WSTĘP 1. Rozwój elektryfikacji kopalń 2. Charakterystyka warunków panujących w podziemnych wyrobiskach zakładów górniczych oraz ich wpływ na ryzyko

Transkrypt

1 WSTĘP 1. Rozwój elektryfikacji kopalń 2. Charakterystyka warunków panujących w podziemnych wyrobiskach zakładów górniczych oraz ich wpływ na ryzyko porażenia prądem elektrycznym 2.1. Warunki środowiskowo-eksploatacyjne 2.2. Wpływ wysiłku, pracy i dyskomfortu cieplnego na zmianę impedancji ciała człowieka 3. Wybrane zagadnienia ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach elektrycznych do 1kV 3.1. Oddziaływanie prądu na organizm ludzki 3.2. Urazy spowodowane łukiem elektrycznym 3.3. Fibrylacja komór sercowych 3.4. Strefy prądowo-czasowe reakcji patologicznych organizmu ludzkiego przy rażeniu prądem elektrycznym 3.5. Skutki termicznego oddziaływania prądu 3.6. Rodzaje ochron i środków ochrony przeciwporażeniowej 3.7. Równoczesna ochrona przed dotykiem bezpośrednim i pośrednim 3.8. Ochrona przed dotykiem bezpośrednim 3.9. Ochrona przy dotyku pośrednim Ochrona w układzie TN Ochrona w układzie TT Ochrona w układzie IT 4. Zabezpieczenia upływowe i ich rola w kontroli rezystancji izolacji doziemnej kopalnianych sieci IT 4.1. Podział zabezpieczeń upływowych 4.2. Wymagania dotyczące centralnych zabezpieczeń upływowych 4.3. Wymagania dotyczące blokujących zabezpieczeń upływowych 4.4. Kontrola stanu izolacji doziemnej sieci IT 4.5. Wpływ rezystancji izolacji doziemnej na prądy i napięcia rażeniowe 4.6. Negatywne skutki doziemień 4.7. Przykłady sposobów kontroli rezystancji izolacji doziemnej 4.8. Metody kontroli stanu izolacji 5. Przegląd i analiza porównawcza wybranych zabezpieczeń upływowych 5.1. Centralne zabezpieczenie upływowe typu RRgx produkcji EMAG - Katowice 5.2. Przekaźnik kontrolno sterujący typu UKS-6.1 produkcji ELEKS - Głogów 5.3. Przekaźnik typu PM-2 produkcji INVERIM - Warszawa 5.4. Centralne zabezpieczenie upływowe typu RRgx produkcji ZEG - Tychy 5.5. Centralne zabezpieczenie upływowe typu UC-1.1. produkcji ELEKS - Głogów 5.6. Przekaźnik typu (.) produkcji ALFA REMONT - Lubin 6. Dydaktyczne stanowisko laboratoryjne do przeprowadzania badań blokującego zabezpieczenia upływowego typu UKS Koncepcja ćwiczenia laboratoryjnego PODSUMOWANIE Bibliografia Załączniki

2 WSTĘP Celem niniejszej pracy jest dokonanie analizy, jak ważną rolę pełnią zabezpieczenia upływowe w kopalnianych sieciach IT oraz opracowanie i wykonanie dydaktycznego stanowiska laboratoryjnego do przeprowadzania badań wybranego blokującego zabezpieczenia upływowego. Oprócz części praktycznej praca zawiera część teoretyczną, która swoim zakresem obejmuje szereg zagadnień związanych z rolą i znaczeniem w przemyśle wydobywczym nowoczesnych zabezpieczeń upływowych, problematykę ochrony przeciwporażeniowej związanej z niesymetrycznymi zwarciami doziemnymi będącymi skutkami obniżonej rezystancji izolacji przewodów fazowych, stałego monitoringu stanu izolacji w sieciach kopalnianych, charakterystykę warunków środowiskowo-eksploatacyjnych występujących w podziemnych wyrobiskach zakładów górniczych i ich wpływ na stan rezystancji izolacji oraz zagrożenie porażeniem prądem elektrycznym a także przegląd i analizę porównawczą wybranych współczesnych zabezpieczeń upływowych. Praca podzielona jest na siedem rozdziałów stanowiących odrębne bloki tematyczne, których wspólnym mianownikiem jest ochrona przeciwporażeniowa w izolowanych sieciach IT poprzez kontrolę stanu izolacji realizowaną przez zabezpieczenia upływowe. Rozdział 1 - Rozwój elektryfikacji kopalń zawiera opis przemian w polskim górnictwie jakie następowały w ostatnim stuleciu, związanych z postępem technicznym i technologicznym, których konsekwencją jest trwający do czasów współczesnych intensywny proces elektryfikacji i automatyzacji, niosący ze sobą oprócz wymiernych korzyści także zagrożenia związane z porażeniem prądem elektrycznym. Rozdział 2 - Charakterystyka warunków panujących w podziemnych wyrobiskach zakładów górniczych oraz ich wpływ na ryzyko porażenia prądem elektrycznym przedstawia warunki środowiskowe panujące w podziemiach kopalń, a w szczególności podwyższoną temperaturę otoczenia, wilgotność powietrza, zjawisko rosienia, silną mineralizację wód kopalnianych, zawartość innych substancji mineralnych oraz płynów kopalnianych w atmosferze, obecność mikroorganizmów a także zagrożenia związane z tąpaniami, wyrzutami metanu i innych gazów oraz oberwaniami brył skalnych. W rozdziale 3 - Wybrane zagadnienia ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach elektrycznych do 1kV obejmuje swoim zakresem szereg aspektów związanych z oddziaływaniem prądu elektrycznego na organizm ludzki, między innymi urazami 2

