ei_2004_06_s066.pdf

ochrona przeciwporażeniowa

przyczyny niewłaściwego

działania wyłączników

różnicowoprądowych

Prof. zw. dr hab. inż. Henryk Markiewicz, dr inż. Antoni Klajn – Politechnika Wrocławska

stanowią obecnie jeden z naj-

bardziej rozpowszechnionych środ-

ków ochrony przeciwporażeniowej

przed dotykiem pośrednim [1-6] i peł-

nią ponadto funkcję środka ochrony

przeciwpożarowej w instalacji elek-

trycznej. Pozytywne efekty stosowa-

nia tych aparatów widoczne są na

przykładzie takich krajów jak Niem-

cy czy Austria, gdzie w wyniku po-

wszechnego stosowania wyłączników

różnicowoprądowych od ponad

35 lat, liczba śmiertelnych wypadków

porażenia prądem elektrycznym

zmniejszyła się kilkakrotnie i wyno-

si od 1,4 do 2 wypadków na milion

mieszkańców na rok [2]. W innych

krajach, gdzie stosowanie wyłączni-

ków różnicowoprądowych jest znacz-

nie mniej rozpowszechnione, liczba

wypadków osiąga przedział od 7 do

9 na milion mieszkańców na rok

[5, 6]. Choć statystyka ta nie jest wy-

łącznym efektem stosowania wyłącz-

ników różnicowoprądowych, to bez-

sprzeczny jest ich znaczący pozytyw-

ny wpływ na przedstawiony bilans

wypadków.

Wyłączniki różnicowoprądowe zo-

stały skonstruowane z przeznacze-

niem do stosowania w sieciach i in-

stalacjach prądu przemiennego sinu-

soidalnego 50 lub 60 Hz, a ich zasa-

dę działania przedstawiono na rysun-

ku 1 . Podstawowym elementem tych

aparatów jest przekładnik sumujący

(Ferrantiego), w którego rdzeniu na-

stępuje sumowanie się chwilowych

wartości strumieni magnetycznych,

indukowanych wskutek przepływu

prądów w uzwojeniach przekładni-

ka. W przypadku bezawaryjnej pra-

cy chronionej części instalacji suma

geometryczna tych strumieni powin-

na teoretycznie być równa zeru, co

w przypadku obwodu przedstawione-

go na rysunku 1 wyraża zależność:

PE lub przez ziemię, to suma (1) różni

się od zera o strumień F D , proporcjo-

nalny do prądu i D . W uzwojeniu wtór-

nym przekładnika o liczbie zwojów z 2

indukuje się napięcie:

e z d

= D

+ + + = (1)

Dla określonej wartości prądu róż-

nicowego i D i dla jego określonej

zmienności w czasie di D /dt, napię-

cie (2) jest na tyle duże, że powoduje

pobudzenie przekaźnika różnicowe-

go I D ( rys. 1 ), jego zadziałanie i wyłą-

czenie wyłącznika. Ze względu na to,

że składnikiem prądu różnicowego i D

jest również prąd upływowy instala-

cji, wartości prądów wyzwalających

wyłącznika, nazywane znamionowy-

mi prądami różnicowymi I DN , powin-

ny być na tyle duże, aby aparat nie re-

gdzie F L1 , F L2 , F L3 , F N – strumienie

magnetyczne w rdzeniu przekładnika

sumującego, pochodzące odpowied-

nio od prądów w przewodach fazo-

wych i L1 , i L2 , i L3 oraz w przewodzie

neutralnym i N . Jeżeli w chronionym

obwodzie nastąpi uszkodzenie izola-

cji, wywołujące przepływ prądu róż-

nicowego i D do punktu neutralnego

transformatora zasilającego Tr (rys. 1)

