PRÓG FIBRYLACJI A CZUŁOŚĆ WYŁĄCZNIKÓW RÓŻNICOWOPRĄDOWYCH PRZY ODKSZTAŁCONYM PRĄDZIE RÓŻNICOWYM

Transkrypt

1 dr hab. inż. Stanisław Czapp Politechnika Gdańska Wyłączniki różnicowoprądowe w ochronie przeciwporażeniowej PRÓG FIBRYLACJI A CZUŁOŚĆ WYŁĄCZNIKÓW RÓŻNICOWOPRĄDOWYCH PRZY ODKSZTAŁCONYM PRĄDZI RÓŻNICOWYM Streszczenie Przedstawiono przebiegi odkształconego prądu ziemnozwarciowego przy doziemieniu w obwodzie wyjściowym pośredniego przemiennika częstotliwości. Omówiono wpływ widma prądu na próg fibrylacji serca oraz prąd zadziałania wyłączników różnicowoprądowych. 1. Wstęp W obwodach silników zasilanych z przemienników częstotliwości obowiązują ogólne zasady ochrony przeciwporażeniowej. Należy zapewnić: ochronę przed dotykiem bezpośrednim (ochronę podstawową) za pomocą izolacji podstawowej części czynnych oraz osłon o odpowiednim stopniu ochrony IP, ochronę przy uszkodzeniu (ochronę dodatkową), w ramach której najczęściej stosuje się samoczynne wyłączanie zasilania. W odniesieniu do ochrony przy uszkodzeniu należy pamiętać, że stan blokowania zaworów przekształtnika nie jest uważany za samoczynne wyłączanie zasilania w rozumieniu normy [1], bo nie tworzy galwanicznej przerwy w obwodzie [9]. Należy rozważyć również ochronę przeciwporażeniową uzupełniającą za pomocą wyłączników różnicowoprądowych 1, w celu zapewnienia bezpieczeństwa przy dotyku bezpośrednim lub jednoczesnym doziemieniu iprzerwanym przewodzie ochronnym P. Ocena skuteczności ochrony przeciwporażeniowej uzupełniającej w obwodzie silnika zasilanego z przemiennika częstotliwości jest skomplikowana, ponieważ kształt przebiegu prądu różnicowego zależy od miejsca, w którym nastąpił dotyk bezpośredni lub doziemienie. Ponadto odkształcenie prądu ma wpływ na próg fibrylacji oraz na prąd zadziałania wyłączników różnicowoprądowych. W kolejnych punktach podjęto próbę oceny wpływu prądu różnicowego odkształconego z obwodu z przemiennikiem częstotliwości na próg fibrylacji i skuteczność ochrony przeciwporażeniowej uzupełniającej wykorzystującej wyłączniki różnicowoprądowe. 2. Prądy ziemnozwarciowe i rażeniowe w obwodzie wyjściowym przemiennika częstotliwości Na rysunku 1 przedstawiono obwód silnika zasilanego z przemiennika częstotliwości. Przy doziemieniu (lub dotyku bezpośrednim) na zaciskach wejściowych przemiennika prąd różnicowy jest przemienny o częstotliwości sieciowej (5 Hz). Doziemienie w obwodzie pośredniczącym powoduje przepływ prądu różnicowego stałego o tętnieniu zależnym od zastosowanego układu prostowniczego. 1) Zastosowanie wyłączników różnicowoprądowych wysokoczułych w obwodach z przemiennikami częstotliwości może być problematyczne ze względu na duże wartości prądów upływowych. Nr