3 spowodowanymi łukiem elektrycznym, fibrylacją komór sercowych oraz skutkami termicznego oddziaływania prądu. W rozdziale sklasyfikowane są rodzaje ochron i środków ochrony przeciwporażeniowej, ochrona przed dotykiem bezpośrednim i pośrednim zarówno w sieciach z uziemionym punktem neutralnym transformatora oraz w układach sieci izolowanych. W rozdziale 4 - Zabezpieczenia upływowe i ich rola w kontroli rezystancji izolacji doziemnej kopalnianych sieci IT przedstawiony jest podział zabezpieczeń upływowych, wymagania dotyczące centralnych i blokujących zabezpieczeń upływowych, zagadnienia związane z kontrolą stanu izolacji doziemnej sieci IT oraz wpływem rezystancji izolacji doziemnej na prądy i napięcia rażeniowe i związane z tym negatywne skutki doziemień, wybrane przykłady sposobów kontroli rezystancji izolacji doziemnej a także metody kontroli stanu izolacji. W rozdziale 5 - Przegląd i analiza porównawcza wybranych zabezpieczeń upływowych zawarta jest charakterystyka techniczna kilku wybranych zabezpieczeń upływowych, z których każde posiada indywidualne cechy wyróżniające je spośród pozostałych. W rozdziale tym najwięcej miejsca poświęcono przekaźnikowi kontrolnosterującemu typu UKS-6.1, ponieważ właśnie to urządzenie wybrano jako przedmiot badań laboratoryjnych. Rozdział 6 - Dydaktyczne stanowisko laboratoryjne do przeprowadzania badań blokującego zabezpieczenia upływowego typu UKS-6.1 obejmuje założenia, projekt zawierający schematy ideowe, montażowe, widok zewnętrzny, rozmieszczenie elementów oraz instrukcję obsługi stanowiska ze szczegółowym uwzględnieniem jego budowy, działania oraz zasad bezpiecznego użytkowania. Rozdział 7 - Koncepcja ćwiczenia laboratoryjnego stanowi opis ćwiczenia na dydaktycznym stanowisku laboratoryjnym, które pozwala na zapoznanie się z działaniem, podstawowymi funkcjami oraz przeprowadzeniem prób zadziałania członu kontrolującego rezystancję izolacji kontrolowanej sieci oraz członu kontrolującego ciągłość obwodu ochronnego w przekaźniku kontrolno-sterującym typu UKS ROZWÓJ ELEKTRYFIKACJI KOPALŃ 3

4 Podstawową postacią energii stosową w współczesnych zakładach górniczych jest energia elektryczna. Jednym z ważniejszych czynników, oprócz uwarunkowań rynkowych i zasobności złóż, decydującym zwykle o wydobyciu, jest rozwój mechanizacji, co wiąże się ściśle ze wzrostem zapotrzebowania mocy i energii elektrycznej. Proces elektryfikacji kopalń, zapoczątkowany ponad sto lat temu, ciągle trwa, zmieniając oblicze polskiego przemysłu wydobywczego poprzez między innymi poprawę bezpieczeństwa i warunków pracy oraz zwiększenie wydajności poszczególnych zakładów górniczych, co jest bezsprzecznie jednym z istotniejszych warunków funkcjonowania w nowoczesnej gospodarce rynkowej. Stosowanie energii elektrycznej w kopalniach polskich przed I wojną światową było znacznie opóźnione w porównaniu z kopalniami zachodnioeuropejskimi, a przede wszystkim angielskimi. Przyczyną były warunki społeczno-polityczne i taniość siły roboczej. Najwcześniej zastosowano energię elektryczną do oświetlenia placów kopalnianych. Lampy zasilane były z własnych prądnic prądu stałego. W 1887 roku zastosowano żarówki do oświetlenia podszybi. W 1882 roku uruchomiono pierwszą lokomotywę przewodową prądu stałego. Po roku 1912 było już przeszło dwieście lokomotyw. Stosunkowo wcześnie zastosowano napęd elektryczny także w maszynach wyciągowych. Dla małych maszyn, wciągarek wolnobieżnych zwanych potocznie kołowrotami, nastąpiło to przed 1890 rokiem. W przypadku dużych maszyn napęd elektryczny zaczął konkurować z parowym dopiero po roku Elektryfikacja urządzeń przodkowych rozpoczęła się znacznie później. W 1912 roku użytkowano ponad trzy tysiące wiertarek ręcznych powietrznych, a tylko niewiele ponad sto elektrycznych, na 326 przenośników wstrząsanych tylko dwa były z napędem elektrycznym. Po I wojnie światowej, szczególnie w latach , nastąpiły zmiany w technologii wydobycia w kopalniach zachodnioeuropejskich. Zaczęto zwracać większą uwagę na mechanizację robót. Mechanizacja, podobnie jak w Polsce, lecz w szerszym zakresie, oparta była głównie na energii mechanicznej powietrza sprężonego. O tej postaci nośnika energii zadecydowały względy bezpieczeństwa i techniczne. 4

5 W miarę rozwoju mechanizacji coraz większe znaczenie zaczęły mieć także aspekty ekonomiczne. Oprócz kosztów energii, które dla postaci pneumatycznej były w praktyce dziesięciokrotnie większe niż energia w postaci elektrycznej, coraz większą rolę odgrywały koszty inwestycyjne (szybkie zużywanie się maszyn z napędem pneumatycznym oraz większa niezawodność napędów elektrycznych, a więc mniejsze straty w wydobyciu). Spowodowało to przyspieszony rozwój elektryfikacji. Po zakończeniu drugiej wojny światowej rozpoczął się szybki rozwój elektryfikacji polskich kopalń powiązany odbudową całego kraju po zniszczeniach wojennych. Kontynuowana była elektryfikacja urządzeń powierzchniowych oraz intensywnie rozwijana mechanizacja i elektryfikacja procesów wydobywczych. Względy bezpieczeństwa miały duży udział w kolejności elektryfikacji poszczególnych kopalń. Uwzględniano dodatkowe zagrożenia związane ze stosowaniem energii elektrycznej w podziemiach kopalń, w tym szczególnie niebezpieczeństwo porażeń elektrycznych oraz zwiększające się możliwości zapłonów elektrycznych w postaci wybuchów mieszanin metanowo-powietrznych i pyłu węglowego. W pierwszej kolejności przewidziano do elektryfikacji wszystkie nowe poziomy kopalń niemetanowych. Elektryfikacja starych poziomów miała przebieg stopniowy, polegający na kolejnym usuwaniu przede wszystkim napędów pneumatycznych. W dalszych latach następuje regularny wzrost mocy instalowanej w napędach elektrycznych przy systematycznym obniżaniu się mocy napędów pneumatycznych. Elektryfikacja kopalń współcześnie to w pierwszej kolejności wprowadzenie w jak najszerszym zakresie nowoczesnych, elektrycznych układów napędowych maszyn górniczych, dostosowanych do postępu techniki i zmieniających się technologii wydobycia oraz warunków eksploatacji w wyrobiskach podziemnych. Rozwój górnictwa poprzez identyfikację produkcji, opartej na kompleksowej mechanizacji i szeroko rozumianej automatyzacji, wymaga opracowań konstrukcyjnych, produkcji i stosowania odpowiednich, bardziej niezawodnych i bezpiecznych, maszyn oraz urządzeń o ekonomicznych energetycznie parametrach. Jednym z istotnych uwarunkowań elektryfikacji podziemi kopalń jest konieczność stosowania maszyn, sprzętu i materiałów w specjalnym wykonaniu górniczym, podczas gdy w obiektach powierzchniowych wyposażenie elektroenergetyczne opiera się w większości na rozwiązaniach ogólnoprzemysłowych. 5

6 Elektryfikacja jest koniecznością, a jej dalszy rozwój jest nieodzowny dla współczesnych kopalń o dużych zagrożeniach naturalnych, w tym kopalń silnie metanowych. Z elektryfikacją ściśle związane są zagrożenia elektryczne, współdecydujące często o poziomie bezpieczeństwa załogi i ruchu kopalni. Konieczne jest stosowanie odpowiednich maszyn i urządzeń elektrycznych dostosowanych do spodziewanych warunków środowiskowych. Specyfika trudnych warunków kopalnianych wymusza stosowanie aparatów zabezpieczeniowych spełniających wymagania, które niespotykane są w powierzchniowych sieciach ogólno przemysłowych. Można do nich zaliczyć zabezpieczenia upływowe pełniące rolę urządzeń kontrolujących stan izolacji, które są powszechnie stosowane we współczesnych dołowych stacjach transformatorowych, przodkowych zestawach rozdzielczych, zestawach zasilających, oświetleniowych zestawach transformatorowych i innych. 2. CHARAKTERYSTYKA WARUNKÓW PANUJĄCYCH W PODZIEMNYCH WYROBISKACH ZAKŁADÓW GÓRNICZYCH ORAZ ICH WPŁYW NA RYZYKO PORAŻENIA PRĄDEM ELEKTRYCZNYM 2.1. Warunki środowiskowo-eksploatacyjne Urządzenia elektryczne mogą się znajdować w czasie eksploatacji w rozmaitych środowiskowych warunkach pracy. Najbardziej ogólnym czynnikiem wpływającym na warunki pracy urządzeń jest miejsce ich zainstalowania. W innych warunkach pracy będzie znajdowało się urządzenie zainstalowane na zewnątrz lub wewnątrz budynku, w wodzie, w ziemi lub pod ziemią w kopalni. Dla urządzeń ogólnego przeznaczenia zazwyczaj przyjmuje się, że decydujące znaczenie mają warunki atmosferyczne, jak temperatura, ciśnienie, wilgotność powietrza, opady atmosferyczne, wiatr oraz zanieczyszczenia powietrza przez zapylenie, zadymienie, obecność gazów żrących i wybuchowych. Specyfika warunków środowiskowych w podziemiach kopalń wynika przede wszystkim z dużej intensywności i kumulowania się narażeń. W warunkach podziemi kopalń szczególnie jest istotna koordynacja ochrony środowiskowej: wzajemne dostosowanie środowiska i urządzeń elektrycznych. Z czynników narażeniowych, specyficznych dla mikroklimatu podziemi kopalń wymienić należy przede wszystkim: podwyższoną temperaturę otoczenia (w otwartych wyrobiskach 5 30 C oraz 75 C w zamkniętych obudowach maszyn i urządzeń górniczych), 6

7 wilgotność (zwykle %), zjawisko rosienia (nawet kilkakrotnie w ciągu doby), silna mineralizacja wód kopalnianych (często są to solanki o dużym stopniu stężenia), zawartość innych substancji mineralnych oraz płynów kopalnianych w atmosferze, obecność mikroorganizmów (grzyby, pleśnie, bakterie). Za pomieszczenia wilgotne uznaje się te, w których wilgotność względna powietrza stale przekracza 75% i dochodzi nawet do 95%, a więc co najmniej takie są praktycznie wszystkie pomieszczenia podziemne. W pomieszczeniach mokrych wilgotność względna przekracza stale 95%, w wyniku czego większość powierzchni jest pokrytych skroploną parą wodną lub wodą przenikającą z otaczających skał. Za gorące uznaje się pomieszczenia o stałej temperaturze powyżej 28 C. W pomieszczeniach tych istnieją warunki oddziałujące wybitnie ujemnie na izolację urządzeń elektrycznych. Pomieszczenia te są traktowane również jako szczególnie niebezpieczne ze względu na możliwość porażenia prądem elektrycznym. W wyrobiskach zakładów górniczych wyróżnia się również inne zagrożenia naturalne, które mogą mieć istotny wpływ na niezawodność wyposażenia technicznego i bezpieczeństwo załogi. W kopalniach są to następujące zagrożenia tąpaniami, wyrzutami metanu i skał, wyrzutami gazów i skał, wodne, substancjami promieniotwórczymi oraz działaniem pyłów szkodliwych dla zdrowia. Skutki oberwania brył skalnych w wielu przypadkach dotykają materiałów izolacyjnych kabli i przewodów energetycznych. Uszkodzenia mechaniczne w postaci przetarć i przecięć powłok izolacyjnych są nagminne, zwłaszcza w instalacjach przodkowych. Nietrudno dojść do wniosku, że uszkodzona izolacja przewodów fazowych w powiązaniu z dużą wilgotnością powietrza oraz obecnością ludzi pracujących niejednokrotnie zanurzonych po kolana w zasolonej wodzie, stwarza ogromne zagrożenie porażeniowe, które może skutkować tragicznymi wypadkami. Duża wilgotność względna i podwyższona temperatura mają zasadniczy wpływ na wartość oporu wypadkowego ciała człowieka i rezystancję przejścia. Podwyższona temperatura ma wpływ na pocenie się i zasolenie miejsca dotyku, jak i na zmniejszenie się oporu ciała ludzkiego. Zwiększenie stopnia uczulenia człowieka na zagrożenie od urządzeń elektrycznych powodują również następujące czynniki: obecność wody zasolonej i zakwaszonej, stały dotyk o dużym nacisku i dużej powierzchni urządzeń, duże prawdopodobieństwo uszkodzeń naskórka, 7

8 możliwość dotyku częściami ciała o dużej czułości prądowej i małym oporze (skroń, szyja, przedramię, ramiona, plecy) na skutek pracy bez odzieży, słabe oświetlenie, hałas pracujących maszyn. Agresywne gazy i zanieczyszczenia, wilgoć i pył kopalniany oddziaływają destrukcyjnie na części przewodzące, izolacyjne i konstrukcyjne urządzeń elektrycznych zwiększając ich zawodność. Niebezpieczeństwo skutków prawdopodobnych zagrożeń dla ludzi i otoczenia oraz innych urządzeń technicznych zależy od nasilenia zagrożeń i wrażliwości środowiska. Do podstawowych czynników sprzyjających nasileniu skutków zagrożeń można między innymi zaliczyć: obecność zmineralizowanej dobrze przewodzącej wody, powszechność i dużą ilość mas metalowych, dużą wilgotność i podwyższoną temperaturę powietrza, ogólną dostępność urządzeń elektrycznych. Wpływ wymienionych czynników może być wieloraki. W zasadzie wszystkie z nich w odpowiednim stopniu przyczyniają się do powiększenia ujemnych skutków możliwych zagrożeń elektrycznych, które mogą prowadzić do pośredniego lub bezpośredniego porażenia prądem elektrycznym Wpływ wysiłku, pracy i dyskomfortu cieplnego na zmianę impedancji ciała człowieka Praca człowieka w trudnych warunkach klimatycznych powoduje duże zmęczenie i podatność organizmu na działanie prądu rażenia w wypadkach elektrycznych. Ważną przyczyną zwiększającą prawdopodobieństwo wystąpienia niebezpiecznych skutków rażenia prądem elektrycznym jest zmęczenie w wyniku wysiłku fizycznego. Podatność organizmu człowieka na skutki działania prądu elektrycznego jest zależna od wartości natężenia prądu uwarunkowanego napięciem elektrycznym i impedancją ciała w chwili rażenia. W warunkach klimatycznie trudnych organizm oddaje więcej ciepła do otoczenia, przez co zwiększa czynność wydzielania w gruczołach potowych, co wpływa na obniżenie wartości impedancji ciała człowieka. Człowiek powinien pracować w warunkach komfortu cieplnego, w których odczuwa stan zadowolenia z klimatu środowiska, a jego gospodarka cieplna przebiega najbardziej 8

9 ekonomicznie. Niestety warunki pracy w podziemnych wyrobiskach zakładów górniczych dalekie są od komfortowych. Mikroklimat środowiska jest określony przez zespół parametrów fizycznych powietrza i otoczenia mających wpływ na samopoczucie przebywającego w nim człowieka. Szerszym pojęciem od mikroklimatu są tak zwane klimatyczne warunki pracy w danym środowisku, które oprócz parametrów fizycznych powietrza i otoczenia uwzględniają wydatek energetyczny organizmu człowieka, zależny od wysiłku fizycznego spowodowanego wykonywanymi czynnościami. Jak wiadomo, praca pod ziemią należy do bardzo ciężkich. Mechanizacja i automatyzacja procesu wydobywczego na obecnym etapie nie jest w stanie wyeliminować fizycznej pracy górników, która w specyficznych warunkach dołowych jest niezastąpiona. Warunki mikroklimatu odbiegające od granic komfortu, stają się dla człowieka uciążliwe i wymagają przeciwdziałania mechanizmów termoregulacyjnych. Praca w warunkach dyskomfortu cieplnego jest wykonywana dzięki bardzo dużym możliwościom termoregulacyjnym organizmu człowieka, dostosowującym ilość ciepła wytwarzanego przez ustrój człowieka do potrzeb bilansu cieplnego w zimnym lub gorącym środowisku. Podwyższona temperatura otoczenia powoduje podrażnienia termoreceptorów skórnych oraz rozszerzenie naczyń skórnych i zwiększenie przepływu krwi przez skórę. Równocześnie następuje pobudzenie ośrodka termoregulacyjnego organizmu człowieka i zwiększenie czynności gruczołów potowych w skórze człowieka. W warunkach normalnych człowiek wydziela 0,75 1 litra potu w ciągu doby. Przy ciężkiej pracy w ciepłym klimacie organizm może wydzielać ponad 1 litr potu na godzinę. Stała praca ludzi w termicznie trudnych warunkach przyzwyczaja organizm do zwiększonej ilości wydzielanego potu. Intensywne pocenie się powoduje nasączenie zrogowaciałej warstwy naskórka elektrolitami zawartymi w pocie i obniżenie wartości impedancji ciała. Odparowanie wody z potu powoduje zasolenie naskórka i zmniejszenie jego rezystancji przejścia podczas rażenia prądem elektrycznym. Pot może parować i pochłaniać ciepło z powierzchni ciała, jeżeli otaczające powietrze może wchłaniać parę wodną. Przy wysokiej wilgotności powietrza proces parowania potu słabnie, a ciało człowieka staje się mokre i bardzo podatne na skutki rażenia prądem elektrycznym. Warunki klimatyczne w środowisku w trudnym mikroklimacie są odczuwane przez różnych ludzi w różny sposób, głównie ze względu na rodzaj czynności, jakie wykonują. Z rodzajem i intensywnością wykonywanej pracy wiąże się odpowiednia ilość ciepła 9

10 metabolicznego wytwarzanego przez organizm człowieka w jednostce czasu, czyli wydatek energetyczny organizmu. Górnicy pracują z różną częstotliwością wysiłkową, zmieniając swój wydatek energetyczny. Wydatek energetyczny człowieka, zależny od intensywności pracy, jest miarą stopnia obciążenia energetycznego organizmu. Intensywne pocenie się powoduje nasączenie zrogowaciałej warstwy naskórka elektrolitami zawartymi w pocie, co wpływa na zmiany wartości impedancji elektrycznej ciała człowieka. Określenie klimatycznych warunków pracy wskaźnikiem dyskomfortu cieplnego oprócz mikroklimatu uwzględnia wydatek energetyczny człowieka zależny od rodzaju i wysiłku wykonywanej pracy. Głównymi czynnikami wpływającymi na wartość impedancji ciała człowieka jest wskaźnik dyskomfortu cieplnego w środowisku pracy oraz wartość napięcia rażeniowego. Zarówno w klimacie ciepłym, jak i też podczas pracy związanej z dużym wysiłkiem fizycznym następuje obfite pocenie się, które powoduje napełnienie potem kanalików potowych w skórze a w konsekwencji obniżenie wartości impedancji ciała człowieka. 3. WYBRANE ZAGADNIENIA OCHRONY PRZECIWPORAŻENIOWEJ W INSTALACJACH ELEKTRYCZNYCH DO 1kV Bezpieczeństwo elektryczne w użytkowanych instalacjach elektrycznych sprowadza się do zapewnienia ochrony przed następującymi zagrożeniami: porażeniem prądem elektrycznym, prądami przeciążeniowymi i zwarciowymi, przepięciami łączeniowymi i pochodzącymi od wyładowań atmosferycznych skutkami cieplnymi. Skuteczność ochrony przeciwporażeniowej przed wyżej wymienionymi zagrożeniami zależy od zastosowanych, w instalacjach elektrycznych, rozwiązań i środków technicznych. Miarą skuteczności ochrony przeciwporażeniowej jest liczba śmiertelnych wypadków porażeń prądem elektrycznym oraz liczba pożarów, będących następstwem wad lub nieprawidłowej eksploatacji instalacji elektrycznych. Przepisy ochrony przeciwporażeniowej są przede wszystkim odzwierciedleniem rozpoznania skutków przepływu prądu elektrycznego przez ciało ludzkie, dostępnych środków ochrony oraz warunków ekonomicznych. 10

11 3.1. Oddziaływanie prądu na organizm ludzki Działanie pośrednie, powstające bez przepływu prądu przez ciało człowieka, powoduje takie urazy, jak: oparzenia ciała wskutek pożarów wywołanych zwarciem elektrycznym, groźne dla życia oparzenia ciała łukiem elektrycznym, uszkodzenia wzroku wskutek dużej jaskrawości łuku elektrycznego, uszkodzenia mechaniczne ciała w wyniku upadku z wysokości. Działanie bezpośrednie, czyli porażenie elektryczne wskutek przepływu prądu elektrycznego przez ciało ludzkie może wywołać wiele zmian fizycznych, chemicznych i biologicznych w organizmie prowadzących nawet śmierci człowieka, poprzez oddziaływanie na układ nerwowy oraz w wyniku elektrolizy krwi i płynów fizjologicznych. Porażenie elektryczne może objawiać się: odczuwaniem przepływu prądu, uczuciem bólu, lekkimi skurczami mięśni, silnymi kurczami mięśni dłoni uniemożliwiającymi samouwolnienie się rażonego, zatrzymaniem oddechu, zaburzeniami krążenia krwi, zaburzeniami wzroku, słuchu i zmysłu równowagi, utratą przytomności, migotaniem komór sercowych, które jest bardzo groźne dla życia człowieka, oparzeniami skóry i wewnętrznych części ciała. Bezpośrednio po rażeniu prądem, czyli po przerwaniu przepływu prądu, może wystąpić wstrząs elektryczny, objawiający się przerażeniem, bladością, drżeniem ciała lub kończyn, nadmiernym wydzielaniem potu, stanem apatii lub euforii. Może również wystąpić obrzęk mózgu i utrata przytomności połączona z zatrzymaniem krążenia krwi i brakiem oddechu. Skutki te mogą się ujawnić także po pewnym czasie, od kilku minut nawet do kilku miesięcy od chwili porażenia. Skutki rażenia prądem elektrycznym zależą od: 11

12 Rodzaju prądu. Badania wykazały, że ludzie są mniej wrażliwi na działanie prądu stałego (w zależności od kierunku jego przepływu) niż prądu przemiennego o takiej samej wartości (w zależności od częstotliwości). Czasu przepływu prądu. Czas przepływu prądu rażeniowego przez ciało człowieka ma istotny wpływ na skutki rażenia prądem elektrycznym, a w szczególności na migotanie komór sercowych. Jeżeli czas przepływu nie przekracza 0,1 0,5 sekundy, to następstwa rażenia są znacznie złagodzone, chociaż w pewnych warunkach środowiskowych mogą być bardzo groźne. Drogi przepływu prądu przez ciało człowieka. Droga przepływu prądu rażenia przez ciało człowieka ma istotny wpływ na skutki porażenia prądem elektrycznym, przy czym największe znaczenie ma to, jaka część prądu przepływa przez serce i przez układ oddechowy. Przy przepływie prądu na drodze: a) ręka-ręka przez serce przepływa 3,3% ogólnego prądu rażenia, b) lewa ręka-nogi przez serce przepływa 3,7% ogólnego prądu rażenia, c) prawa ręka-nogi przez serce przepływ 6,7% ogólnego prądu rażenia, d) noga-noga przez serce przepływa 0,4% ogólnego prądu rażenia. Prawie dwukrotnie większy prąd przepływający przez serce na drodze prawa ręka - noga tłumaczy się tym, że oś podłużna serca leży właśnie na tej drodze. Wartości natężenia prądu. Wartość progowa prądu samouwolnienia przy prądzie stałym wynosi 30mA dla mężczyzn i 20mA dla kobiet. Przy tych wartościach prądów rażeniowych samodzielne uwolnienie się od elektrod mimo bolesnych skurczów mięśni rąk jeszcze jest możliwe. Wartość progowa prądu samouwolnienia przy prądzie przemiennym, przy której jest tu jeszcze praktycznie możliwe, wynosi 10mA dla mężczyzn i odpowiednio 6mA dla kobiet. Kondycji psychofizycznej człowieka. Kondycja psychofizyczna człowieka ma duży wpływ na bezpieczeństwo porażenia, np. stan podniecenia porażonego powoduje wydzielanie się potu, a tym samym zmniejszenie rezystancji ciała i w konsekwencji wzrost natężenia prądu rażenia. Takie stany psychiczne jak: roztargnienie, zdenerwowanie, zamroczenie alkoholem, zmniejszają zdolność reagowania porażonego prądem elektrycznym. Stan fizyczny ma również wpływ na odporność organizmu. Stan osłabienia organizmu lub wyczerpania 12

13 chorobowego pogarsza odporność człowieka na skutki porażenia prądem elektrycznym Urazy spowodowane łukiem elektrycznym Łuk elektryczny albo wyładowanie łukowe jest to wyładowanie elektryczne w gazie, na przykład w powietrzu, o bardzo dużej wartości gęstości prądu w granicach od 10A/m 2 do 100kA/m 2. Łuk elektryczny powoduje jonizację gazu i termoemisję elektronów. Wskutek tego występuje strumień plazmy o bardzo dużej temperaturze ( K). Powstaje ciśnieniowa fala uderzeniowa, wywołana gwałtownym nagrzaniem się powietrza wzdłuż łuku, której siła uderzeniowa może osiągać wartość kilkudziesięciu kiloniutonów. Podczas łuku elektrycznego wytwarzane jest promieniowanie podczerwone o długości fali nm oraz promieniowanie nadfioletowe o długości fali nm. Łuk elektryczny może wystąpić podczas zwarć w urządzeniach elektrycznych bądź wskutek braku ostrożności lub błędów człowieka, np. podczas przerywania obwodów elektrycznych. Łuk elektryczny powoduje urazy wskutek: działania fali uderzeniowej, oddziaływania termicznego i termiczno-mechanicznego, promieniowania nadfioletowego i podczerwonego, wystąpienia rażenia skojarzonego. Łuk elektryczny może powodować następujące urazy: uszkodzenia ciała odłamkami zniszczonych urządzeń elektrycznych lub wskutek upadku, oparzenia ciała, których rozległość i głębokość są zależne od gęstości energii cieplnej łuku, uszkodzenia siatkówki oka, z powodu wzrostu temperatury płynu soczewkowego, metalizację nieosłoniętych części ciała oraz uszkodzenia rogówki oka, wywołane roztopionymi, gorącym cząstkami metali i materiałów izolacyjnych, unoszonymi gorącym strumieniem gazów, uszkodzenia rogówki oka na skutek promieniowania nadfioletowego, ogrzanie płynu soczewkowego oka na skutek promieniowania podczerwonego, 13

14 rozległe oparzenia, a nawet spalenia kończyn i innych części ciała ludzkiego, często kończące się śmiercią na skutek rażenia skojarzonego. Rażenia skojarzone zdarzają się w stacjach elektroenergetycznych wysokiego napięcia, gdy człowiek zbliży się do urządzenia elektroenergetycznego na odległość, przy której możliwe jest przebicie warstwy izolacyjnej powietrza. Wtedy następuje wyładowanie iskrowe, które inicjuje wystąpienie łuku elektrycznego pomiędzy tym urządzeniem i najbliższą od urządzenia częścią ciała ludzkiego Fibrylacja komór sercowych Przepływ prądu elektrycznego bezpośrednio przez mięsień sercowy człowieka może spowodować zatrzymanie obiegu krwi wskutek wystąpienia fibrylacji, inaczej nazywanej migotaniem komór sercowych. Podczas fibrylacji komór sercowych ulega zmianie przebieg elektrokardiogramu i następuje spadek ciśnienia krwi, zamiast miarowych okresowych skurczów komór serca w ilości na minutę, pojawiają się niemiarowe nieokresowe skurcze o częstotliwości 6 10Hz, co odpowiada skurczom na minutę. Jednocześnie ciśnienie krwi gwałtownie maleje i przepływ krwi może zostać zatrzymany, co może spowodować w pierwszej kolejności niedotlenienie mózgu, a po czasie około dziesięciu sekund utratę przytomności. Jeżeli proces ten trwa dłużej, to po dalszych dwudziestu sekundach następuje zatrzymanie oddychania i początek śmierci klinicznej Strefy prądowo-czasowe reakcji patologicznych organizmu ludzkiego przy rażeniu prądem elektrycznym Reakcje organizmu człowieka przy porażeniu prądem przemiennym są następujące: strefa AC-1: nie występują żadne reakcje patologiczne. Wartość progowa prądu odczuwania, przy której z małym prawdopodobieństwem występuje odczuwanie przepływu prądu przez większość mężczyzn, wynosi 0,5mA (dla kobiet wartość ta wynosi 0,3mA), strefa AC-2: w miarę wzrostu wartości prądu występuje: mrowienie w palcach drętwienie, skurcze włókien mięśniowych i uczucie bólu (powyżej 3mA). Im wyższa wartość prądu rażeniowego i dłuższy czas jego przepływu, tym liczniejsze włókna mięśni dłoni ulegają skurczowi. Przy tężcowym skurczu mięsni dłoni porażony nie jest już zdolny sam rozewrzeć palców. Wartość 14