drogą inną niż przez uzwojenia prze-

kładnika sumującego, np. przewodem

Rys. 1 Zasada budowy i sposób instalowania wyłącznika różnicowoprądowego: 1 –

przekładnik sumujący, 2 – zamek wyłącznika, 3 – przekaźnik różnicowoprądo-

wy, T r – transformator zasilający sieć, z 2 – uzwojenie wtórne przekładnika su-

mującego, K – miejsce zwarcia; kolorem czerwonym zaznaczono jedną z moż-

liwych dróg zamknięcia się obwodu prądu różnicowego, który w tym przypad-

ku jest prądem zwarciowym

Rys. 2 Przykłady modernizacji ochrony przeciwporażeniowej odbiorników zasilanych

z gniazd wtyczkowych w sieci TN-C przez zastosowanie specjalnych gniazd

wtyczkowych ( 1 ) z wysokoczułymi wyłącznikami różnicowoprądowymi ( rys.

2a ) lub „zwykłych” wyłączników różnicowoprądowych; 2 – wyłącznik insta-

lacyjny z zabezpieczeniami przetężeniowymi obwodu, RCD – wyłącznik różni-

cowoprądowy

www.elektro.info.pl

nr 6/2004

W yłączniki różnicowoprądowe

F (2)

F F F F

L L L N

1 2 3 0

agował na prądy na poziomie prądu

upływowego w normalnych warun-

kach pracy. Wyłączniki różnicowo-

prądowe budowane są na prądy I DN

o następujących wartościach: 10, 30,

100, 300, 500, 1000 i 3000 mA [1-6].

Wyłączniki o prądzie I DN 10 i 30 mA

określa się jako wysokoczułe, nato-

miast o prądzie I DN ³ 100 mA jako

niskoczułe.

W zależności od kształtu przebiegu

prądu różnicowego i D , na który reagu-

je przekaźnik różnicowy I D (rys. 1) ,

rozróżnia się zasadniczo trzy ro-

dzaje wyłączników różnicowoprą-

dowych, o następujących oznacze-

niach [1, 3-6]:

§ AC – reagujących na sinusoidalny

prąd różnicowy,

§ A – reagujących na prąd różnico-

wy sinusoidalny i pulsujący, wy-

prostowany jednopołówkowo,

§ B – reagujących na prąd różnico-

wy sinusoidalny, pulsujący, wy-

prostowany jednopołówkowo

i składową stałą prądu.

Wyzwalacze wyłączników są kon-

struowane tak, aby reagowały na

określony zakres prądu różnicowe-

go w odniesieniu do wartości I DN

[1, 3-6], a nie dokładnie na tę war-

tość. Przykładowo dla sinusoidalne-

go prądu różnicowego jest to zakres

(0,5 ¸ 1) I DN .

Niewątpliwą zaletą wyłączników

różnicowoprądowych jest możliwość

ich stosowania we wszystkich rodza-

jach sieci zasilających niskiego napię-

cia: TN, TT oraz IT. W literaturze moż-

na znaleźć wiele informacji potwier-

dzających zalety i wysoką jakość oraz

niezawodność ochrony przy zastoso-

waniu tych aparatów. Należy sobie

jednak zdawać sprawę z ograniczonej

niezawodności urządzeń różnicowo-

prądowych [1, 6] oraz z pewnych ogra-

niczeń i nieprawidłowości, do jakich

może dochodzić w określonych specy-

ficznych sytuacjach. W artykule omó-

wiono wybrane tego rodzaju sytuacje,

w których prawidłowo zainstalowany

i sprawny technicznie wyłącznik róż-

nicowoprądowy może okazać się urzą-

dzeniem zawodnym, wskutek wystą-

pienia trudnych do przewidzenia, ale

prawdopodobnych zdarzeń.

Rys. 3 Przykłady zastosowania wyłączników różnicowoprądowych różnych konstruk-

cji w instalacji o układzie TN-C, po uzupełnieniu jej w części od wyłącznika do

odbiornika o dodatkowy przewód PE oraz reakcje wyłączników przy przerwa-

niu ciągłości przewodu ochronno-neutralnego PEN: a ) wyłącznik zwykły – brak

działania przy przepływie prądu rażeniowego I r , b) wyłącznik z kontrolą ciągłości

przewodu PEN – działanie przy pojawieniu się prądu I r

przypadki niewłaściwego

działania wyłączników

różnicowoprądowych

w sieci TN

są jednak skuteczne pod warunkiem,

że zachowana jest ciągłość przewodu

ochronno-neutralnego PEN. W przy-

padku braku takiej ciągłości istnieje

realne niebezpieczeństwo porażenia

przy sprawnym odbiorniku i spraw-

nym wyłączniku różnicowoprądo-

wym (rys. 3a) , przy braku reakcji

wyłącznika. W celu eliminacji tego

zagrożenia niektóre firmy, głównie

niemieckie (Busch-Jäger, ABB-Stotz,

Schupa) rozpoczęły produkcję spe-

cjalnych wyłączników różnicowo-

prądowych wysokoczułych, przezna-

czonych do stosowania w instalacjach

typu TN-C. W wyłącznikach tej kon-

strukcji przewód ochronny PE jest po-

prowadzony przez okno przekładni-

ka sumującego w ten sposób, że licz-

ba jego zwojów jest większa niż licz-

ba zwojów przewodów L i N (rys. 3b) .

Przy takim rozwiązaniu, w przypad-

ku przerwy w przewodzie PEN, prąd

rażeniowy, płynący przez ciało czło-

wieka dotykającego obudowy załą-

czonego urządzenia, powoduje za-

działanie wyłącznika (rys. 3b) i li-

kwidację zagrożenia. Wyłączniki ta-

kie noszą nazwę wyłączników różni-

cowoprądowych z kontrolą ciągłości

przewodu PEN.

Zastosowanie tego typu wyłączni-

ków wymaga jednak bardzo staran-

nego wykonania instalacji odbiorczej.

Dotyczy to głównie braku dodatko-

wych uziemień odbiorników, połą-

czeń przewodu PE z uziemieniem

w części instalacji za wyłącznikiem

oraz połączenia przewodu PE przez

połączenia wyrównawcze z prze-

wodem PEN. Sytuacje takie poka-

zano na rysunku 4 . W takim ukła-

dzie, jaki jest przedstawiony na ry-

sunku 4b , sprawny technicznie od-

biornik nie daje się załączyć lub jest

samoczynnie wyłączany, ponieważ

przewodem PE może płynąć część

prądu roboczego odbiornika I B , któ-

ra przekracza wartość prądu różni-

cowego wyłączającego. Podobnie za-

łączenie innego odbiornika w obwo-

dzie (rys. 4b) może spowodować za-

działanie wyłącznika.

Stosowanie wyłączników różnico-

woprądowych w sieciach TN jest moż-

liwe jedynie przy istnieniu osobnego

przewodu ochronnego PE, czyli w in-

stalacji TN-S lub TN-C-S. Ze względu

na powszechnie stosowany w prze-

szłości system TN-C, możliwa jest

doraźna poprawa warunków bezpie-

czeństwa w tych instalacjach, przez

zastosowanie specjalnych gniazd

wtyczkowych z wyłącznikami róż-

nicowoprądowymi wysokoczułymi

(rys. 2a) lub zwykłych wyłączników

różnicowoprądowych wysokoczu-

łych z poprowadzeniem dodatkowe-

go przewodu ochronnego od wyłącz-

nika do gniazda wtyczkowego lub od-

biornika (rys. 2b) . Rozwiązania takie

warunki poprawnego

działania wyłączników

w sieci IT

W sieci IT, gdzie wszystkie czę-

ści czynne instalacji są izolowane

względem ziemi, istnieje najwięk-

sze prawdopodobieństwo błędnego

doboru lub zainstalowania wyłącz-

ników różnicowoprądowych. W sie-

ciach tych podczas jednofazowego

zwarcia doziemnego płynie prąd I k1

(rys. 5) o niewielkiej wartości, zawie-

rającej się przeważnie w przedziale od

5 mA do ok. 100 mA, zależnej od po-

jemności nieuszkodzonych faz sieci

względem ziemi, rezystancji izolacji

przewodów (rozległości sieci), prą-

dów upływnościowych zasilanych

odbiorników i napięcia sieci. Waru-

nek skutecznej ochrony przeciwpo-

rażeniowej w sieci IT uważa się za

Rys. 4 Przykłady nieprawidłowego (zbędnego) działania wyłączników różnicowoprądo-

