Badanie skuteczności ochrony przeciwporażeniowej

Transkrypt

1 Szkoła Główna Służby Pożarniczej Katedra Techniki Pożarniczej Zakład Elektroenergetyki Badanie skuteczności ochrony przeciwporażeniowej Opracował: mł. bryg. dr inż. Ryszard Chybowski mł. bryg. dr inż. Piotr Kustra Warszawa 2011

2 1. Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie ze sposobami ochrony przeciwporażeniowej zarówno przed dotykiem bezpośrednim (ochrona podstawowa) jak i dotykiem pośrednim (ochrona dodatkowa). 2. Wprowadzenie ogólne Prąd elektryczny może wywierać ujemne działanie na organizm człowieka w zależności od czasu narażenia oraz od wartości jego natężenia. Przykłady negatywnego wpływu prądu elektrycznego na organizm ludzki to między innymi: zaburzenia pracy serca, utrata przyjemności, zaburzenia czynności organów wywołanych zmianami elektrolitycznymi w płynach ustrojowych, poparzenie skóry i mięśni, oślepienia. Czynniki decydujące o stopniu zagrożenia porażeniem prądem elektrycznym to: Natężenie prądu wrażeniowego (przy przepływie przez człowieka prądu o natężeniu powyżej 12mA i częstotliwości 50 Hz człowiek nie może się sam uwolnić spod napięcia), Rodzaju prądu, dopuszczalna wartość natężenia prądu stałego jest większa niż dla prądu przemiennego, Droga przepływu prądu przez organizm, Czas trwania rażenia. Z porażeniem można mieć do czynienia w dwóch przypadkach, a mianowicie: W przypadku dotknięcia metalowej części obwodu elektrycznego w trakcie normalnej pracy urządzenia, W przypadku dotknięcia metalowej obudowy urządzenia, na której pojawiło się napięcie spowodowane awarią urządzenia (najczęściej z powodu uszkodzenia izolacji), Ochrona przeciwporażeniowa obsługi oraz użytkowników urządzeń i instalacji elektrycznych powinna być realizowana w taki sposób, aby w przypadku różnorodnych uszkodzeń urządzeń i instalacji oraz błędnych działań i zachowań ludzi nastąpiło: Ograniczenie prądów wrażeniowych przepływających przez człowieka do wartości nie większych niż uznane za bezpieczne w danych warunkach, Ograniczenie czasu przepływu prądu wrażeniowego przez szybkie wyłączenie uszkodzonych urządzeń. 2

3 Ochrona przed porażeniem w trakcie normalnej pracy urządzeń jest nazywana ochroną przed dotykiem bezpośrednim (ochrona podstawowa), a ochrona w przypadkach awarii nosi nazwę ochrony przed dotykiem pośrednim (ochrona dodatkowa). W praktyce występuje ochrona zarówno przed dotykiem bezpośrednim jak i pośrednim, np. zastosowanie bardzo niskiego napięcia. Do środków ochrony przed dotykiem bezpośrednim zalicza się: Izolację części czynnych obwodów elektrycznych, Ogrodzenia, przegrody i obudowy (osłony) Bariery (przeszkody), Umieszczanie części czynnych poza zasięgiem ręki. Części czynne (znajdujące się pod napięciem) powinny być całkowicie pokryte izolację, która może być usunięta tylko przez jej zniszczenie. Rezystancja izolacji nie powinna być mniejsza niż 1000 Ω na 1V znamionowego napięcia zasilającego. Ochrona przy użyciu ogrodzenia lub obudowy, które muszą być trwałe, stabilne polega na umieszczeniu części czynnych urządzenia wewnątrz tych elementów. Obudowy lub ogrodzenia muszą mieć odpowiedni stopień ochrony uniemożliwiający podłączenie się pod napięcie w sposób nieuprawniony, np. drutem. Ochrona przy użyciu bariery (przeszkody) polega na uniemożliwieniu niezamierzonego zbliżenia lub dotknięcia ciałem części urządzenia będących pod napięciem niebezpiecznym. Części przewodzące jednocześnie dostępne o różnych potencjałach powinny znajdować się w odległości od siebie większej niż 2,5 m. Jeżeli w pomieszczeniu wykonuje się czynności przy użyciu dużych przedmiotów przewodzących, odległość ta powinna zostać zwiększona. Jest to ochrona przez umieszczenie przedmiotów poza zasięgiem ręki. Do najbardziej rozpowszechnionych sposobów ochrony przed dotykiem pośrednim jest zastosowanie samoczynnego szybkiego wyłączenia. Urządzenia ochronne powinny w bardzo krótkim czasie samoczynnie wyłączyć zasilanie obwodu lub urządzenia chronionego przed dotykiem pośrednim, aby w następstwie zwarcia między elementem pod napięciem a obudową dowolną dostępną częścią przewodzącą, spodziewane napięcie na części przewodzącej nie spowodowało przepływu prądu wrażeniowego niebezpiecznego dla człowieka. Najdłuższe dopuszczalne czasy wyłączenia zależą od napięcia znamionowego względem ziemi i od układu sieci. Układy sieci są pokazane na rys. 1. Do roku 1993 w obwodach elektrycznych powszechnego użytku obowiązywał układ TN-C (rys. 1a). Ochrona przed dotykiem pośrednim w tym układzie polega głównie na zerowaniu ochronnym. Zerowanie ochronne polega na połączeniu metalowych części urządzeń elektrycznych, które w warunkach normalnej pracy nie znajdują się pod napięciem (np. obudów)) z przewodem neutralnym N (zerowym). Zabezpieczenie przed porażeniem za pomocą zerowania ochronnego jest pokazane na rys. 2. 3

4 Rys. 1. Schematy stosowanych układów zasilania sieci niskiego napięcia. a) układ sieci TN-C, b) układ sieci TT, c) układ sieci TN-C-S, d) układ sieci IT, e) układ sieci TN-S, f) układ sieci IT z zabezpieczeniem iskiernikowym. Rys. 2. Przykład zabezpieczenia przed porażeniem za pomocą zerowania ochronnego. 4

5 W przypadku uszkodzenia izolacji obwodu elektrycznego urządzenia (na rys. 2 przebicia izolacji uzwojenia do obudowy silnika) na jego obudowie pojawia się napięcie względem ziemi. Poprzez zerowanie obwód zwarcia jest zamknięty, w którym zaczyna płynąć prąd zwarcia I z o wartości wynikającej z zależności: = = + gdzie: I z prąd zwarcia, U f napięcie fazowe Z p impedancja pętli zwarciowej (suma impedancji przewodów i uzwojenia wtórnego transformatora) Prąd zwarcia powinien w stosunkowo krótkim czasie (0,05 0,4 s) spowodować zadziałanie zabezpieczenia nadmiarowo prądowego i odłączenie uszkodzonej fazy od sieci zasilającej. W przypadku zabezpieczeń topikowych następuje przepalenie wkładki topikowej, natomiast w przypadku bezpiecznika automatycznego zadziałanie wyzwalacz elektromagnetycznego. Warunek skuteczności zerowania ochronnego: = gdzie: I w prąd wyłączający zabezpieczenia, I bn prąd znamionowy bezpiecznika, k współczynnik zależny od rodzaju zabezpieczenia. Zerowanie ochronne w celu zapewnienia dużej niezawodności musi spełniać jeszcze: przewód neutralny (zerowy) powinien być uziemiony w punkcie zasilania (przy transformatorze) za pomocą uziemienia o rezystancji R 5Ω, przewód zerowy powinien być uziemiony wzdłuż trasy linii, w przewodzie zerowym nie może być żadnych zabezpieczeń i aparatów łączeniowych, przekrój przewodu zerującego powinien być dostosowany do przewodów fazowych. W chwili obecnej w obwodach powszechnego użytku obowiązuje układ sieci TN-S, czyli oddzielny przewód neutralny i ochronny. W tym układzie nie ma pojęcia zerowania z uwagi na fakt łączenia obudowy urządzeń z przewodem ochronnym i uzyskania prądu zwarcia w przypadku zniszczenia izolacji. Zastosowanie dodatkowego przewodu do instalacji elektrycznej, tzn. przewodu ochronnego, umożliwiło stosowanie wyłączników różnicowoprądowych. Podstawowym elementem wyłącznika różnicowoprądowego jest przekładnik sumujący (rys. 3). 5

6 Rys. 3. Wyłącznik różnicowoprądowy o działaniu bezpośrednim. a) szkic przedstawiający zasadę budowy, b) sposób instalowania, 1 przekładnik sumujący, 2 przekładnik różnicowoprądowy, 3 zamek wyłącznika, R d opornik ograniczający, PK przycisk kontrolny. W przypadku, gdy w obwodzie odbierającym energię elektryczną nie ma uszkodzenia to suma geometryczna prądów płynących przez przekładnik jest równa zeru i nie ma sygnału na wyłączenie. W przypadku uszkodzenia izolacji (popłynie prąd doziemny) suma geometryczna prądów będzie różna od zera i wystąpi zaindukowanie napięcia w obwodzie przekładnika i przepływ prądu przez cewkę urządzenia wyłączającego zasilanie odbiornika. Wyłączniki różnicowoprądowe występują jako jednofazowe i trójfazowe z czułościami prądowymi 10, 30, 100, 300, 500 ma. Jako środek ochrony przed dotykiem pośrednim stosuje się obniżenie napięcia roboczego. Wykorzystuje się w tym celu transformatory bezpieczeństwa z napięciem znamionowym nieprzekraczającym 50 V. Obudowy urządzeń zasilane napięciem obniżonym powinny być odizolowane od ziemi i od obwodów innych urządzeń. Przewody i sprzęt instalacyjny obudów o napięciu obniżonym powinny mieć izolację na napięcie znamionowe, co najmniej 250 V. Urządzenia elektryczne będą chronione dodatkowo, czyli przed dotykiem pośrednim zastosowania urządzeń II klasy ochronności. Są to urządzenia o izolacji podwójnej, fabrycznie w pełni izolowane (oznaczone ). Ochronę przed dotykiem pośrednim można uzyskać za pomocą izolowania stanowiska. Ochrona taka jest zapewniona, gdy nie można dotknąć równocześnie dwóch części przewodzących, co jest spełnione, gdy części te są oddalone od siebie o więcej niż 2 m lub umieszczone jest między nimi przegroda. Rezystancja ścian i podłóg musi mieć 6

7 odpowiednią wartość. W przypadku połączenia za pomocą przewodów wszystkich dostępnych jednocześnie części przewodzących uzyskamy ochronę dodatkową. Ochrona taka zapobiega powstaniu niebezpiecznej różnicy potencjałów między tymi częściami. Ochronę można również uzyskać zasilając urządzenie ze źródła separacyjnego (np. transformatora separacyjnego). Napięcie wyjściowe takiego źródła nie może przekroczyć 500 V, a części czynne separowanych obwodów nie powinny być połączone w żadnym punkcie z innym obwodem lub ziemią. Separowane może być jedno urządzenie lub grupa urządzeń. Opracowanie wyników pomiarów 1. Przeprowadzić dyskusje otrzymanych wyników. 2. Podać wnioski z przeprowadzonych pomiarów. Zagadnienia i pytania kontrolne 1. Na czym polega ochrona przed dotykiem bezpośrednim? 2. Na czym polega ochrona przed dotykiem pośrednim? 3. Narysuj układ zasilania TN-C. 4. Narysuj układ zasilania TN-S. 5. Budowa i zasada działania wyłącznika różnicowoprądowego. Literatura 1. Henryk Markiewicz, Instalacje elektryczne, WNT Ryszard Chybowski, Laboratorium profilaktyki pożarowej w elektroenergetyce, Warszawa Praca zbiorowa, Poradnik inżyniera elektryka, WNT