15 progowa prądu samouwolnienia, przy której jest tu jeszcze praktycznie możliwe, wynosi 10 ma (dla kobiet 6 ma), strefa AC-3: występuje nasilenie bólu, wzrost ciśnienia krwi oraz skurcze tężcowe mięsni poprzecznie prążkowanych i skurcze mięśni oddechowych (mięśni płuc - powyżej 20 ma, dla kobiet - 15 ma), co może wywołać niedotlenienie organizmu, trudności z oddychaniem, zwiększenie ilości dwutlenku węgla w krwi i zakwaszenie tkanek, skutkiem czego może być sinica skóry oraz błon śluzowych. Zwykle są to odwracalne skutki fizjologiczne - bez poważniejszych uszkodzeń organizmu. Pojawiają się także odwracalne zakłócenia w pracy serca w postaci fibrylacji lub przejściowej blokady. W skrajnych przypadkach mogą występować skurcze naczyń wieńcowych i w rezultacie zawał mięśnia sercowego, streta AC-4: obserwuje się te same skutki rażenia, co w strefie AC -3, nasilające się wraz ze wzrostem natężenia prądu i czasu jego przepływu. Prawdopodobieństwo wystąpienia fibrylacji komór sercowych wzrasta nawet do około 50%. Wartości prądów stałych wywołujące wyżej wymienione skutki są mniejsze niż w przypadku prądów częstotliwości 50Hz. Wyraźnie odczuwalne reakcje organizmu następują dopiero wtedy, kiedy obwód przepływu prądu stałego zostanie przerwany (otwarty) i bezpośrednio po tym, ponownie zamknięty. Wartości prądów stałych wywołujących fibrylację komór sercowych są dla długotrwałych rażeń są nawet czterokrotnie większe od wartości prądów fibrylacyjnych o częstotliwości 50Hz. Długotrwały przepływ prądu stałego, przy braku odczuwania tego przepływu, może być przyczyną ciężkich zatruć organizmu, gdyż na skutek elektrolizy może nastąpić rozkład płynów ustrojowych Skutki termicznego oddziaływania prądu Skutki termicznego oddziaływania prądu elektrycznego na skórę człowieka zależą głównie od gęstości prądu i czasu przepływu. Przy gęstości prądu ma/mm 2 po czasie trwania rażenia rzędu kilkudziesięciu sekund tworzą się wokół elektrody pęcherze oparzeniowe. Przy większych gęstościach prądu i dłuższym czasie jego przepływu może wystąpić zwęglenie skóry, martwica skóry, mięśni, nerwów, a także 15

16 naczyń krwionośnych. Przy dużych wartościach prądu elektrycznego oparzenia mogą być tak głębokie, że tkanki skóry a nawet kości mogą ulec zwęgleniu Rodzaje ochron i środków ochrony przeciwporażeniowej Bezpieczeństwo porażeniowe osób przebywających w pobliżu urządzeń elektrycznych lub obsługujących te urządzenia zapewnia zastosowanie różnych środków ochrony. Zastosowane środki powinny tworzyć system ochrony przeciwporażeniowej, przez który należy rozumieć system współpracujących i skoordynowanych ze sobą środków ochrony oraz środków uzupełniających. Środki ochrony przeciwporażeniowej można ogólnie podzielić na: środki organizacyjne, środki techniczne. Środki organizacyjne ochrony stosowane w celu zapobieżenia porażeniom elektrycznym obejmują wprowadzone rozporządzenia wykonawcze do ustawy Prawo Energetyczne, wymagania dotyczące kwalifikacji osób zatrudnionych przy eksploatacji urządzeń energetycznych oraz wymagania dotyczące organizacji i wykonywania prac związanych z eksploatacją, konserwacją, naprawą oraz z badaniami odbiorczymi i okresowymi eksploatacyjnymi urządzeń elektrycznych. Organizacyjne środki ochrony obejmują różne działania nietechniczne typu organizacyjnego, których celem jest zapoznanie szerokiego kręgu użytkowników energii elektrycznej z potencjalnymi zagrożeniami ze strony tej energii, minimalizacja możliwości kontaktu człowieka z napięciem oraz minimalizacja skutków wypadków elektrycznych. Do działań typu organizacyjnego mających na celu zmniejszenie ryzyka zagrożeń elektrycznych należą: popularyzacja zasad prawidłowego użytkowania urządzeń elektrycznych, nauczanie zasad udzielania pierwszej pomocy porażonym i poparzonym prądem elektrycznym, stosowanie środków propagandy wizualnej w postaci plansz i plakatów popularyzujących zasady bezpiecznego użytkowania urządzeń elektrycznych, obowiązkowe szkolenie okresowe pracowników zaliczanych do grupy wzmożonego ryzyka porażeniem prądem, głównie elektryków, 16

17 ustawowy wymóg posiadania uprawnień kwalifikacyjnych przez osoby zatrudnione przy eksploatacji urządzeń i instalacji energetycznych, przestrzeganie zasad i przepisów bezpieczeństwa pracy dotyczących organizacji prac przy urządzeniach elektrycznych. Środki techniczne stanowiące właściwą ochronę przeciwporażeniową obejmują w zasadzie środki ochrony przed dotykiem bezpośrednim (ochrony podstawowej) stanowiące zabezpieczenie przed porażeniami od napięć roboczych oraz środki ochrony przy dotyku pośrednim (ochrony przy uszkodzeniu) zabezpieczające przed porażeniami od napięć dotykowych. Do technicznych środków ochrony zaliczyć należy również środki ochrony osobistej (sprzęt ochronny) mające zastosowanie głównie przy pracach konserwacyjno-remontowych, operacjach łączeniowych i czynnościach pomiarowych. Polska norma zharmonizowana PN-IEC :2000 przewiduje trzy rodzaje ochron przeciwporażeniowych: równoczesna ochrona przed dotykiem bezpośrednim i pośrednim, ochrona przed dotykiem bezpośrednim, ochrona przy dotyku pośrednim. Zestawienie rodzajów ochrony i środków ochrony przeciwporażeniowej zostały przedstawione w tabeli 1. 17