wych z kontrolą ciągłości przewodu ochronno-neutralnego w sprawnej instala-

cji typu TN-C, w przypadkach istnienia połączeń chronionych urządzeń z uzie-

mieniem lub z innymi urządzeniami, przez połączenia wyrównawcze miejscowe;

a) działanie wyłącznika spowodowane prądem roboczym I B chronionego urzą-

dzenia, b) działanie spowodowane prądem roboczym I B innego urządzenia w ob-

wodzie

nr 6/2004

www.elektro.info.pl

ochrona przeciwporażeniowa

Rys. 5 Ilustracja sposobu zamykania się obwodu prądu zwarcia jednofazowego I k1 za

wyłącznikiem różnicowoprądowym RCD, w sieci o układzie IT

go w części instalacji chronionej tym

samym wyłącznikiem różnicowoprą-

dowym (rys. 6) , również nie spowo-

duje zadziałania wyłącznika, ponie-

waż prąd zwarciowy I k2 , płynący mię-

dzy uziomami R z1 i R z2 , zamyka się

przez przekładnik sumujący wyłącz-

nika różnicowoprądowego. Napięcia

względem ziemi w miejscach uszko-

dzeń oraz napięcia dotykowe mogą

w tej sytuacji (rys. 6) osiągać znacz-

ne wartości, bliskie nawet napięciu

znamionowemu sieci. Stan taki może

się utrzymywać długotrwale, zabez-

pieczenie przetężeniowe sieci może

bowiem nie działać ze względu na

niewielką wartość prądu zwarcio-

wego, zależnego od wartości rezy-

stancji R z1 i R z2 . Omówionych zagro-

żeń można uniknąć, instalując wy-

łączniki różnicowoprądowe w sieci IT

w ten sposób, aby obejmowały swo-

im zasięgiem działania wydzielone

obwody, niezbyt rozległe w stosunku

do wielkości całej instalacji. Przykła-

dowo zainstalowanie wyłączników

w miejscach 1, 2 i 3, zamiast jedne-

go wyłącznika RCD w układzie z ry-

sunku 6 , zapewni prawidłowe wyłą-

czenie przedstawionego tam zwarcia

dwufazowego.

Aby ograniczyć skutki zwiększone-

go zagrożenia w sieciach i instalacjach

typu IT, z urządzeniami kontroli izo-

lacji działającymi na sygnalizację, na-

leży stosować dodatkowe wyrówna-

nie potencjału przez połączenie czę-

ści przewodzących obcych oraz uzie-

mienia z przewodem ochronnym PE

(rys. 7) . Takie uzupełnienie ochrony

nie zapewnia wprawdzie działania

wyłączników różnicowoprądowych

przy zwarciach podwójnych przez

ziemię za wyłącznikiem, lecz spo-

woduje w zdecydowanej większości

przypadków zadziałanie co najmniej

jednego z urządzeń: wyłącznika róż-

nicowoprądowego RCD1 lub RCD2

(rys. 7) lub zabezpieczeń przetęże-

niowych (wyłącznik, bezpiecznik),

przez co uszkodzone obwody zosta-

ną wyłączone albo zwarcie dwufazo-

we zostanie sprowadzone do zwarcia

jednofazowego, nie stwarzającego du-

żego zagrożenia porażeniowego.

spełniony, jeżeli rezystancja uzie-

mienia chronionego odbiornika R z

spełnia warunek:

będą działały przy doziemieniach, po-

mimo spełnienia warunku (3).

