanego środka ochrony przeciwporażeniowej zależy od rodzaju układu sieciowego (np. w układzie TN nie może stosowany wyłącznik różnicowoprądowy).

Ochrona przeciwporażeniowa w układzie sieciowym typu TN

Najbardziej rozpowszechnioną metodą ochrony przed dotykiem pośrednim jest samoczynne wyłączanie zasilania. W metodzie tej, w przypadku pojawienia się na jakiejkolwiek części przewodzącej dostępnej napięcia o wartości niebezpiecznej dla człowieka w danych warunkach środowiskowych, urządzenia ochronne powinny w bardzo krótkim czasie wyłączyć zasilanie obwodu lub urządzenia chronionego. Najdłuższe dopuszczalne czasy wyłączania zależą: od napięcia znamionowego sieci względem ziemi, układu sieci oraz warunków środowiskowych. W Tablicy 1 podano najdłuższe dopuszczalne czasy wyłączania w sieciach typu TN.

Najdłuższe dopuszczalne czasy wyłączania w sieciach typu TN

Napięcie znamionowe względem ziemi U0 [V]	Czas wyłączania tW [s]
120	0,8
230	0,4
277	0,4
400	0,2
> 400	0,1

W sieci zasilającej, w obwodach rozdzielczych (np.WLZ) oraz w obwodach odbiorczych zasilających urządzenia stacjonarne dopuszcza się czas wyłączania dłuższy od podanego w Tablicy 1, ale nie dłuższy niż 5 s.

Szybkie samoczynne wyłączenie zasilania uzyskuje się stosując:

• urządzenia przetężeniowe (nadprądowe), takie jak: bezpieczniki, wyłączniki nadmiarowo-prądowe,

• urządzenia różnicowoprądowe, np. wyłączniki różnicowoprądowe,

Przykładowe sposoby ochrony przeciwporażeniowej w różnych układach połączeń sieci i instalacji typu TN pokazano na rys. 1.

W przypadku zastosowania urządzeń przetężeniowych skuteczność ochrony przeciwporażeniowej poprzez samoczynne wyłączanie zasilania będzie zapewniona, gdy spełniony będzie warunek postaci

(1)

gdzie: Z_S - impedancja pętli zwarcia,

I_a - prąd zapewniający szybkie samoczynne zadziałanie urządzenia

ochronnego w czasie nie dłuższym jak podany w Tablicy 1, określo-

ny z charakterystyk t-I zastosowanych urządzeń przetężeniowych,

U₀ - napięcie znamionowe sieci względem ziemi.

Rys. 1. Układy połączeń sieci TN oraz sposoby wykonania ochrony przeciwporażeniowej

1 - urządzenie przetężeniowe (1a - bezpieczniki, 1b - wyłącznik nadmiarowo-prądowy),

2 - wyłącznik różnicowoprądowy, 3 - odbiornik trój- lub jednofazowy

Przykładowe wartości prądu I_a powodujące wyłączenie zasilania w czasie t_w:

• równym 0,2; 0,5 oraz 5 s przez bezpieczniki topikowe instalacyjne szybkie typu gL o charakterystyce czasowo-prądowej F (oznaczone popularnie symbolem Bi-wts) podano w tablicy poniżej,

• mniejszym od 0,2 s dla wyłączników instalacyjnych nadmiarowo-prądowych typu B, C, D podano w tablicy poniżej.

Wartości prądu I_a powodującego wyłączenie zasilania sieci w czasie t_w

równym 0,2; 0,4 oraz 5 s przez bezpieczniki topikowe instalacyjne szybkie

Charakterystyka typu gF	Prąd znamionowy bezpiecznika In:
		6 A	10 A	16 A	20 A	25 A
Czas wyłączenia tw	Prąd wyłączający Ia [A]
0,2 s	60	85	150	180	240
0,4 s	46	70	120	160	200
5 s	22	38	65	75	120

Wartości prądu I_a powodującego wyłączenie zasilania w czasie t_w < 0,2 s

przez wyłączniki instalacyjne o charakterystyce czasowo-prądowej typu B, C, D

Czas wyłączenia tw < 0,2 s	Prąd znamionowy wyłącznika In:
		6 A	10 A	16 A	20 A	25 A	32 A	40 A	50 A	63 A
Typ charakterystyki t-I	Prąd wyłączający Ia [A]:
B	30	50	80	100	125	160	200	250	315
C	60	100	160	200	250	320	400	500	630
D	120	200	320	400	500	640	800	1000	1260

Jeżeli urządzeniem ochronnym jest wyłącznik różnicowoprądowy, to warunek powyższy przyjmuje postać

gdzie: R_A - rezystancją uziemienia części przewodzących dostępnych,

I_a - wartość różnicowego prądu zapewniająca samoczynne wyłączenie zasilania

w czasie podanym w Tablicy. W układach z selektywnymi F-I dopuszczalny

czas wyłączania zasilania wynosi 1 s,

U_L - dopuszczalne długotrwale napięcie dotykowe (50 V).

Ponieważ dla powszechnie stosowanych w ochronie przeciwporażeniowej wyłączników F-I typu AC:

• prąd zadziałania nie powinien być większy od znamionowego różnicowego prądu zadziałania I_ΔN (dla F-I typu AC powinien być zawarty w granicach 0,5 I_ΔN - I_ΔN, dla typu A, B jest większy),

• prąd zadziałania nie może być większy od maksymalnego dopuszczalnego, w danych warunkach środowiskowych, prądu rażeniowego I_dop dla człowieka (25 mA)

stąd warunek prawidłowej pracy F-I ma postać

gdzie: I_U - całkowity prąd upływu w zabezpieczanym obwodzie.

Oznacza to, że dla ochrony przeciwporażeniowej należy stosować wyłączniki F-I typu AC o maksymalnym znamionowym różnicowym prądzie zadziałania I_ΔN = 30 mA. Warunek powyższy pokazuje również, że przy doborze wyłącznika F-I konieczne jest uwzględnianie rodzaju chronionego urządzenia elektrycznego od którego zależy wartość prądu upływu I_U. Nieuwzględnienie tego faktu może doprowadzić do niepożądanego wyłączania obwodu zasilającego.

Dla uzyskania poprawnej ochrony przeciwporażeniowej urządzeń przy pomocy F-I:

1. nie wolno za wyłącznikiem łączyć przewodu ochronnego PE z przewodem neutralnym N,

2. nie wolno uziemiać w żadnym miejscu przewodu neutralnego N,

3. nie wolno łączyć ze sobą przewodów N różnych obwodów,

4. części przewodzące chronionych urządzeń należy połączyć z przewodem ochronnym PE,

5. raz w miesiącu, a w bardzo trudnych warunkach pracy i przy zasilaniu urządzeń niestacjonarnych nawet codziennie, należy wcisnąć przycisk z napisem „TEST” (lub „T”). Naciśnięcie tego przycisku powoduje zamodelowanie warunków pojawiających się przy uszkodzeniu występującym w instalacji elektrycznej. Jeśli wyłącznik jest sprawny, poprawnie zainstalowany i znajduje się pod napięciem, naciśnięcie wymienionego przycisku powinno spowodować natychmiastowe zadziałanie wyłącznika.

Uwaga - test ten świadczy jedynie o sprawności technicznej wyłącznika, a nie daje pewności ciągłości połączenia urządzenia z przewodem PE.

Ochrona przeciwporażeniowa w układzie sieciowym typu TT

W układzie sieciowym TT ochrona poprzez samoczynne wyłączenie zasilania może być wykonana przy pomocy urządzeń:

• przetężeniowych (nadprądowych) takich jak: bezpiecznik, wyłącznik nadmiarowo-prądowy,

• różnicowoprądowych (głównie - wyłącznik różnicowoprądowy).

Sposoby ochrony przeciwporażeniowej przy pomocy wymienionych urządzeń przedstawiono na rys. 2.

Rys. 2. Układy połączeń sieci i instalacji TT oraz sposoby ochrony przeciwporażeniowej

1 - urządzenie przetężeniowe (bezpieczniki, wyłącznik nadmiarowo-prądowy), 2 - wyłącznik różnicowoprądowy, 3 - odbiornik trój lub jednofazowy

Warunkiem skutecznej ochrony przeciwporażeniowej w układzie TT poprzez samoczynne wyłączenie zasilania jest spełnienie warunku (3.5.) lub warunku obniżenia napięcia dotykowego poniżej wartości dopuszczalnej długotrwale U_L postaci

gdzie: R_A - suma rezystancji uziemienia uziomu i przewodu ochronnego

łączącego części przewodzące dostępne z uziomem,

I_a - prąd zapewniający samoczynne zadziałanie urządzenia zabezpieczającego,

U_L - dopuszczalne długotrwale napięcie dotykowe (50 V).

Jeżeli urządzeniem zabezpieczającym jest:

• wyłącznik różnicowoprądowy, to prąd I_a jest znamionowym prądem zadziałania I_ΔN,

zapewniającym wyłączenie w czasie nie dłuższym od podanego w Tablicy 1.

• urządzenie o charakterystyce czasowo-prądowej (np. bezpiecznik), to prąd I_a jest prądem zapewniającym wyłączenie w czasie nie dłuższym niż 5 s (dopuszczalne jest to tylko w sieci zasilającej, w obwodach rozdzielczych (np.WLZ) oraz w obwodach zasilających urządzenia stacjonarne),

• wyłącznik z członem bezzwłocznym (np. wyłącznik instalacyjny), to prąd I_a jest prądem zapewniającym wyłączenie w czasie nie dłuższym od podanego w Tablicy 1.

W układzie TT skuteczne działanie urządzeń przetężeniowych o dużych prądach znamionowych wymaga bardzo małych (rzędu dziesiątych części oma) wartości rezystancji R_A uziomu ochronnego często trudno osiągalnych pomimo wykonania miejscowych połączeń wyrównawczych. Stąd zakres stosowania urządzeń przetężeniowych jest ograniczony do odbiorników o niewielkich mocach i prądach znamionowych.

W sieci TT najlepiej skuteczną ochronę przeciwporażeniową zapewniają urządzenia różnicowoprądowe.

Ochrona przeciwporażeniowa w układzie sieciowym typu IT

W układzie sieciowym IT, w którym punkt neutralny jest izolowany w stosunku do ziemi lub uziemiony przez bezpiecznik iskiernikowy, części przewodzące dostępne odbiorników są połączone przewodami ochronnymi PE z uziomami ochronnymi (rys. 3). Części przewodzące dostępne muszą być uziemione pojedynczo, grupowo lub zbiorowo, a części przewodzące jednocześnie dostępne muszą być połączone ze sobą połączeniami wyrównawczymi miejscowymi i uziemione.

Rys. 3. Układ sieciowy IT w urządzeniach elektroenergetycznych o napięciu do 1 kV

Warunkiem skutecznej ochrony przeciwporażeniowej w układzie IT poprzez samoczynne wyłączenie zasilania jest spełnienie warunku

gdzie: R_A - suma rezystancji uziemienia uziomu ochronnego i przewodu ochronnego PE,

I_a - prąd pojedynczego zwarcia z ziemią zapewniający zadziałanie urządzenia

zabezpieczającego w określonym czasie, różnym od podanego w Tablicy 1,

zależnym od obecności lub braku przewodu neutralnego N,

U_L - dopuszczalne długotrwale napięcie dotykowe.

W układzie IT najczęściej wykonuje się uziemienie grupowe (z połączeniami wyrównawczymi) w postaci sieci ochronnej połączonej lub nie połączonej z uziemieniem roboczym.. Przykład sieci ochronnej połączonej z uziemieniem roboczym pokazano na rys. 4.

Rys. 4. Sieć ochronna połączona z uziemieniem roboczym

1 - bezpiecznik iskrowy, 2 - przycisk próbny, 3 - aparatura do kontroli stanu izolacji,

4 - rurociąg, 5 - silnik, 6 - konstrukcja metalowa

Przy połączeniu uziemienia roboczego z siecią ochronną wartość wypadkowa rezystancji uziemienia zmierzona w stacji zasilającej nie powinna być większa od wartości obliczonej ze wzoru

gdzie: R_uz - wypadkowa rezystancja uziemienia roboczego i ochronnego,

U_L - dopuszczalne długotrwale napięcie dotykowe,

I_z - wartość prądu zwarcia doziemnego w sieci wyższego napięcia,

określona w sposób podany w dalszej części wykładu.

Wartość rezystancji uziemienia sieci ochronnej nie połączonej z uziemieniem roboczym nie powinna przekraczać 20 Ω.

W przypadku zastosowania sieci ochronnej w urządzeniach obsługujących odbiorniki ruchome zasilane z przewoźnego agregatu prądotwórczego o mocy do 25 kW i napięciu znamionowym do 440 V, wartość rezystancji uziemienia sieci ochronnej może być zwiększona do 100 Ω.

Porównanie charakterystyk: szybkiej (Bi-Wts), zwłocznej (Bi-Wtz) i pełno zakresowej ogólnego przeznaczenia (gG) dla bezpieczników instalacyjnych

Prąd znamionowy wkładki	Czas wyłączenia, w s	Prąd wyłączający, w A oraz k = Ia/In
				Bi-Wts		Bi-Wtz		gG
				Ia	k	Ia	k	Ia	k
	10 A	5,0	28	2,8	50	5,0	40	4,0
		0,2	55	5,5	108	10,8	90	9,0
	16 A	5,0	48	3,0	62	3,9	65	4,1
		0,2	90	5,6	195	12,2	130	8,1
	20 A	5,0	62	3,1	110	5,5	90	4,5
		0,2	130	6,5	260	13,0	170	8,5
	32 A	5,0	98	3,1	180	5,6	160	5,0
		0,2	210	6,5	390	12,2	310	9,7
	50 A	5,0	170	3,4	300	6,0	280	5,6
		0,2	360	7,2	650	13,0	600	12,0

Poniższa charakterystyka przedstawia charakterystykę czasowo-prądową wkładki topikowej bezpiecznika typu Bi-Wts o prądzie znamionowym 20 A

www.stiudent.pl

---