SEP ei_2005_12_s070.pdf

ochrona przeciwporażeniowa

w obwodach z przemiennikami

częstotliwości oraz jej badanie

dr inż. Lech Danielski, dr inż. Ryszard Zacirka – Politechnika Wrocławska

sposób projektowania skute-

cznej ochrony przeciwporażeniowej

w instalacjach zasilanych z przemien-

ników częstotliwości. W przypadku

zwarć mogą one powodować przepływ

prądu, który nie zawsze spowoduje za-

chowanie warunku samoczynnego

wyłączenia. Sposób projektowania

ochrony przeciwporażeniowej zapro-

ponowany przez autorów może być

z powodzeniem stosowany przy zasi-

laniu ze źródeł o zmieniającej się im-

pedancji obwodu zwarcia (generatory

niskiego napięcia w układach zasila-

nia awaryjnego obiektów budowla-

nych), a szczególnie tam, gdzie waru-

nek samoczynnego wyłączenia nie

może zostać zachowany. Artykuł zgod-

ne z założeniami porusza tylko aspekt

ochrony przeciwporażeniowej, bez

analizy innych zjawisk mogących po-

wstać w takich przypadkach. Kolejny

artykuł z tego cyklu będzie poświęco-

ny ochronie przeciwporażeniowej

w instalacjach zasilanych z UPS-ów.

średnim. Zasady stosowania ochro-

ny przeciwporażeniowej są podobne,

jak w innych obwodach [1].

Ochrona przed dotykiem bezpośred-

nim powinna być realizowana przez izo-

lowanie części czynnych i zastosowanie

obudów i osłon. Należy pamiętać, że izo-

lacja robocza (a także izolacja podstawo-

wa) obwodów powinna być odporna na

przepięcia, które mogą wystąpić w chro-

nionych obwodach. Stosowane obudo-

wy i osłony zarówno przemienników

częstotliwości, jak i zasilanych z nich

urządzeń powinny mieć odpowiedni

do warunków środowiskowych (użyt-

kowania urządzenia) stopień ochrony

IP oraz nie powinny dać się usunąć bez

użycia narzędzi lub klucza.

Ochrona przed dotykiem pośred-

nim w obwodach zasilanych przez

przemienniki częstotliwości realizo-

wana jest najczęściej przez samoczyn-

ne wyłączenie zasilania. Powinna ona

zapewniać w przypadku uszkodzenia

izolacji i zwarcia metalicznego z czę-

ścią przewodzącą dostępną:

 samoczynne wyłączenie zasilania

przez zastosowane w obwodzie

zabezpieczenie zwarciowe lub róż-

nicowoprądowe, lub

 obniżenie napięcia dotykowego wy-

stępującego na części przewodzą-

cej dostępnej do wartości nieprze-

kraczającej napięcia dotykowego

Rys. 1 Zasada pomiaru impedancji pętli zwarcia dla oceny skuteczności ochrony

przed dotykiem pośrednim przemiennika jednofazowego

dopuszczalnego długotrwale w da-

nych warunkach środowiskowych.

Konieczne jest zatem w przypadku wy-

stąpienia takiego zwarcia stosowanie

urządzeń zabezpieczających w obwo-

dach wyjściowych przemiennika.

Stosowane w przemiennikach za-

bezpieczenia zwarciowe mają za za-

danie chronić przed uszkodzeniem

sam przekształtnik. Coraz częściej tę

funkcję pełnią zabezpieczenia elektro-

niczne, które w wypadku wystąpienia

przetężenia prądowego bezzwłocznie

wyłączają napięcie wyjściowe wyłącza-

jąc tranzysty falownika. Taki stan nie

jest jednak równoznaczny z wyłącze-

niem obwodu wymaganym dla zapew-

nienia ochrony przed porażeniem, po-

nieważ wyłączenie uszkodzonego ob-

wodu nie zapewnia oddzielenia gal-

wanicznego od obwodu zasilającego.

Dokładniejsze przedstawienie proble-

mów związanych z zabezpieczaniem

obwodów z falownikami zasilający-

mi silniki można znaleźć w artykule

dr. Edwarda Musiała, zamieszczonym

w miesięczniku INPE [2].

Ze względu na konieczność stosowa-

nia w przemiennikach częstotliwości

układów ﬁltrującychzeznacznymipo-

jemnościami doziemnymi, używanie

jako urządzeń wyłączających w ochro-

nie przez samoczynne wyłączenie za-

silania wyłączników różnicowoprądo-

wych powinno być poprzedzone do-

kładnym przeanalizowaniem występu-

ochrona w obwodach

z przemiennikami

częstotliwości zasilającymi

urządzenia napędowe

Cechą szczególną obwodów z prze-

miennikami częstotliwości jest to, że

wartość i przebieg czasowy prądu zwar-

ciowego uzależniony jest od miejsca wy-

stąpienia i rodzaju zwarcia (jedno- lub

wielofazowe). Przy zwarciu doziem-

nym w obwodzie zasilającym (przed

przekształtnikiem) prąd zwarciowy

jest prądem przemiennym, przy zwar-

ciu w obwodzie pośredniczącym prze-

kształtnika prąd zwarciowy jest prądem

stałym tętniącym, natomiast jednofa-

zowe zwarcie doziemne w obwodzie

wyjściowym powoduje przepływ prą-

du zmiennego odkształconego. Specy-

ﬁkadziałaniaobwodupośredniczące-

go prądu stałego przekształtnika powo-

duje, że podczas jednofazowego zwarcia

doziemnego do części przewodzącej do-

stępnej w obwodzie wyjściowym prą-

dy we wszystkich fazach obwodu za-

silającego przemiennika są symetryzo-

wane i często nie występuje w jednej

z faz wzrost prądu do wartości, która

mogłaby spowodować zadziałanie nad-

prądowych urządzeń zabezpieczających.

zasady stosowania ochrony

przeciwporażeniowej

Obwody instalacji elektrycznych

zasilane przez przemienniki często-

tliwości muszą być objęte ochroną

przed dotykiem bezpośrednim i po-

Rys. 2 Zasada pomiaru impedancji pętli zwarcia dla oceny skuteczności ochrony przed

dotykiem pośrednim odbiornika zasilanego z przemiennika jednofazowego

www.elektro.info.pl

nr 12/2005

ochrona przeciwporażeniowa

W artykule został przedstawiony

Rys. 3 Zasada pomiaru impedancji pętli zwarcia dla oceny skuteczności ochrony

przed dotykiem pośrednim falownika trójfazowego

Rys. 4 Zasada pomiaru impedancji pętli zwarcia dla oceny skuteczności ochrony

przed dotykiem pośrednim odbiornika zasilanego z falownika trójfazowego

jących w obwodzie roboczym doziem-

nych prądów upływowych. Dodatko-

wą trudnością w ocenie prawidłowo-

ści działania wyłączników jest możli-

wość występowania prądów uszkodze-

niowych o częstotliwości większej niż

50 Hz oraz prądów stałych pulsujących

i stałych wygładzonych. Do ewentual-

nego wykorzystania w ochronie prze-

ciwporażeniowej przemienników czę-

stotliwości nadają się wyłączniki typu

B lub ewentualnie typu A o średniej czu-

łości (w zależności od wartości robocze-

go prądu upływu 100, 300 lub 500 mA),

albo nawet wyłączniki niskoczułe. Po-

winny być one ponadto wyłącznikami

co najmniej krótkozwłocznymi (lub se-

lektywnymi), aby uniknąć zbędnych

wyłączeń obwodów powodowanych

zwiększonymi prądami upływowymi

występującymi w momencie załączania

przemienników.

Znaczne prądy upływowe występu-

jące w przemiennikach częstotliwości

nakładają obowiązek szczególnie sta-

rannego wykonania połączeń prze-

wodu ochronnego. Przekrój przewo-

du ochronnego stosowanego dla urzą-

dzeń o prądzie upływowym powyżej

3,5 mA powinien mieć wartość co naj-

mniej 10 mm 2 , lub powinny być zasto-

sowane dwa przewody ochronne, każ-

dy o przekroju co najmniej 4 mm 2 .

go zwarcia przy ograniczonym prą-

dzie oraz przy założeniu sztywności

i statyczności systemu, a także linio-

wości toru przesyłowego. Przy pomia-

rach w obwodach odbiorczych zasila-

nych przez przemienniki częstotliwo-

ści istotnym elementem jest falownik.