Niewyłączone zwarcie jednofazo-

we w sieci IT nie stwarza istotnego

zagrożenia porażeniowego, nawet

przy znacznych wartościach rezystan-

cji uziemienia R z , ponieważ napięcie

względem ziemi w miejscu zwarcia

oraz napięcia dotykowe względem

innych elementów przewodzących,

będą niewielkie, ze względu na małe

wartości prądu I k1 . Stan taki utrzy-

mujący się długotrwale stwarza jed-

nak inne określone zagrożenie, po-

legające na zwiększonym prawdopo-

dobieństwie przebicia izolacji jednej

z faz nieuszkodzonych, które znaj-

dują się teraz na napięciu między-

przewodowym względem ziemi. Po-

wstanie drugiego zwarcia doziemne-

(3)

gdzie:

U L – napięcie graniczne dopuszczal-

ne, równe 50 V lub 25 V - odpowied-

nio dla warunków środowiskowych

1 lub 2;

I a – prąd powodujący działanie urzą-

dzeń ochronnych, czyli znamiono-

wy prąd różnicowy I DN w przypad-

ku ochrony wyłącznikiem różnico-

woprądowym.

Warunek (3) nie jest w prakty-

ce trudny do spełnienia, ponieważ

przy przeciętnych wartościach prą-

du zwarcia doziemnego, nie prze-

kraczających 100 mA, napięcia wy-

stępujące na uziemionych częściach

metalowych nie przekroczą wartości

U L nawet przy rezystancjach uzie-

mienia rzędu 1000 W i więcej. Prze-

ciętne wartości tych rezystancji nie

przekraczają zazwyczaj 200 W. Pro-

blem polega natomiast na umiejsco-

wieniu urządzenia różnicowoprądo-

wego w instalacji, co zilustrowano

na rysunku 5 . Ze względu na to, że

prąd jednofazowego zwarcia doziem-

nego w sieci IT płynie przez pojem-

ności doziemne i izolację przewodów

sieci, zawsze część tego prądu zamy-

ka się przed wyłącznikiem (I k1B - rys.

5 ), a część za wyłącznikiem (I k1A - rys.

5 ). Wyłącznik reaguje jedynie na prąd

I k1A , dlatego wyłączniki zainstalowa-

ne na początku rozległej sieci IT nie

warunki działania

wyłączników

w obwodach zasilanych

za pośrednictwem

transformatora

separacyjnego

W niektórych układach auto-

matyki obwody sterujące zasilane

są z transformatora separującego.

W obwodach takich stosuje się zwy-

kle uziemienie jednego z biegunów

strony wtórnej transformatora przez

połączenie go z uziemionym przewo-

Rys. 6 Droga przepływu prądu dwufazowego zwarcia I k2 przez ziemię za wyłącznikiem różnicowoprądowym RCD, chroniącym kilka po-

jedynczych obwodów w sieci IT; 1, 2, 3 – miejsca poprawnego zainstalowania wyłączników różnicowoprądowych zamiast jed-

nego RCD, w celu uzyskania poprawnej ochrony w przedstawionej instalacji, K1, K2 – miejsca zwarcia

www.elektro.info.pl

nr 6/2004

literatura

Rys. 7 Ilustracja prawidłowego działania wyłączników różnicowoprądowych podczas dwufazowego zwarcia w sieci IT z przewodem

ochronnym PE

1. Biegelmeier G., Mörx A., Schutz

gegen gefährliche Körperströme

und gegen Überspannungen,

Österreichischer Gewerbeverlag,

Wien 1991.

2. Bödeker K., Nachrüsten von Feh-

lerstrom – Schutzschaltern, Elek-

tropraktiker, 7/1996.

3. Kiefer G., VDE 0100 und Praxis. VDE

Verlag, Berlin, Offenbach 1983.

4. Markiewicz H., Instalacje elek-

tryczne, WNT, Warszawa 2002.

5. Markiewicz H., Zagrożenia i ochrona

od porażeń w instalacjach elektrycz-

nych, WNT, Warszawa 2000.

6. Markiewicz H., Warunki doboru

i instalowania oraz niektóre ogra-

niczenia stosowania i niewłaści-

we działania wyłączników różni-

cowoprądowych. Naukowo-Tech-

niczna Konferencja Szkoleniowa

„Ochrona przeciwporażeniowa

w urządzeniach elektroenerge-

tycznych niskiego napięcia”, Lu-

blin, 29.09.1998, Materiały Kon-

ferencyjne, str. 35-57.

dem ochronnym PE (rys. 8) . W ten

sposób unika się niebezpieczeństwa,

jakie może mieć miejsce w przypad-

kach zwarć w obwodach sterujących,

polegającego na niemożliwości wyłą-

czenia sterowanych urządzeń. Jeże-

li napięcie zasilania obwodów ste-

rujących przekracza wartość napię-

cia U L , uznawanego w danych wa-

runkach za dopuszczalne ze wzglę-

dów bezpieczeństwa, to uszkodze-

nia w tych obwodach stwarzające

stan zagrożenia powinny być elimi-

nowane przez wyłączenie uszkodzo-

nych obwodów. Na rysunku 8 przed-

stawiono dwa różne sposoby szybkie-

go wyłączenia obwodu.

W układzie z rysunku 8a strona

wtórna transformatora jest zabez-

pieczona jedynie zabezpieczeniami

przetężeniowymi. Zwarcie doziemne

w obwodzie wtórnym transformato-

ra będzie wyłączone przez te zabez-

pieczenia, natomiast jest ono „niewi-

doczne” dla wyłącznika różnicowo-

prądowego RCD1 po stronie pierwot-

nej transformatora, ponieważ suma

prądów, mierzonych przez jego prze-

kładnik sumujący, jest równa zeru.

Innym rozwiązaniem jest zastoso-

wanie dwóch wyłączników różni-

cowoprądowych RCD1 i RCD2, od-

powiednio po pierwotnej i wtór-

nej stronie transformatora, jak to

przedstawiono na rysunku 8b . Jest

to układ bardziej skuteczny od wer-

sji z rysunku 8a , bowiem przy nie-

wielkich mocach transformatora se-

paracyjnego, prądy zwarciowe mogą

mieć niewielkie wartości i uzyskanie

dostatecznie krótkich czasów wyłą-

czenia przez zabezpieczenie przetę-

żeniowe (rys. 8a) może być trudne

do uzyskania.

wnioski

Rys. 8 Przykłady wykonania ochrony przeciwporażeniowej przed dotykiem pośrednim

w obwodach sterowania zasilanych z oddzielnego transformatora Tr: a) układ

z wyłącznikiem różnicowoprądowym RCD po stronie pierwotnej i z zabezpiecze-

niami przetężeniowymi po stronie wtórnej, b) układ z dodatkowym wyłącznikiem

różnicowoprądowym RCD 2 po stronie wtórnej transformatora

Wyłączniki różnicowoprądowe są

skutecznym środkiem ochrony prze-

ciwporażeniowej, możliwym do sto-

sowania we wszystkich układach sie-

ci i instalacji niskiego napięcia. Nale-

ży jednak pamiętać, że istnieją pewne

specyficzne uwarunkowania, w któ-

rych sprawne urządzenia różnicowo-

prądowe mogą okazać się zawodnym

środkiem ochrony. Wybrane, pod-

stawowe z takich sytuacji, omówio-

no w artykule. Instalowanie wyłącz-

nika różnicowoprądowego powinno

być więc w pewnych sytuacjach po-

przedzone analizą możliwych, szcze-

gólnych uwarunkowań w projekto-

wanej instalacji, aby uniknąć niewła-

ściwego funkcjonowania tego środka

ochrony przeciwporażeniowej.

nr 6/2004

www.elektro.info.pl

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: