Środki ochrony przeciwporażeniowej część 1. Instrukcja do ćwiczenia. Katedra Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa. Ćwiczenia laboratoryjne

Transkrypt

1 Katedra Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa Ćwiczenia laboratoryjne Instrukcja do ćwiczenia Środki ochrony przeciwporażeniowej część 1 Autorzy: dr hab. inż. Piotr GAWOR, prof. Pol.Śl. dr inż. Sergiusz BORON Gliwice, październik 2011 r.

2 -1-1. Wprowadzenie teoretyczne 1.1. Działanie prądu elektrycznego na organizm człowieka W budowie większości urządzeń elektrycznych wyróżnić można części czynne i części przewodzące dostępne, a w pobliżu tych urządzeń części przewodzące obce. Części czynne są to części znajdujące się normalnie pod napięciem, niedostępne do dotknięcia w warunkach normalnej pracy urządzenia (np. uzwojenia maszyn i transformatorów, tory prądowe aparatów elektrycznych, żyły kabli i przewodów). Części przewodzące dostępne są to metalowe elementy, które mogą być dotknięte i które normalnie nie znajdują się pod napięciem, lecz w wyniku uszkodzenia mogą znaleźć się pod napięciem (np. metalowe obudowy urządzeń elektrycznych).części czynne są w zasadzie odizolowane elektrycznie od części przewodzących dostępnych za pomocą izolacji podstawowej (izolacji). Części przewodzące obce są to przewodzące (metalowe) elementy konstrukcji nie należących do instalacji elektrycznych, które mogą się przyjmować określony potencjał, najczęściej potencjał ziemi; zalicza się do nich przykładowo rurociągi, przewodzące podłogi, metalowe schody i pomosty, elementy obudowy wyrobisk. Człowiek przebywając w pobliżu lub obsługując urządzenia elektryczne może dotykać różnych ich części. Rozróżnia się dotyk bezpośredni, czyli dotknięcie przez człowieka części czynnej oraz dotyk pośredni, czyli dotknięcie przez człowieka części przewodzącej dostępnej, która znalazła się pod napięciem w wyniku uszkodzenia. Napięcie jakie występuje pomiędzy dwoma punktami, których człowiek może jednocześnie dotknąć różnymi punktami ciała, nazywa się napięciem dotykowym spodziewanym (w przypadku, gdy rażenie następuje na drodze: stopa-stopa, wyróżnia się napięcie krokowe). Jeżeli przy dotyku bezpośrednim lub dotyku pośrednim jednym punktem ciała, człowiek innym punktem ciała dotyka równocześnie innej części o innym potencjale (części pomiędzy którymi występuje napięcie dotykowe), dochodzi do rażenia prądem elektrycznym, czyli przepływu prądu elektrycznego (prądu rażeniowego) przez organizm żywy. Spadek napięcia na rezystancji ciała człowieka wywołany przepływem prądu rażeniowego nazywamy napięciem dotykowym rzeczywistym (lub rażeniowym). Patofizjologiczne skutki przepływu prądu rażeniowego nazywamy porażeniem prądem elektrycznym. Prąd elektryczny przepływając przez organizm oddziaływać może w różny sposób. Cieplne działanie prądu elektrycznego prowadzi do oparzeń zewnętrznych (naskórka i skóry, zwłaszcza w miejscach wpływu i wypływu prądu) i wewnętrznych (cieplne uszkodzenie, względnie rozkład tkanki wewnętrznej). Działanie na układ nerwowy prowadzi do występowania skurczów mięśni, a w konsekwencji do zaburzeń tych czynności organizmu, w których udział mięśni jest niezbędny (skurcze palców, kończyn, trudności w oddychaniu, zakłócenia w pracy serca). Najbardziej niebezpieczną konsekwencją przepływu prądu rażeniowego może być działanie na układ krążenia, które w niekorzystnych warunkach doprowadzić może do porażenia śmiertelnego. Stopień porażenia prądem elektrycznym zależy od: wartości prądu rażeniowego, czasu trwania rażenia, rodzaju prądu rażeniowego (stały lub przemienny), częstotliwości (w przypadku prądu rażeniowego przemiennego), drogi przepływu prądu rażeniowego, osobniczej wrażliwości człowieka. W technice ochrony przeciwporażeniowej wyróżnia się prądy rażeniowe dopuszczalne długotrwale i dopuszczalne krótkotrwale. Wartość prądu rażeniowego dopuszczalna długotrwale opiera się na kryterium prądu samouwolnienia, czyli prądu rażeniowego, przy którym człowiek trzymający elektrody pełnymi dłońmi, potrafi samodzielnie przerwać (pokonując ból i skurcze mięśni) obwód rażeniowy. Wartość tego prądu przy częstotliwości przemysłowej (50 Hz) wynosi około 10 ma, natomiast w przypadku prądu stałego - około 25 ma. Czas długotrwałego rażenia przyjmuje się co najmniej 2 do 5 sekund (czas niezbędny do samodzielnego uwolnienia się z obwodu rażeniowego). Jako wartość prądu rażeniowego dopuszczalną krótkotrwale, przyjmuje się prąd, przy którym człowiek nie potrafi już samodzielnie przerwać obwodu rażeniowego, ale przy którym nie występuje bezpośrednie zagrożenie życia. Jako kryterium dopuszczalności krótkotrwałego przepływu prądu rażeniowego przyj-

3 -2- muje się działanie na układ krążenia, a w szczególności zjawisko fibrylacji (migotania) komór serca, przy którym zanikają systematyczne skurcze komór, następuje obniżenie ciśnienia krwi i dochodzi do niedotlenienia ważnych dla życia organów. Następstwem utrzymującej się w ciągu 2 do 4 minut fibrylacji komór sercowych są nieodwracalne zmiany w mózgu (śmierć biologiczna) w wyniku niedotlenienia Prąd rażeniowy dopuszczalny krótkotrwale, to prąd, przy którym nie dochodzi jeszcze do fibrylacji komór serca (prąd niefibrylujący). Jego wartość zależna jest od czasu trwania rażenia i wynosi przeciętnie: dla prądu przemiennego o częstotliwości 50 Hz: (I rdk ) AC (40 50) ma, przy rażeniu trwającym powyżej 1 sekundy, (I rdk ) AC 500 ma, przy czasie rażenia 0,1 s, dla prądu stałego (I rdk ) DC ( ) ma, przy rażeniu trwającym powyżej 1 sekundy, (I rdk ) DC 500 ma, przy czasie rażenia 0,1 s. Znając zależność dopuszczalnego prądu rażeniowego (prądu niefibrylującego) od czasu i jednocześnie wartości spodziewanych prądów rażeniowych (lub napięć dotykowych) w konkretnej sieci i konkretnej sytuacji wypadkowej, ustala się dopuszczalne czasy, w których powinny zadziałać środki ochrony przeciwporażeniowej, by nie dopuścić do porażenia stwarzającego bezpośrednie zagrożenie życia. Rys. 1. Wykres ukazujący zależność skutków porażenia prądem elektrycznym od wartości prądu rażeniowego i czasu trwania rażenia z podziałem na strefy: AC-1 brak odczuwania AC-2 brak szkodliwych skutków AC-3 zwykle brak trwałych skutków, możliwe odwracalne zakłócenia pracy serca, prawdopodobny brak możliwości samouwolnienia, zakłócenia oddychania AC-4 możliwość fibrylacji, poparzeń 1.2. Rodzaje środków ochrony przeciwporażeniowej Podstawową zasadę ochrony przeciwporażeniowej można sformułować w następujący sposób: części czynne niebezpieczne nie powinny być dostępne a części przewodzące dostępne nie powinny być niebezpieczne w warunkach normalnych i w przypadku pojedynczego uszkodzenia.

4 -3- Środki ochrony przeciwporażeniowej mają zapobiegać porażeniom śmiertelnym, czyli nie dopuszczać do wystąpienia skutków zagrażających życiu, a także ograniczać inne skutki, nie stwarzające bezpośredniego zagrożenia życia. Środek ochrony powinien składać się z odpowiedniej kombinacji środka ochrony podstawowej (przed dotykiem bezpośrednim) i niezależnego środka ochrony przy uszkodzeniu (przy dotyku pośrednim), lub wzmocnionego środka ochrony, który zabezpiecza zarówno ochronę podstawową, jak i ochronę przy uszkodzeniu. Ochrona podstawowa (poprzednio nazywana ochroną przed dotykiem bezpośrednim) ma na celu ograniczenie możliwości dotknięcia części czynnych i przedostania się napięcia z części czynnych na części przewodzące dostępne. Realizowana jest przez zastosowanie następujących środków ochrony: izolowanie części czynnych (izolacja podstawowa wykonana z materiałów odpornych na narażenia środowiskowe), stosowanie obudów (osłon) lub ogrodzeń zapewniających dostosowany do warunków środowiskowych stopień ochrony oznaczony kodem IP, stosowanie przeszkód lub barier zapobiegających przypadkowemu dotknięciu części czynnych (środek ten przeznaczony jest do ochrony osób wykwalifikowanych lub przeszkolonych, nie jest przeznaczony do ochrony osób postronnych), umieszczanie części czynnych poza zasięgiem ręki. ograniczenie napięcia. Ochrona przy uszkodzeniu (poprzednio nazywana ochroną przy dotyku pośrednim lub ochroną dodatkową) ma za zadanie ograniczać wartości napięć dotykowych pojawiających się na częściach przewodzących dostępnych w wyniku uszkodzenia izolacji lub/i ograniczać czas utrzymywania się tych napięć. Środki ochrony dodatkowej dostosowane powinny być do układu sieci (sposobu połączenia punktu neutralnego sieci oraz części przewodzących dostępnych urządzeń elektrycznych z ziemią). Sposób realizacji ochrony dodatkowej jest różny w podziemiach kopalń i na powierzchni Zasada działania dodatkowych środków ochrony przeciwporażeniowej w sieciach TN Najważniejszym ze środków ochrony przy uszkodzeniu stosowanym w sieciach o uziemionym punkcie neutralnym o układzie TN jest samoczynne wyłączanie zasilania 1. Polega ono na zastosowaniu urządzenia ochronnego, które w przypadku uszkodzenia izolacji podstawowej (w wyniku czego na częściach przewodzących dostępnych urządzenia elektrycznego może pojawić się niebezpieczne napięcie dotykowe) spowoduje szybkie wyłączenie zasilania. Czas samoczynnego wyłączenia zasilania powinien być na tyle krótki, by prąd rażeniowy nie spowodował u osoby dotykającej takie uszkodzone urządzenie skutków zagrażających życiu, czyli nie doprowadził do fibrylacji komór serca. W sieciach o napięciu znamionowym względem ziemi równym 230 V, czas ten nie powinien być dłuższy niż 0,4 sekundy, a w warunkach powodujących wzrost wrażliwości człowieka na działanie prądu elektrycznego (pomieszczenia wilgotne lub mokre) 0,2 s. Niezbędnym warunkiem zadziałania urządzenia ochronnego jest połączenie części przewodzących dostępnych z uziemionym punktem neutralnym transformatora zasilającego sieć za pomocą przewodu ochronnego PE (rys. 2). W wyniku uszkodzenia izolacji podstawowej urządzenia elektrycznego powstaje obwód prądu zwarciowego I Z, którego wartość można obliczyć ze wzoru: 1 Nazwa samoczynne wyłączanie zasilania, używana w normie PN-IEC :2000 określa zasadę działania środka ochrony dodatkowej zwanego dotychczas (np. w przepisach budowy urządzeń elektroenergetycznych) zerowaniem.

5 -4- I U U 0 0 z = (1) Z 2 s ( R ) ( ) 2 T + RL + RPE + X T + X L + X PE w którym U 0 napięcie względem ziemi (napięcie fazowe), Z s impedancja pętli zwarciowej, R T, X T rezystancja i reaktancja indukcyjna uzwojeń transformatora, R L, X L rezystancja i reaktancja indukcyjna przewodu fazowego, R PE, X PE rezystancja i reaktancja indukcyjna przewodu ochronnego. Rys. 2. Schemat ilustrujący zasadę działania oraz warunki skuteczności samoczynnego wyłączenia zasilania

6 -5- Wartość prądu zwarciowego powinna być tak duża, by spowodować zadziałanie urządzenia ochronnego w wymaganym czasie. Ponieważ o wartości prądu zwarciowego decyduje impedancja pętli zwarciowej, więc jako kryterium skuteczności ochrony przeciwporażeniowej traktuje się zwykle zmierzoną jej wartość, sprawdzając spełnienie nierówności: Z s I U (2) a 0 w której I a oznacza prąd powodujący samoczynne zadziałanie urządzenia wyłączającego w wymaganym czasie (0,4 s lub 0,2 s w sieci o napięciu znamionowym 230 V). Jako urządzenie ochronne można zastosować: bezpieczniki topikowe, samoczynny wyłącznik instalacyjny z wyzwalaczami elektromagnesowymi (zwarciowymi), wyłącznik przeciwporażeniowy różnicowoprądowy. Zasadę działania wyłącznika przeciwporażeniowego różnicowoprądowego przedstawiono na rys. 3a. Podstawowym elementem wyłącznika jest toroidalny transformator różnicowy TR, którego rdzeń wykonany jest z materiału o bardzo dobrych właściwościach magnetycznych. Uzwojeniem pierwotnym transformatora są przewody: fazowy (L) i neutralny (N) przechodzące przez okno rdzenia. W przypadku nieuszkodzonej izolacji podstawowej suma prądów I o w przewodach L i N równa jest zero i wypadkowy strumień magnetyczny w rdzeniu też równy jest zero. Gdy izolacja podstawowa ulegnie uszkodzeniu, przez przewód fazowy L przepływa prąd uszkodzenia I z, którego obwód zamyka się przez przewód ochronny PE nieprzechodzący przez okno rdzenia transformatora. Suma prądów nie jest wówczas różna zero i w rdzeniu powstaje strumień magnetyczny Φ z proporcjonalny do wartości prądu uszkodzenia. W uzwojeniu wtórnym transformatora indukuje się siła elektromotoryczna, pod wpływem której przez czuły wyzwalacz I płynie prąd I z powodujący bardzo szybkie jego zadziałanie i wyłączenie zasilania. W przypadku zastosowania wyłącznika różnicowoprądowego wysokoczułego (tzn. o znamionowym prądzie różnicowym I n 30 ma) nawet dotyk bezpośredni (również w warunkach szczególnego zagrożenia porażeniowego) nie powinien spowodować nieszczęśliwego wypadku, gdyż nastąpi w tej sytuacji szybkie wyłączenie obwodu (rys. 3b). Czas działania urządzenia ochronnego wynika z jego charakterystyki czasowo-prądowej. Na rys. 4a, 4b i 4c przedstawiono przykładowe charakterystyki czasowo-prądowe najczęściej stosowanych urządzeń ochronnych.

7 -6- Rys. 3a. Zasada działania i sposób włączenia wyłącznika przeciwporażeniowego różnicowoprądowego

8 -7- Rys. 3b. Działanie wyłącznika przeciwporażeniowego różnicowoprądowego przy dotyku bezpośrednim

9 -8- Rys. 4a. Charakterystyki czasowo-prądowe bezpieczników topikowych klasy gl I k spodziewana wartość prądu zwarciowego

10 -9- Rys. 4b. Charakterystyki czasowo-prądowe wyłączników samoczynnych (wg danych firmy Meller) Rys. 4c. Charakterystyka czasowo-prądowa wyłącznika różnicowoprądowego o znamionowym prądzie różnicowym I n =30 ma

11 Program ćwiczenia 2.1. Badanie wybranych środków ochrony podstawowej Pomiar rezystancji izolacji W ramach ćwiczenia należy przeprowadzić pomiar rezystancji izolacji doziemnej urządzeń wskazanych przez prowadzącego ćwiczenie. Pomiaru dokonuje się za pomocą megaomomierza (np. miernika induktorowego IMI) w układach przedstawionych na rys. 7. Wyniki pomiarów należy zestawić w tablicy 1. Urządzenie Tablica 1. Wyniki pomiarów rezystancji izolacji Rezystancja izolacji doziemnej wszystkich trzech faz, MΩ Rezystancja izolacji doziemnej poszczególnych faz, MΩ Uwagi Rodzaj i dane przyrządu pomiarowego: Rys. 7. Schematy układów do pomiaru rezystancji izolacji doziemnej a) silnika, b) kabla

12 -11- Tablica 2. Wyniki oceny skuteczności ochrony podstawowej zapewnianej przez obudowę 1 Nazwa i typ urządzenia elektrycznego: 2 Oznaczenie stopnia ochrony i jego objaśnienie: 3 Inne oznaczenia związane z bezpieczeństwem użytkowania: 4 Ocena kompletności i stanu obudowy: Kompletna, Niekompletna, Elementy brakujące:...,...,... Uszkodzenia:... 5 Sprawdzenie dostępności części czynnych: Niedostępne, Dostępne (sposób sprawdzenia): dłonią, palcem, narzędziem o średnicy...mm, drutem o średnicy...mm 6 Ocena możliwości otwarcia obudowy przez osoby nieuprawnione: możliwe bez narzędzi, możliwe przy użyciu zwykłych narzędzi, możliwe przy użyciu narzędzi specjalnych (zamknięcie specjalne), 7 Uwagi dodatkowe:

13 Sprawdzenie skuteczności ochrony podstawowej zapewnianej przez obudowę W ramach ćwiczenia należy dokonać oględzin wskazanych przez prowadzącego urządzeń elektrycznych i ocenić ich obudowę pod kątem skuteczności zapewnienia podstawowej ochrony przeciwporażeniowej osób stykających się z nimi. Wyniki oględzin należy zestawić w tablicy Badanie wybranych środków ochrony przy uszkodzeniu w sieciach TN Pomiar prądu rażeniowego i napięcia dotykowego w warunkach braku ochrony przy uszkodzeniu W stanowiskowym układzie sieci TN (zdjęcie 1) należy zamodelować uszkodzenie izolacji w odbiorniku w warunkach braku ochrony przy uszkodzeniu zgodnie z rys. 8. Odczytać wartości napięć dotykowych (spodziewanego i rzeczywistego) oraz prądu rażeniowego dla dwóch wartości rezystancji ciała człowieka: R c =2400 Ω i R c =600 Ω. Następnie połączyć obudowę z przewodem PEN i sprawdzić działanie zabezpieczenia przetężeniowego (wyłącznika samoczynnego) przy uszkodzeniu izolacji. Zdjęcie 1. Widok stanowiska laboratoryjnego do badania środków ochrony przeciwporażeniowej

14 -13- Rys. 8. Pomiar prądu rażeniowego i napięcia dotykowego w warunkach braku ochrony przy uszkodzeniu Sprawdzenie skuteczności samoczynnego wyłączenia zasilania w wybranych punktach układu modelowego sieci TN oraz instalacji w laboratorium Sprawdzenia należy dokonać w części a) układu modelowego sieci TN przedstawionego na rys. 9 za pomocą fabrycznego przyrządu pomiarowego (MZC). Sprawdzenie skuteczności ochrony przeciwporażeniowej polega na pomiarze wartości napięcia roboczego sieci (U 0 ) oraz impedancji pętli zwarcia (Z s ), jaka powstaje podczas uszkodzenia izolacji silnika oraz sprawdzeniu, czy spełniona jest nierówność (2). W układzie modelowym należy wykonać sprawdzenie dwukrotnie, dla dwóch wartości rezystancji przewodu ochronno-neutralnego PEN (R1, R2). Następnie podobnego sprawdzenia należy dokonać dla wybranych gniazdek wtyczkowych na poszczególnych stanowiskach laboratoryjnych. Wyniki pomiarów i obliczeń należy zestawić w tablicy 4.

15 -14- Rys. 9. Schemat układu modelowego sieci TN Oznaczenie punktu sprawdzenia Tablica 4. Wyniki badania skuteczności samoczynnego wyłączania zasilania w sieci TN U 0 [V] Z s [Ω] Obliczeniowy prąd zwarciowy I z [A] Typ i prąd znamionowy zastosowanego zabezpieczenia nadmiarowoprądowego I n [A] I z /I n I a [A] Spodziewany czas wyłączania [s] Spełnienie nierówności (3) Typ i dane wykorzystanego przyrządu pomiarowego: Sprawdzenie działania wyłącznika przeciwporażeniowego różnicowoprądowego w układzie modelowym Sprawdzenie działania wyłącznika różnicowoprądowego należy przeprowadzić w częściach b) i c) układu modelowego (rys. 9). W obydwu przypadkach po przyłączeniu do sieci należy sprawdzić zachowanie się wyłącznika: naciskając przycisk testujący (T), modelując uszkodzenie izolacji podstawowej za pomocą opornicy R. Wyniki badań należy zestawić w tablicy 5.

16 -15- Tablica 5. Wyniki badań wyłącznika różnicowoprądowego Typ i dane znamionowe badanego wyłącznika: Połączenie jak w części b) układu modelowego Połączenie jak w części c) układu modelowego Naciśnięcie przycisku testującego Włączenie opornicy: R=...kΩ I=U 0 /R=...mA Naciśnięcie przycisku testującego Włączenie opornicy: R=...kΩ I=U 0 /R=...mA Zadziałał Zadziałał Zadziałał Zadziałał Wyłącznik 1) : Nie zadziałał Wyłącznik: Nie zadziałał Wyłącznik: Nie zadziałał Wyłącznik: Nie zadziałał 1) podkreślić właściwą odpowiedź 3. Sprawozdanie z ćwiczenia Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać: Opis przebiegu ćwiczenia. Schematy układów pomiarowych zrealizowanych podczas ćwiczenia. Wyniki wykonanych w ramach ćwiczenia pomiarów i badań ujęte w tablicach. Własne uwagi i wnioski wynikające z ćwiczenia. 4. Pytania kontrolne Narysować schemat układu i opisać sposób pomiaru rezystancji izolacji doziemnej kabla. W jaki sposób ocenia się skuteczność samoczynnego wyłączania zasilania w sieci TN? Wyjaśnić zasadę działania i zalety wyłącznika różnicowoprądowego. Wyjaśnić przyczyny braku zadziałania wyłącznika przeciwporażeniowego różnicowoprądowego stwierdzone podczas ćwiczenia.