Urządzenia te, ze względu na porów-

nywalną moc własną z mocami zasi-

lanych odbiorników, zmuszone są do

ciągłej korekcji swoich parametrów, za-

tem wynik pomiaru zawierałby błę-

dy związane ze stanami przejściowy-

mi urządzenia zasilającego. Dla oceny

poprawności wykonania instalacji na-

leży zmierzyć impedancję z pominię-

ciem elementów energoelektronicz-

nych. Podczas badania impedancji pę-

tli zwarciowej w obwodach zasilanych

z falowników problem stanowi niezna-

jomość poziomu wysterowania falow-

nika (a tym samym zmiana jego impe-

dancji zwarciowej) w momencie zwar-

cia. Uniemożliwia to w praktyce ustale-

nie prądu zwarciowego. Ponadto zmia-

na częstotliwości napięcia wyjściowe-

go (często znacznie wyższa niż 50 Hz)

uniemożliwia poprawne wykonanie

pomiaru ogólnie dostępnymi na rynku

przyrządami do badania instalacji.

Zatem ocena skuteczności ochro-

ny przed dotykiem pośrednim przez

samoczynne wyłączenie zasilania na

podstawie porównania wartości prą-

du wyłączającego I a oraz prądu zwar-

cia doziemnego I ” k1 , sprowadzająca się

do sprawdzenia spełnienia podanej

w normie [5] nierówności:

badanie ochrony

przeciwporażeniowej przez

samoczynne wyłączenie

zasilania w obwodach

zasilanych przez

przemienniki częstotliwości

Przy sprawdzaniu impedancji pę-

tli zwarcia w obwodach zasilanych

przez przemienniki częstotliwości na-

leży wziąć pod uwagę fakt, że stoso-

wane powszechnie metody mogą dać

fałszywe wyniki. Przy zasilaniu z sie-

ci elektroenergetycznej zakładamy, że

moc w systemie jest tak duża, iż prąd

zwarciowy w danym punkcie instala-

cji elektrycznej niskiego napięcia jest

ograniczony głównie przez impedan-

cję toru przesyłowego, czyli linie zasi-

lające, transformatory i przewody in-

stalacji. Pomiary impedancji pętli po-

legają więc na wykonaniu sztuczne-

I a ⋅ ≤

jest praktycznie niemożliwa.

Proponujemy zatem ocenę sku-

teczności ochrony przeciwpora-

żeniowej przed dotykiem pośred-

nim przez sprawdzenie, czy w cza-

sie zwarcia doziemnego o prądzie

zwarciowym równym I a wystąpiło-

by na częściach przewodzących do-

stępnych napięcie dotykowe o war-

tości nieprzekraczającej napięcia

dotykowego, dopuszczalnego dłu-

gotrwale w danych warunkach śro-

dowiskowych (U L ).

Sprawdzenie to można wykonać obli-

czając spodziewane wartości napięć do-

tykowych, jakie wystąpią na objętych

reklama

nr 12/2005

www.elektro.info.pl

Z U

s o

ochrona przeciwporażeniowa

ochroną częściach przewodzących do-

stępnych podczas metalicznego zwarcia

doziemnego. W celu obliczeń należy wy-

konać pomiar impedancji pętli zwarcia

z pominięciem (przez zmostkowanie za-

cisków wejściowych i wyjściowych jed-

nej z faz) przemiennika częstotliwości

zgodnie ze schematami przedstawio-

nymi na rysunkach 1 , 2 , 3 i 4 , i przy

równoczesnym przerwaniu ciągłości

przewodów pozostałych faz i przewo-

du neutralnego. Po wykonaniu pomia-

ru impedancji pętli zwarcia należy ob-

liczyć impedancję przewodu PE, przyj-

mując ją jako równą 0,5 zmierzonej im-

pedancji Z S .

Największa spodziewana wartość na-

pięcia dotykowego U ST będzie równa:

U =I 0,5 Z

ST a S

przykład, przy zasilaniu obwodu z prze-

miennikiem częstotliwości, przy zasto-

sowaniu w obwodzie zasilającym wy-

łączników instalacyjnych typu B o prą-

dzie znamionowym 25 A, dla zapew-

nienia bezpieczeństwa porażeniowe-

go dopuszczalna rezystancja przewo-

du ochronnego na drodze od rozpatry-

wanego odbiornika do głównej szyny

wyrównawczej MEB (przy założeniu do-

puszczalnej długotrwale wartości na-

pięcia dotykowego U L równej 50 V), nie

powinna być większa niż:

miaru małych rezystancji lub ustalić,

obliczając zgodnie ze wzorem:

technicznych, przy projektowaniu na-

leży wykorzystać dane dotyczące kon-

kretnego typu urządzenia zasilającego.

Dobierając urządzenia zabezpieczające

należy brać pod uwagę takie cechy urzą-

dzeń odbiorczych, jak: prąd rozruchowy,

roboczy prąd upływowy i spodziewany

kształt prądu uszkodzeniowego. Często

popełnianym błędem jest dążenie pro-

jektantów instalacji do stosowania wy-

łączników różnicowoprądowych o jak

największej czułości – najczęściej wy-

sokoczułych, o znamionowym różnico-

wym prądzie wyzwalającym równym

30 mA. Ich stosowanie może stwarzać

kłopoty podczas normalnej pracy insta-

lacji spowodowane zbędnym zadziała-

niem, a z punktu widzenia bezpieczeń-

stwa nie uzyskuje się żadnych istotnych

dodatkowych korzyści. Należy przypo-

mnieć, że stosowanie wyłączników wy-

sokoczułych jest wymagane i zalecane

do zabezpieczenia obwodów zasilają-

cych gniazda wtyczkowe przeznaczone

w szczególności do przyłączania odbior-

ników ręcznych użytkowanych w wa-

runkach zwiększonego lub szczególne-

go zagrożenia porażeniowego.

Zaproponowany sposób sprawdzania

skuteczności ochrony przed dotykiem

pośrednim w obwodach zasilanych

z przemienników częstotliwości jest sto-

sunkowo prosty i łatwy do wykonania.

Pomiary są wykonywane przy nieod-

kształconym prądzie pomiarowym prze-

miennym o częstotliwości 50 Hz ogólnie

dostępnymi na rynku przyrządami do

pomiarów impedancji pętli zwarcia, lub

przy użyciu przyrządu do pomiaru ma-

łych rezystancji z wbudowanym źródłem

napięcia pomiarowego.

Przedstawione w artykule przykła-

dy obliczeniowe uzasadniają stwier-

dzenie, że zapewnienie skuteczności

ochrony przed dotykiem pośrednim

przez samoczynne wyłączenie zasi-

lania w obwodach zasilanych z prze-

mienników częstotliwości nie stano-

wi problemu, pod warunkiem prawi-

dłowej budowy instalacji i zastoso-

wania odpowiednich przewodów

ochronnych oraz głównych i dodat-

kowych połączeń wyrównawczych.

Od redakcji: literatura do artyku-

łu na www.elektro.info.pl .

cc =

⋅

gdzie:

l – długość przewodu wyrównaw-

czego,

γ – przewodność elektryczna materia-

łu żyły przewodu wyrównawczego,

S – przekrój żyły przewodu wyrów-

nawczego.

Zapewnienie skuteczności ochrony

przed dotykiem pośrednim po wyko-

naniu połączenia wyrównawczego do-

datkowego (miejscowego) nie powinno

sprawiać trudności. Na przykład, przy

zastosowaniu przewodu wyrównaw-

czego o przekroju 4 mm 2 i długości 10 m

( + 2 m na rezystancję przejścia połączeń

stykowych), rezystancja tego połączenia

wyrównawczego będzie wynosiła:

R = U

I = 50V

125A =0,4

Ω

⋅ ⋅

Przy zastosowaniu przewodu

ochronnego o przekroju np. 4 mm 2

taką rezystancję będzie miał przewód

o długości:

Wartość ta została obliczona z bar-

dzo dużym zapasem bezpieczeństwa.

Dokładniejsze jej ustalenie wymagało-

by zmierzenia (za pomocą miernika do

pomiaru małych rezystancji, np. typu

MMR-600 prod. SONEL), lub ustale-

nia w obliczeniach, wartości impedan-

cji (rezystancji) przewodu ochronnego

między rozpatrywaną częścią przewo-

dzącą dostępną a głównym połącze-

niem wyrównawczym. Zgodnie z nor-

mą [1] uważa się, że ochrona jest sku-

teczna, jeżeli napięcie dotykowe U ST jest

mniejsze od dopuszczalnej długotrwale

w danych warunkach środowiskowych

wartości napięcia dotykowego:

l=R⋅γ⋅S=0,4⋅56⋅4=89 m–2 m

(na rezystancję przejścia

połączeń stykowych)=87 m

R =

( S) = (10+2)

(56 4) =0,054

Ω

γ ⋅

⋅

Jeżeli opisany powyżej warunek nie

jest spełniony, to należy wykonać połą-

czenie wyrównawcze dodatkowe (miej-

scowe), łączące badaną część przewo-

dzącą dostępną z częściami przewo-

dzącymi dostępnymi innych urządzeń

elektrycznych, oraz z częściami prze-

wodzącymi obcymi znajdującymi się

w otoczeniu badanego urządzenia.

Skuteczność wykonanego połączenia

wyrównawczego dodatkowego spraw-

dza się przez obliczenie spodziewanej

wartości napięcia dotykowego zgodnie

ze wzorem:

Dopuszczalny prąd wyłączający

urządzeń zabezpieczających nadprą-

dowych, wynikający wyłącznie z wy-

magań stawianych ochronie przeciw-

porażeniowej, wynosiłby wówczas:

I = 50V

0,054 =925A

Ω

Przy zastosowaniu przewodu wy-

równawczego o przekroju 10 mm 2 i dłu-

gości 10 m, rezystancja tego połączenia

wyrównawczego będzie wynosiła:

U =I Z U

ST a PE L

R= l

( S) = (10+2)

gdzie:

I a – prąd wyłączający urządzenia za-

bezpieczającego (w obwodzie zasila-

nia przemiennika lub urządzenia od-

biorczego),

Z PE – wartość impedancji (rezystancji)

przewodu ochronnego PE między roz-

patrywaną częścią przewodzącą do-

stępną a głównym połączeniem wy-

równawczym,

U L – dopuszczalna długotrwale w da-

nych warunkach środowiskowych

wartość napięcia dotykowego.

Zapewnienie skuteczności ochrony

przed dotykiem pośrednim przy prawi-

dłowym wykonaniu instalacji nie po-

winno sprawiać żadnych trudności. Na

U =I R U

ST a CC L

⋅ ≤

γ ⋅ ⋅

(56 10) =0,022

Ω

gdzie:

I a – prąd wyłączający urządzenia zabez-

pieczającego (w obwodzie zasilania prze-

miennika lub urządzenia odbiorczego),

R CC – wartość rezystancji przewodu połą-

czenia wyrównawczego miejscowego CC

między rozpatrywaną częścią przewo-

dzącą dostępną a częścią przewodzącą

dostępną innego urządzenia elektrycz-

nego lub częścią przewodzącą obcą,

U L – dopuszczalna długotrwale w da-

nych warunkach środowiskowych

wartość napięcia dotykowego.

Wartość rezystancji R CC należy

zmierzyć za pomocą miernika do po-

Dopuszczalny prąd wyłączający

urządzeń zabezpieczających nadprą-

dowych, wynikający wyłącznie z wy-

magań stawianych ochronie przeciw-

porażeniowej, wynosiłby wówczas:

I = 50V

0,022 =2270A

Ω

podsumowanie

Przy projektowaniu instalacji zasi-

lanych z przemienników częstotliwo-

ści należy uwzględniać ich specyﬁkę.

Ze względu na różnorodność rozwią-

zań konstrukcyjnych i parametrów

www.elektro.info.pl

nr 12/2005

⋅ ≤

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: