7. WYŁĄCZNIKI PRZECIWPORAŻENIOWE RÓŻNICOWOPRĄDOWE I WARUNKI ICH STOSOWANIA

Transkrypt

1 7. WYŁĄCZNIKI PRZECIWPORAŻENIOWE RÓŻNICOWOPRĄDOWE I WARUNKI ICH STOSOWANIA 7.1. Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jest poznanie podstawowych wiadomości z zakresu budowy, zasady działania, warunków instalowania, metod badania i kontroli wyłączników przeciwporażeniowych różnicowoprądowych Wiadomości podstawowe Budowa i działanie wyłączników różnicowoprądowych. Obecnie na świecie istnieje wiele rozwiązań wyłączników różnicowoprądowych, oznaczanych powszechnie ogólnym symbolem RCD (ang. Residual Current protective Device). Z uwagi na zasadę działania wyłączników różnicowoprądowych można je podzielić na: wyłączniki o działaniu bezpośrednim, wyłączniki o działaniu pośrednim. Wyłączniki o działaniu bezpośrednim są stosowane powszechnie w Europie, natomiast o działaniu pośrednim w USA i w Kanadzie. Zasadę budowy wyłącznika różnicowoprądowego i sposób jego przyłączania do sieci przedstawia rys Podstawowym elementem wyłącznika różnicowoprądowego jest przekładnik sumujący Ferrantiego 1, przez którego rdzeń magnetyczny (okno Ferrantiego) przeprowadzone są przewody fazowe L i neutralny N. Na rdzeniu przekładnika Ferrantiego nawinięte jest uzwojenie wtórne zasilające przekaźnik różnicowoprądowy 2. Układ pomiarowy reaguje na różnicę pomiędzy strumieniami magnetycznymi wywołanymi przepływającymi prądami w przewodach fazowych i neutralnych. W warunkach normalnej pracy suma geometryczna prądów płynących przewodami fazowymi i neutralnym wynosi zero: i i + i + i 0 (7.1) L1 + L2 L3 N = W takim przypadku wypadkowy strumień magnetyczny płynący w rdzeniu przekładnika Ferrantiego wynosi zero (Φ = 0). W przypadku wystąpienia w chronionym obwodzie uszkodzenia izolacji przewodów fazowych lub neutralnego nastąpi przepływ prądu i w przewodzie ochronnym PE lub do ziemi. Prowadzi to do zakłócenia stanu równowagi strumieni magnetycznych i pojawienia się w rdzeniu przekładnika Ferrantiego niezerowego

2 strumienia, który indukuje napięcie w uzwojeniu przekaźnika różnicowoprądowego. Jeżeli prąd różnicowy przekroczy wartość progową pobudzenia przekaźnika, to nastąpi jego zadziałanie, prowadzące do odblokowania zamka 3 i otwarcia wyłącznika. Rys Wyłącznik różnicowoprądowy (czterobiegunowy) o działaniu bezpośrednim [7.1]: a) zasada budowy; b) sposób przyłączenia do sieci : 1 przekładnik sumujący Ferrantiego, 2 przekaźnik (wyzwalacz) różnicowoprądowy, 3 zamek wyzwalacza, PK przycisk kontrolny, R d rezystor ograniczający, K odbiornik. Do sprawdzenia technicznej sprawności członu wyzwalającego wyłącznika służy układ modelujący uszkodzenie obwodu składający się z przycisku kontrolnego PK i rezystora ograniczającego wartość zamodelowanego prądu upływnościowego do wartości nieznacznie przekraczających wartość prądu pobudzenia przekaźnika różnicowoprądowego. W wyłącznikach różnicowoprądowych o działaniu bezpośrednim (rys. 7.1) wyzwalacz wyłącznika jest pobudzany jedynie prądem różnicowym, bez konieczności obecności napięcia w sieci. Współczesne konstrukcje wyłączników o działaniu bezpośrednim oparte są praktycznie wyłącznie o wykorzystanie przekaźników (wyzwalaczy) różnicowoprądowych spolaryzowanych. Zasadę budowy takiego

3 przekaźnika przedstawiono na rys Istota działania przekaźnika spolaryzowanego polega na podtrzymaniu w warunkach normalnej pracy ruchomej zwory przekaźnika przez magnes trwały (rys. 7.2a). W przypadku wystąpienia prądu upływnościowego w rdzeniu przekaźnika wytwarza się strumień magnetyczny skierowany przeciwnie do strumienia magnesu trwałego. Strumień magnesu trwałego ulega osłabieniu i dzięki sprężynie zwrotnej następuje odpadnięcie zwory przekaźnika sprzężone mechanicznie z wyzwoleniem zamka wyłącznika (rys. 7.2b). Zastosowanie przekaźnika spolaryzowanego pozwala na uzyskanie wysokoczułych a jednocześnie zminiaturyzowanych przekaźników Ferrantiego. Rys.7.2. Przekaźnik (wyzwalacz) różnicowoprądowy spolaryzowany z magnesem trwałym z uproszczonym przedstawieniem drogi przepływu strumieni magnetycznych [7.1]: a) w stanie normalnej pracy; b) przy wystąpieniu prądu różnicowego. W wyłącznikach o działaniu pośrednim stosuje się specjalne wzmacniacze prądowe, których zadaniem jest zapewnienie dużej mocy do potrzebnej do zadziałania wyzwalacza wyłącznika. Umożliwia to stosowanie przekładników Ferrantiego zbudowanych z materiałów o gorszych parametrach magnetycznych. Wyłączniki takie nie mogą jednak działać w warunkach znacznych wahań lub zaników napięcia oraz przerwy w obwodzie zasilania wzmacniacza. Z uwagi na możliwości wyłączania prądów zwarciowych można podzielić konstrukcje wyłączników różnicowoprądowych na dwie grupy: RCCB wyłączniki różnicowoprądowe bez wyzwalaczy nadprądowych (ang. Residual Current operated Circuit Breaker without integral overcurrent protection), RCBO wyłączniki różnicowoprądowe z wyzwalaczami nadprądowymi (ang. Residual Current operated Circuit Breaker with integral Overcurrent protection), w Polsce przyjęła się nazwa wyłącznik zintegrowany.

4 Wyłączniki typu RCCB wymagają z reguły dobezpieczenia bezpiecznikiem, co jest zaznaczone na obudowie wyłącznika symbolem bezpiecznika. Wyłączniki typu RCBO są wyposażone, podobnie jak wyłączniki instalacyjne w wyzwalacze nadprądowe (przeciążeniowe i zwarciowe) o charakterystykach typu B,C. Charakteryzują się one w porównaniu do wyłączników typu RCCB dłuższymi czasami zadziałania oraz bardziej złożoną, a więc tym samym bardziej zawodną konstrukcją. Z uwagi na kształt przebiegu prądu upływnościowego, na który reagują wyłączniki różnicowoprądowe, można podzielić ich konstrukcje na 3 rodzaje: wyłącznik typu AC działający pod wpływem prądu różnicowego sinusoidalnego, wyłącznik typu A działający przy prądzie sinusoidalnie zmiennym i przy prądzie stałym pulsującym ze składową stałą nie przekraczającą 6 ma, wyłącznik typu B działający przy prądzie przemiennym, stałym pulsującym i stałym. Ze względu na czas działania rozróżnia się generalnie: wyłączniki różnicowoprądowe bezzwłoczne, wyłączniki zwłoczne (selektywne) typu S do układów wymagających selektywności. Typ wyłącznika jest oznaczony na jego obudowie odpowiednim symbolem (tab. 7.1). Wyłączniki różnicowoprądowe produkowane są na różne wartości prądu znamionowego ciągłego oraz prądu znamionowego różnicowego. Zalecane wartości [7.2] prądu znamionowego I n wynoszą: A. Produkowane są także wyłączniki na prądy i 250 A. Wartości znormalizowane prądu znamionowego różnicowego wynoszą: ma. Wartości znormalizowane znamionowej obciążalności zwarciowej wynoszą: A Jako wykonanie normalne wyłącznika traktuje się wytrzymałość zwarciową równą 6000 A, przy dobezpieczeniu wkładką bezpiecznikową typu gg 63 A. Jeżeli dla danego wyłącznika dopuszczalny jest prąd znamionowy wkładki bezpiecznikowej większy od 63 A, to na obudowie wyłącznika podana będzie wartość tego prądu (tab.7.1).

5 Tab Wykaz ważniejszych symboli i oznaczeń na obudowach wyłączników różnicowoprądowych. Symbol lub AC lub A lub B Opis przeznaczenia wyłącznika Przeznaczony do stosowania w sieciach z prądem różnicowym sinusoidalnie zmiennym doprowadzonym w sposób ciągły lub wolno narastającym. Przeznaczony do stosowania w sieciach z prądem różnicowym sinusoidalnie zmiennym i stałym pulsującym ze składową stałą nieprzekraczającą 6 ma. Przeznaczony do stosowania w sieciach z prądem różnicowym: sinusoidalnie zmiennym, stałym pulsującym ze składową stałą do 6 ma, stałym. Wyłącznik zwłoczny (selektywny). In = 25 A Wyłącznik typu RCCB na prąd znamionowy 25 A. B 25 Wyłącznik typu RCBO na prąd znamionowy 25 A o charakterystyce wyzwalaczy nadprądowych typu B. I n 0,030 A Znamionowy prąd różnicowy (czułość) wyłącznika. Obciążalność zwarciowa wyłącznika 6 ka (przy dobezpieczeniu bezpiecznikiem gg o prądzie znamionowym wkładki I bn 63 A. Obciążalność zwarciowa wyłącznika 10 ka (przy dobezpieczeniu bezpiecznikiem gg o prądzie znamionowym wkładki I bn 63 A. Obciążalność zwarciowa wyłącznika 10 ka (przy dobezpieczeniu bezpiecznikiem gg o prądzie znamionowym wkładki I bn 160 A C lub brak Wyłącznik przeznaczony do pracy w nieogrzewanym pomieszczeniu. Wyłącznik mrozoodporny, przeznaczony do pracy na wolnym powietrzu przy najniższej temperaturze otoczenia 25 0 C Warunki doboru wyłączników różnicowoprądowych. Prawidłowy dobór wyłącznika różnicowoprądowego wymaga spełnienia szeregu warunków. W przeciwnym może dojść do sytuacji, gdy wyłącznik nie zadziała właściwie w sytuacji zagrożenia porażeniowego lub będzie on powodował zbędne zadziałania, uniemożliwiając prawidłową pracę instalacji.

6 Dobór ze względu na znamionowy prąd różnicowy. Dobór wartości znamionowego prądu różnicowego wyłącznika różnicowoprądowego wymaga uwzględnienia spodziewanych wartości prądów upływnościowych w instalacji, w której ma pracować wyłącznik oraz funkcji jaką ma on spełniać. Z uwagi na prądy upływnościowe urządzeń i przewodów istotny jest podział instalacji już na etapie projektowania na wydzielone układy i grupy odbiorników, tak ażeby ograniczyć możliwość zbędnych wyłączeń. Ze względu na wartość znamionowego prądu różnicowego wyłączniki mogą spełniać różne funkcje: - I n 1 A ochrona przeciwporażeniowa dodatkowa poza warunkami szczególnego zagrożenia przy zastosowaniu wyłącznika o działaniu bezpośrednim; - I n 30 ma ochrona przeciwporażeniowa przed dotykiem bezpośrednim dodatkowa oraz uzupełniająca w warunkach szczególnych. Wymagany jest wyłącznik o działaniu bezpośrednim; - I n 30 ma tylko ochrona przeciwporażeniowa uzupełniająca w przypadku zastosowania wyłącznika o działaniu pośrednim; - I n 500 ma ochrona przeciwpożarowa (ochrona przed pożarami powodowanymi prądami doziemnymi). Dobór ze względu na prąd znamionowy. Należy dobrać wyłącznik o prądzie znamionowym nie mniejszym od prądu szczytowego obwodu, ewentualnie z uwzględnieniem zwiększenia temperatury otoczenia ponad obliczeniową temperaturę otoczenia. Dobór ze względu na wartość napięcia znamionowego. Ze względu na zdolność łączenia napięcie wyłącznika nie może być mniejsze od napięcia znamionowego instalacji. Ze względu na działanie układu testu z przyciskiem kontrolnym nie powinno być natomiast większe od napięcia instalacji. Dobór ze względu na wartość częstotliwości znamionowej. Wyłącznik różnicowoprądowy bez oznaczenia częstotliwości jest przystosowany do pracy w instalacjach 50 Hz (60 Hz). Z uwagi na poprawność działania przekaźnika różnicowoprądowego nie będzie on prawidłowo pracował w obwodach o zwiększonej częstotliwości. Należy wtedy zastosować wyłącznik odpowiednio oznaczony (400 Hz). Dobór ze względu na obciążalność zwarciową. Należy zwrócić uwagę, czy początkowy prąd zwarciowy w miejscu zainstalowania wyłącznika nie przekracza znamionowej obciążalności wyłącznika i na konieczność ewentualnego dobezpieczenia bezpiecznikiem. Dobór ze względu na czas zadziałania. W obwodach, w których wymagane jest uzyskanie selektywności zadziałania, należy dobrać w odpowiednich punktach wyłączniki selektywne. Uzyskanie warunku selektywności wymaga jednakże odpowiedniego zróżnicowania znamionowych prądów różnicowych wyłączników mających pracować selektywnie. Najczęściej wyłączniki muszą spełniać warunek 3- lub nawet 5-krotnej różnicy prądów I n.

7 Dobór ze względu na rodzaj odbiorników. Należy dobrać odpowiedni typ wyłącznika (AC, A, B) w zależności od rodzaju urządzeń w instalacji i spodziewanych odkształceń przebiegu sinusoidalnego w sieci. Dobór ze względu na warunki środowiskowe. Należy sprawdzić czy temperatury pracy wyłącznika nie przekraczają zakresu temperatur znamionowych. W przypadku ewentualnego narażenia wyłącznika na zapylenie albo działanie wody należy rozważyć konieczność doboru obudowy o odpowiednim stopniu ochrony IP Sprawdzenie skuteczności działania wyłączników różnicowoprądowych. Po sprawdzeniu na drodze oględzin warunków prawidłowego doboru wyłącznika różnicowoprądowego należy sprawdzić w sposób pomiarowy poprawność jego działania i skuteczność ochrony przeciwporażeniowej. Brak jest niestety dokładnych wytycznych co do zakresu i częstości wymaganych badań [7.3]. Przyjmuje się jednakże, że sprawdzenie to powinno obejmować: Sprawdzenie poprawności działania wyłącznika. Odbywa się za pomocą układu kontrolnego wyłącznika z przyciskiem testowym. Producenci wyłączników zalecają przeprowadzanie sprawdzenia działania wyłącznika różnicowoprądowego raz na miesiąc. W praktyce powinno się to odbywać częściej. Pomiar rezystancji uziemienia przewodu ochronnego PE lub impedancji pętli zwarcia. Zmierzona wartość rezystancji nie powinna przekraczać wartości dopuszczalnej dla danego wyłącznika (tab. 7.2). Pomiar rezystancji pętli zwarciowej może wymagać w przypadku zastosowania niektórych typów mierników zbocznikowania wyłącznika różnicowoprądowego, aby nie powodować jego zadziałania w czasie przeprowadzania pomiaru. Tab Wartości największych dopuszczalnych rezystancji uziemień ochronnych i pętli zwarciowych dla obwodów z wyłącznikami różnicowoprądowymi. Rodzaj wyłącznika różnicowoprądowego Napięcie dopuszczalne dotykowe Rezystancja dopuszczalna R d I n 10 ma 30 ma 100 ma 300 ma 500 ma 50 V 5000 Ω 1666 Ω 500 Ω 166 Ω 100 Ω Bezzwłoczny 25 V 2500 Ω 833 Ω 250 Ω 83 Ω 50 Ω 50 V Ω 83 Ω 50 Ω Selektywny 25 V Ω 41Ω 25 Ω Uwaga: zaleca się żeby w każdym przypadku R d 500 Ω.

8 Sprawdzenie wartości prądu zadziałania wyłącznika. Odbywa się najczęściej za pomocą specjalnego miernika (testera) wyłączników różnicowoprądowych. Większość dostępnych mierników ma możliwość pomiaru przy przebiegu sinusoidalnym i dlatego nadaje się do badania wyłączników typu AC lub A. Wartość różnicowego prądu zadziałania o przebiegu sinusoidalnym wyłącznika różnicowoprądowego powinna się zawierać w przedziale (0,50 1,0) I n. Pomiar prądu zadziałania wyłączników typu B wymaga zastosowania specjalnych testerów umożliwiających wymuszenie stałego prądu różnicowego. Wartości prądów zadziałania wyłączników różnicowoprądowych przy różnych przebiegach prądu różnicowego zestawiono w tab. 7.3 [7.1]. Pomiar czasu wyłączenia wyłącznika. Odbywa się za pomocą miernika (testera) wyłączników różnicowoprądowych. W tab. 7.4 zestawiono znormalizowane wartości czasów zadziałania wyłączników różnicowoprądowych przy prądach różnicowych równych odpowiednio: I n, 2x I n, 5x I n dla wyłączników typu AC. Dla sprawdzenia skuteczności ochrony wystarczające jest spełnienie warunku przy prądzie różnicowym równym I n. Należy zwrócić uwagę, że większość dostępnych popularnych mierników mierzy czas zadziałania przy rzeczywistym prądzie zadziałania wyłącznika, a nie przy wartości znamionowego prądu różnicowego I n Niezbędne przygotowanie studenta Studentów przystępujących do ćwiczenia obowiązuje znajomość budowy, zasady działania i metod badania wyłączników różnicowoprądowych zawartych w odpowiednich rozdziałach publikacji [7.1] i [7.2] Opis stanowiska laboratoryjnego Badanie skuteczności działania wyłączników różnicowoprądowych przeprowadzone są na stanowisku laboratoryjnym, którego ogólny schemat ideowy przedstawiony został na rys Stanowisko umożliwia modelowanie różnych układów sieci zasilającej. Na panelu zamontowane zostały wyłączniki różnicowoprądowe z wyprowadzonymi zaciskami laboratoryjnymi umożliwiającymi podłączenie odbiorników bądź przyrządów pomiarowych oraz dodatkowo wyłącznik silnikowy oraz bezpieczniki topikowe. Pomiary działania wyłączników różnicowoprądowych na stanowisku wykonywane są za pomocą: miernika zabezpieczeń róznicowoprądowych typu MRP- 1 firmy TIM Sp. z o.o., przyrządu do badania stanu technicznego instalacji elektrycznych typu ULTRA-EASY firmy Amprobe.

9 Tab Szkice układów prostownikowych, przebiegi prądów jednofazowych zwarć doziemnych oraz zakresy prądów wyzwalających wyłączników różnicowoprądowych.

10 Tab Wartości znormalizowanych czasów zadziałania wyłączników różnicowoprądowych typu AC przy wystąpieniu prądu różnicowego. Typ wyłącznika AC Prąd znamionowy I n Znamionowy Czas zadziałania prąd Prąd różnicowy: różnicowy I n I n 2xI n 5xI n Bezzwłoczny dowolny dowolny 300 ms 150 ms 40 ms Zwłoczny (selektywny) typu S 25 A 30 ma 500 ms 200 ms 150 ms 130 ms 60 ms 50 ms Uwagi Najdłuższy czas zadziałania Najdłuższy czas zadziałania Najkrótszy czas niezadziałania Rys Ogólny schemat ideowy stanowiska laboratoryjnego do badania skuteczności działania wyłączników różnicowoprądowych i ochrony przeciwporażeniowej Program ćwiczenia Program ćwiczenia obejmuje: 1. Zapoznanie się z budową stanowiska laboratoryjnego. 2. Zamodelowanie zadanego przez prowadzącego układu sieci. 3. Dokonanie oględzin i sprawdzenia poprawności doboru zainstalowanych wyłączników różnicowoprądowych. 4. Zapoznanie się instrukcją obsługi mierników do pomiaru wyłączników różnicowoprądowych. 5. Pomiar skuteczności działania wyłączników różnicowoprądowych.

11 7.5. Sposób opracowania wyników badań Opisać sposób przeprowadzenia pomiarów. Zamieścić schematy zrealizowanych układów probierczych. Otrzymane wyniki pomiarów i obliczeń należy zapisać w tabelach oraz wypełnić protokół z badań skuteczności ochrony przeciwporażeniowej (zał. 6.1). Na podstawie otrzymanych wyników ocenić skuteczność działania badanych wyłączników różnicowoprądowych i ochrony przeciwporażeniowej Literatura [7.1] Markiewicz H.: Bezpieczeństwo w elektroenergetyce. WNT Warszawa [7.2] Markiewicz H. Instalacje elektryczne, WNT Warszawa 2002 r. [7.3] PN IEC :2000. Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Sprawdzanie. Sprawdzanie odbiorcze. [7.4] Instrukcja obsługi. Miernik zabezpieczeń różnicowoprądowych typ MRP-1, TIM Sp.z o.o. [7.5] Instrukcja obsługi. ULTRA EASY. AMPROBE.

12 Załącznik , dnia... PROTOKÓŁ nr... Badania skuteczności ochrony przeciwporażeniowej przy urządzeniach elektrycznych z zastosowaniem wyłącznika różnicowoprądowego. Nazwa obiektu... Adres... Miejsce zainstalowania... Warunki środowiskowe 1) 1) niepotrzebne skreślić zapylenie, mróz, zawilgocenie, woda kapiąca, rozbryzgi wody, drgania, U o = 25V 50 V 1) Wyłącznik różnicowoprądowy Producent... Ocena Typ... RCCB-RCBO 1) dobrze źle Napięcie znamionowe U =... Znamionowy prąd ciągły I =... Znamionowy prąd różnicowy I n =... Częstotliwość znamionowa f =... Wyzwalanie AC A B 1) Obciążalność zwarciowa... Dobezpieczenie... Stopień ochrony obudowy IP... Mrozoodporność wyłącznika... Sprawdzenie działania wyłącznika po naciśnięciu przycisku kontrolnego T (TEST) Badanie działania wyłącznika przy prądzie 0,5 I n:... wyłączył nie wyłączył 1) Badanie działania wyłącznika przy prądzie 1,0 I n:... wyłączył nie wyłączył 1) Badanie prądu zadziałania wyłącznika 1)... 2)... 3)... Badanie czasu zadziałania wyłącznika 2) t =...

13 Sprawdzenie ochrony przeciwporażeniowej w układzie TN-S 1) Tabela wyników pomiarów Miejsce pomiaru... Pomiar impedancji pętli zwarciowej Z s =... Dopuszczalna rezystancja pętli zwarciowej R dop =... Prąd zwarcia jednofazowego I k1 =... Prąd znamionowy zabezpieczenia nadprądowego I n =... Prąd wyłączający zabezpieczenia nadprądowego I a =... Spełnienie warunku samoczynnego wyłączenia zasilania tak nie 1) Pomiar dokonany: metodą techniczną miernikiem rezystancji pętli zwarciowej typu ) Uwagi: Sprawdzenie ochrony przeciwporażeniowej w układzie TT 1) Tabela wyników pomiarów Miejsce pomiaru... Pomiar rezystancji uziemienia R E =... Dopuszczalna rezystancja uziemienia R A =... Spełnienie warunku samoczynnego wyłączenia zasilania tak nie 1) Sprawdzenie ciągłości przewodów ochronnych tak nie 1) Uwagi: Wynik oględzin wyłącznika różnicowoprądowego: pozytywny negatywny 1) Wynik badania ochrony przeciwporażeniowej: pozytywny negatywny 1) Użyta aparatura pomiarowa (nazwa, typ, nr fabryczny: Prowadzący badania (imię i nazwisko, uprawnienia, podpis):