2 przemiennik częstotliwości u i L1 L2 L3 RCD i(t ) M P t t t Rys. 1. Obwód silnika zasilanego z przemiennikami częstotliwości: i prąd obciążenia, i prąd ziemnozwarciowy Przy doziemieniu w obwodzie wyjściowym przemiennika płynie prąd przemienny silnie odkształcony, a jego widmo zależy od prędkości obrotowej silnika i częstotliwości impulsowania przemiennika. Należy zwrócić uwagę, że prąd obciążenia i jest odkształcony w niewielkim stopniu (rys. 1). Regulacja prędkości obrotowej silników indukcyjnych zasilanych z przemienników częstotliwości zwykle odbywa się w dół, czyli przy obniżaniu częstotliwości poniżej częstotliwości sieciowej, ale w prądzie różnicowym pojawiają się też składowe o częstotliwości większej niż sieciowa i to one wpływają na próg fibrylacji i na czułość wyłączników różnicowoprądowych. Na rysunkach od 2 do 5 przedstawiono oscylogramy prądu ziemnozwarciowego przy doziemieniu na zaciskach silnika zasilanego za pośrednictwem przemiennika częstotliwości z falownikiem napięcia wykorzystującym modulację szerokości impulsów PWM oraz zasadę U/f = const. Rysunki te, oprócz oscylogramu prądu, przedstawiają jego widmo amplitudowe dla trzech zakresów częstotliwości: 25 khz, 5 khz, 5 Hz. Doziemienie wykonywano przez rezystancję równą 1 Ω (modelowa wartość rezystancji ciała człowieka) przy różnych prędkościach obrotowych silnika, z którymi jest związana częstotliwość użytkowa napięcia zasilającego, m.in.: 5 Hz, 25 Hz, 5 Hz, 1 Hz. Wypadkowa wartość skuteczna prądu ziemnozwarciowego w każdym przypadku jest taka sama. w prądzie tym można wyróżnić: składową o częstotliwości użytkowej, praktycznie niezmienną co do wartości składową o częstotliwości 15 Hz wynikającą z napięcia względem ziemi punktu środkowego prostownika, trzecią harmoniczną częstotliwości użytkowej, składową o częstotliwości impulsowania, jej wyższe harmoniczne oraz interharmoniczne. 1

3 a) i i b) 2,5 5 7,5 1 12, ,5 2 22,5 25 i c) 5 Hz 15 Hz,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5 Hz 15 Hz [Hz] Rys. 2. Oscylogramy prądu ziemnozwarciowego i przy doziemieniu na zaciskach silnika i widmo amplitudowe tego prądu w zakresie częstotliwości: a) 25 khz; b) 5 khz; c) 5 Hz; częstotliwość użytkowa 5 Hz, częstotliwość impulsowania a) b) 2,5 5 7,5 1 12, ,5 2 22, Hz 75 Hz 15 Hz c),5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4, Hz 75 Hz 15 Hz Rys. 3. Oscylogramy prądu ziemnozwarciowego i przy doziemieniu na zaciskach silnika i widmo amplitudowe tego prądu w zakresie częstotliwości: a) 25 khz; b) 5 khz; c) 5 Hz; częstotliwość użytkowa 25 Hz, częstotliwość impulsowania Nr [Hz] 11

4 a) b) 2,5 5 7,5 1 12, ,5 2 22, Hz 15 Hz c),5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5 Hz 15 Hz [Hz] Rys. 4. Oscylogramy prądu ziemnozwarciowego i przy doziemieniu na zaciskach silnika i widmo amplitudowe tego prądu w zakresie częstotliwości: a) 25 khz; b) 5 khz; c) 5 Hz; częstotliwość użytkowa 5 Hz, częstotliwość impulsowania a) b) 2,5 5 7,5 1 12, ,5 2 22,5 25 i 1 Hz 15 Hz c),5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 1 Hz 15 Hz [Hz] Rys. 5. Oscylogramy prądu ziemnozwarciowego i przy doziemieniu na zaciskach silnika i widmo amplitudowe tego prądu w zakresie częstotliwości: a) 25 khz; b) 5 khz; c) 5 Hz; częstotliwość użytkowa 1 Hz, częstotliwość impulsowania

5 Na rysunku 6 przedstawiono zmianę udziału poszczególnych składowych prądu ziemnozwarciowego przy zmianie częstotliwości użytkowej w zakresie od 1 Hz do 5 Hz. w miarę zmniejszania się częstotliwości użytkowej rośnie udział składowej, a maleje udział składowej o częstotliwości użytkowej. Im mniejsza prędkość obrotowa silnika, tym bardziej dominują składowe o wysokiej częstotliwości. 3 I RMS 25 2 I PWM I [ma] 15 I M 1 5 I f [Hz] Rys. 6. Zmiana udziału poszczególnych składowych (wartości skuteczne) prądu ziemnozwarciowego przy zwarciu w obwodzie wyjściowym przemiennika dla różnych częstotliwości użytkowych (od 1 Hz do 5 Hz). Częstotliwość impulsowania. I składowa o często- M tliwości użytkowej, I składowa o częstotliwości impulsowania, I składowa o często- PWM 15 tliwości 15 Hz, I wypadkowa wartość skuteczna prądu ziemnozwarciowego RMS Opisane zjawiska zachodzą też przy innych częstotliwościach impulsowania. Badania przeprowadzono także dla częstotliwości impulsowania 1,66 khz i 6,66 khz. W zależności od zastosowanej częstotliwości impulsowania zmienia się rząd wyższych harmonicznych w prądzie ziemnozwarciowym, które się do niej odnoszą (rys. 7). a) b) 1,66 khz 6,66 khz 2,5 5 7,5 1 12, ,5 2 22, Rys. 7. Oscylogramy prądu ziemnozwarciowego i przy doziemieniu na zaciskach silnika i widmo amplitudowe tego prądu. Częstotliwość użytkowa 1 Hz, częstotliwość impulsowania: a) 1,66 khz; b) 6,66 khz Nieco innego przebiegu prądu ziemnozwarciowego i innego udziału wyższych harmonicznych można się spodziewać przy jednofazowym zasilaniu przemiennika (rys. 8). Zamiast składowej 15 Hz o niezmiennej wartości skutecznej występuje wtedy składowa o częstotliwości 5 Hz. Nr

6 Rys. 8. Przykładowy przebieg prądu ziemnozwarciowego przy jednofazowym zasilaniu przemiennika częstotliwości [11] 3. Wyższe harmoniczne a próg fibrylacji Pierwotne kryteria bezpieczeństwa przedstawione w dokumencie IC TS [7] dotyczą częstotliwości prądu z przedziału 15 1 Hz. Przyjmuje się, że człowiek wyczuwa przepływ prądu po przekroczeniu wartości,5 ma. Większe prądy mogą powodować mrowienie czy nawet ból, a po przekroczeniu 5 ma może wystąpić skurcz tężcowy mięśni szkieletowych ręki w stopniu uniemożliwiającym samouwolnienie się spod napięcia. Długotrwale płynący prąd o wartości większej niż 3 4 ma może spowodować migotanie komór serca, czyli fibrylację. Z tego powodu jako ochronę przeciwporażeniową uzupełniającą przy dotyku bezpośrednim stosuje się wyłączniki różnicowoprądowe o I 3 ma. n Jeżeli częstotliwość prądu zwiększa się, to próg odczuwania, granica samouwolnienia i próg fibrylacji przesuwają się w zakres prądów o większych wartościach (rys. 9) [8]. Częstotliwość ma najmniejszy wpływ na granicę samouwolnienia, nieco większy na próg odczuwania, a najbardziej zmienia się najistotniejszy parametr próg fibrylacji. Jeżeli założyć, że przy częstotliwości 5 Hz lub mniejszej fibrylację może wywoływać długotrwale płynący prąd o wartości powyżej 3 ma, to przy częstotliwości 1 Hz próg ten przesuwa się do wartości około 42 ma. Dla częstotliwości prądu większych niż 1 Hz brak jest danych odnośnie do progu fibrylacji. Na razie przyjmuje się, że skutki są takie same, jak dla 1 Hz. Więcej wiadomo o granicy samouwolnienia, która płynnie zwiększa się do częstotliwości 1 khz, przy której współczynnik przeliczeniowy K f wynosi nieco ponad 5. Wynika z tego, że zwiększenie się prądu zadziałania wyłącznika różnicowoprądowego o = 3 ma (przy 5 Hz) do np. 3 ma przy wyższej częstotliwości prądu, niekoniecznie jest równoznaczne z przekroczeniem progu fibrylacji. Przebadano liczną populację wyłączników różnicowoprądowych, którym nadano symbole RCD1, RCD2 itd. Na rysunku 1 przedstawiono charakterystyki działania w zakresie częstotliwości 5 1 Hz dwóch wybranych wyłączników różnicowoprądowych bezzwłocznych typu AC o = 3 ma. Charakterystyki te zestawiono na tle linii określającej próg fibrylacji w funkcji częstotliwości. Widać, że są one rozbieżne. W przypadku wyłącznika RCD11 rzeczywisty prąd zadziałania nie przekracza 14 I n I n

7 progu fibrylacji w całym badanym zakresie częstotliwości. Zatem mimo zwiększającego się prądu zadziałania wraz z rosnącą częstotliwością prądu różnicowego, wyłącznik ten nadaje się do ochrony przeciwporażeniowej uzupełniającej w całym badanym zakresie częstotliwości. Wyłącznik RCD5 może zapewniać ochronę uzupełniającą tylko do około 15 Hz. 15 K f próg fibrylacji próg odczuwania granica samouwolnienia Rys. 9. Zależność od częstotliwości współczynnika przeliczeniowego K określającego próg f odczuwania i próg fibrylacji oraz granicę samouwolnienia Nr f [Hz] Taka analiza działania wyłączników różnicowoprądowych i ocena skuteczności ochrony przeciwporażeniowej uzupełniającej wymaga znajomości ich charakterystyk prądu zadziałania w funkcji częstotliwości prądu różnicowego (niezależnie od typu wyzwalania wyłącznika AC, A czy B). Nie są one jednak znane, może nie znać ich nawet producent, ponieważ normy przedmiotowe do ich wyznaczania producenta nie obligują. I [ma] RCD5 próg fibrylacji RCD f [Hz] Rys. 1. Zależność prądu zadziałania wybranych wyłączników różnicowoprądowych typu AC o I n = 3 ma (RCD5, RCD11) od częstotliwości prądu różnicowego 15

8 Określenie progu fibrylacji jest stosunkowo proste w przypadku prądu przemiennego sinusoidalnego o określonej częstotliwości. Przy prądzie odkształconym możliwe jest tylko oszacowanie [8] zastępczego prądu I zast o częstotliwości 5 Hz, równoważne- go ze względu na zagrożenie fibrylacją. Wartość prądu zastępczego wyznacza się z zależności: (1) gdzie: I h udział harmonicznej rzędu h, K f współczynnik przeliczeniowy z rysunku 9. Niestety, taki sposób określania prądu zastępczego nie uwzględnia fazy początkowej poszczególnych harmonicznych, która ma wpływ na wartość szczytową rzeczywistego przebiegu prądu. 4. Badania działania wyłączników różnicowoprądowych w obwodzie z przemiennikiem częstotliwości Przeprowadzone analizy i badania eksperymentalne [1, 2, 3, 6] wykazały, że prąd zadziałania wyłączników różnicowoprądowych zależy od częstotliwości impulsowania i od częstotliwości użytkowej, która jest związana z prędkością obrotową silnika. Im niższa prędkość obrotowa silnika, tym większy w prądzie ziemnozwarciowym (lub rażeniowym) jest udział harmonicznych wysokich rzędów, co niekorzystnie wpływa na działanie wyłączników różnicowoprądowych, ale niekoniecznie powoduje przekroczenie progu fibrylacji. Największego prądu zadziałania wyłącznika chroniącego obwód przemiennika częstotliwości należy się spodziewać przy doziemieniu lub dotyku bezpośrednim przy skrajnie niskiej prędkości obrotowej silnika. Aby wyznaczyć prąd zastępczy podany zależnością (1), konieczne jest wyznaczenie widma amplitudowego odkształconego prądu ziemnozwarciowego (rys. 2 do 5). Podjęto próbę wyznaczenia dopuszczalnego, ze względu na fibrylację serca, prądu rażeniowego zawierającego wiele wyższych harmonicznych. Założono, że przy 5 Hz można dopuścić prąd o wartości 3 ma. Analizowano przebiegi prądów ziemnozwarciowych w obwodzie silnika zasilanego z przemiennika częstotliwości przy następujących częstotliwościach użytkowych: 5 Hz, 4 Hz, 3 Hz, 25 Hz, 2 Hz, 1 Hz, 5 Hz, 1 Hz. W zakresie niskich częstotliwości są składowe o częstotliwości użytkowej, jej 3. harmoniczna i składowa o częstotliwości 15 Hz, którym przypisano odpowiednie współczynniki K. Częstotliwość harmonicznych wysokich rzędów zależy od częstotlif wości impulsowania. Jeżeli jednak przyjąć, że dla częstotliwości równej lub większej niż 1 Hz wartość prądu określająca próg fibrylacji jest niezmienna, to przy częstotliwości impulsowania nie mniejszej niż 1 Hz składowym o większej częstotliwości można przypisać jednakowy współczynnik K, co upraszcza obliczenia. f Wyniki analizy (rys. 11) przedstawiono na tle prądu zadziałania wybranych wyłączników różnicowoprądowych, który otrzymano instalując kolejno wyłączniki w obwodzie zasilającym przemiennika i symulując na zaciskach silnika doziemienie przez regulowaną rezystancję. Przy prędkościach obrotowych niewiele mniejszych od znamionowej jest duże prawdopodobieństwo, że prąd zadziałania wyłącznika 16

9 różnicowoprądowego nie przekroczy progu fibrylacji. Przy niskich prędkościach obrotowych silnika prąd zadziałania wyłączników, niestety, silnie wzrasta. Co gorsza, przy tych prędkościach niektóre wyłączniki różnicowoprądowe o I n = 3 ma nie reagują na prąd różnicowy o wartości nawet kilku amperów. Tak jest w przypadku badanego wyłącznika RCD17 (brak reakcji przy częstotliwościach użytkowych równych 5 Hz i 1 Hz). Rys. 11. Prąd zadziałania wybranych wyłączników różnicowoprądowych o I n = 3 ma przy różnych prędkościach obrotowych silnika zasilanego z przemiennika częstotliwości; f M częstotliwość użytkowa silnika. Wyłączniki różnicowoprądowe: RCD5 typ AC, bezzwłoczny, RCD17 typ A, bezzwłoczny Czułość wyłączników różnicowoprądowych przy prądach różnicowych o znacznym udziale wyższych harmonicznych jest związana z charakterystykami częstotliwościowymi prądu zadziałania wyłączników [4, 5]. Znając te charakterystyki można wstępnie ocenić, czy wyłącznik będzie wyzwalał w najmniej korzystnym dla niego przypadku, czyli przy skrajnie niskiej prędkości obrotowej. Należy również znać częstotliwość impulsowania przemiennika. Z analizy działania wielu wyłączników różnicowoprądowych wynika, że jeżeli przy częstotliwości prądu różnicowego sinusoidalnego 1 Hz wyłącznik wyzwala np. przy 1 ma, to przy skrajnie niskiej prędkości obrotowej i częstotliwości impulsowania równej 1 Hz prąd zadziałania tego wyłącznika też będzie nie większy niż 1 ma. Podobnie jest przy innej częstotliwości impulsowania. Jeżeli będzie ona wynosić 3 Hz, to należy określić prąd zadziałania wyłącznika dla tej częstotliwości prądu sinusoidalnego i można się spodziewać, że przy skrajnie niskiej prędkości obrotowej jego pobudzenie nastąpi przy nie większej wartości prądu różnicowego niż to miało miejsce przy prądzie sinusoidalnym o częstotliwości 3 Hz. 5. Wnioski Odkształcenie prądu ziemnozwarciowego w obwodzie silników zasilanych z pośrednich przemienników częstotliwości pogarsza czułość wyłączników różnicowoprądowych, a niektóre wyłączniki nie reagują nawet na bardzo duży prąd różnicowy. Niewielkie pogorszenie czułości wyłączników niekoniecznie oznacza nieskuteczną Nr

10 ochronę przeciwporażeniową uzupełniającą, ponieważ przy prądach zawierających wyższe harmoniczne próg fibrylacji przesuwa się w kierunku większych wartości prądu. Dla określenia dopuszczalnej, ze względu na fibrylację serca, wartości prądu rażeniowego konieczna jest analiza widmowa prądu ziemnozwarciowego. Określenie tej wartości pozwala wstępnie określić wymaganą czułość wyłączników różnicowoprądowych w danym układzie. 6. Literatura 1. Czapp S., Włas M.: Działanie wyłączników różnicowoprądowych przy doziemieniu silnika zasilanego z przemiennika częstotliwości. Przegląd lektrotechniczny, 21, nr 4, s Czapp S.: Wyłączniki różnicowoprądowe w ochronie przeciwporażeniowej przy odkształconym prądzie różnicowym. Seria Monografie, nr 99, Politechnika Gdańska, Gdańsk Czapp S.: The effect of earth fault current harmonics on tripping of residual current devices. Przegląd lektrotechniczny, 29, nr 1, Czapp S.: Działanie wyłączników różnicowoprądowych przy podwyższonej częstotliwości prądu różnicowego. lektro.info, 28, nr 1 (68), s Czapp S.: Czułość wyłączników różnicowoprądowych przy prądzie różnicowym przemiennym o częstotliwości innej niż 5 Hz i przy prądzie różnicowym stałym. INP: Informacje o Normach i Przepisach lektrycznych, Miesięcznik SP, 27, nr 96, s Czapp S.: Badanie wpływu wyższych harmonicznych na czułość wyłączników różnicowoprądowych typu AC i A. INP: Informacje o Normach i Przepisach lektrycznych, Miesięcznik SP, 27, nr 97, s IC TS :25 ffects of current on human beings and livestock. Part 1: General aspects. 8. IC TS :27 ffects of current on human beings and livestock. Part 2: Special aspects. 9. Musiał.: Zabezpieczanie silników zasilanych z pośrednich przemienników częstotliwości. INP: Informacje o Normach i Przepisach lektrycznych, Miesięcznik SP, 24, nr 59-6, s PN-HD :29 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym. 11. Schoneck J., Nebon Y.: LV protection devices and variable speed drives. Cahier technique no. 24. Schneider lectric