18 Tabela nr 1. Rodzaje ochron i środków ochrony przeciwporażeniowej w urządzeniach niskiego napięcia Rodzaje ochron przeciwporażeniowych Środki ochrony przeciwporażeniowej 1 2 Równoczesna ochrona przed dotykiem bezpośrednim i przy dotyku pośrednim (równoczesna ochrona podstawowa i ochrona przy uszkodzeniu) Ochrona polegająca na zastosowaniu bardzo niskiego napięcia SELV i PELV nie wymagająca ochrony przed dotykiem bezpośrednim Ochrona polegająca na zastosowaniu bardzo niskiego napięcia SELV i PELV wymagająca ochrony przed dotykiem bezpośrednim bez uziemienia SELV z uziemieniem PELV bez uziemienia SELV z uziemieniem PELV Ochrona przed dotykiem bezpośrednim (ochrona podstawowa) Ochrona polegająca na izolowaniu części czynnych Ochrona przy użyciu ogrodzeń lub obudów Ochrona przy użyciu barier Ochrona polegająca na umieszczeniu poza zasięgiem ręki Ochrona uzupełniająca za pomocą urządzeń różnicowoprądowych Ochrona za pomocą samoczynnego wyłączania zasilania w układzie TN w układzie TT w układzie IT Ochrona przy dotyku pośrednim (ochrona przy uszkodzeniu) Ochrona polegająca na zastosowaniu urządzenia II klasy ochronności lub izolacji równoważnej Ochrona polegająca na izolowaniu stanowiska Ochrona za pomocą nieuziemionych połączeń wyrównawczych miejscowych Ochrona za pomocą separacji elektrycznej 18

19 3.7. Równoczesna ochrona przed dotykiem bezpośrednim i pośrednim Równoczesna ochrona przed dotykiem bezpośrednim i pośrednim polega na zastosowaniu jednego z następujących środków: bardzo niskiego napięcia bezpiecznego SELV (ang. Safety Extra-Low Voltage) bardzo niskiego napięcia ochronnego PELV (ang. Protective Extra-Love Voltage), bardzo niskiego napięcia funkcjonalnego FELV (ang. Functional Extra-Love Voltage). W obwodach SELV instalacja jest całkowicie oddzielona od ziemi i od innych instalacji. W obwodach PELV określone części czynne mogą być połączone z uziomem ze względu na wymagania technologiczne. Ochronne obniżenie napięcia roboczego do wartości bardzo niskiego napięcia bezpiecznego stanowi najskuteczniejszy, lecz w praktyce ze względów technologicznych rzadko stosowany sposób ochrony. Tabela 2. Wartości napięć bezpiecznych U L Napięcie bezpieczne dla warunków środowiskowych Rodzaj prądu szczególneg ekstremalnego zagrożenia normalnych o (zanurzenie w wodzie) zagrożenia Przemienny 50 V~ 25 V~ 12 V~ Stały (nietętniący) 120 V 60 V 30 V Jako źródło bardzo niskiego napięcia bezpiecznego mogą być stosowane: transformatory ochronne, przetwornice ochronne, źródła elektroniczne, źródła elektrochemiczne (baterie akumulatorów), zespoły prądotwórcze napędzane silnikiem spalinowym. Wykonanie instalacji na napięcie bezpieczne wymaga spełnienia licznych warunków dotyczących właściwego doboru źródeł zasilania, układania przewodów instalacji oraz budowy i użytkowania instalacji. W szczególności transformatory i przetwornice stanowiące źródło zasilania obwodów bardzo niskiego napięcia bezpiecznego powinny spełniać wymagania II klasy 19

20 ochronności, czyli pewnego oddzielenia elektrycznego obwodu pierwotnego od obwodu wtórnego. Układy FELV są to układy zasilane napięciem nie przekraczającym wartości bardzo niskich napięć bezpiecznych, które jednakże nie spełniają wszystkich warunków zapewniających, że nie pojawią się w nich napięcia wyższe od bezpiecznego, a odnoszących się zarówno do źródeł zasilania, elementów instalacji i sposobu jej układania oraz do budowy odbiorników. Obwody te nie mogą być traktowane jako w pełni bezpieczne i wymagają ochrony takiej, jaka jest zastosowana w ich obwodach zasilających. Jeżeli napięcie znamionowe instalacji nie przekracza 25V dla prądu przemiennego lub 60V dla prądu stałego to nie jest potrzebna ochrona przed dotykiem bezpośrednim, o ile nie występują żadne szczególne warunki środowiskowe, tzn. urządzenie jest użytkowane w miejscach suchych oraz nie przewiduje się wielkopowierzchniowych dotyków ciała ludzkiego Ochrona przed dotykiem bezpośrednim Ochrona podstawowa polega na zastosowaniu jednego z następujących środków: izolowania części czynnych, użycia ogrodzeń (przegród) lub obudów (osłon), użycia barier (przeszkód), umieszczenia poza zasięgiem ręki, uzupełnienia ochrony przy użyciu wysokoczułych urządzeń ochronnych różnicowoprądowych. Izolowanie części czynnych polega na pokryciu izolacją części obwodu elektrycznego, które znajdują się pod napięciem w normalnych warunkach pracy. Izolacja ta powinna wytrzymywać obciążenia mechaniczne, chemiczne i termiczne, na jakie może być narażona w warunkach eksploatacji. Ogrodzenia lub obudowy powinny zapewniać dla znajdujących się wewnątrz części czynnych stopień ochrony co najmniej IP2X. Ogrodzenia i obudowy powinny być trwale zamocowane, a usunięcie ich powinno być możliwe jedynie przy użyciu narzędzi lub po wyłączeniu napięcia z części czynnych znajdujących się wewnątrz nich. 20

21 Bariery (przeszkody) mają za zadanie uniemożliwienie przypadkowemu dotknięciu części czynnych, natomiast nie chroni przed rozmyślnym działaniem. Bariery mogą być usuwane bez użycia narzędzi, jednak muszą być zabezpieczone przed niezamierzonym usunięciem. Zwykle stosowane są w pomieszczeniach ruchu elektrycznego. Umieszczenie poza zasięgiem ręki podobnie jak bariery, chroni przed przypadkowym dotknięciem, a nie przed rozmyślnym działaniem. Stosowanie urządzeń ochronnych różnicowoprądowych o prądzie wyzwalającym nie większym od 30 ma uważane jest za uzupełnienie ochrony, zarówno w przypadku nieskuteczności innych środków ochrony przed dotykiem bezpośrednim, jak i w przypadku nieostrożności użytkowników. Wyłączniki ochronne różnicowoprądowe lub wyłączniki współpracujące z przekaźnikami różnicowoprądowymi nie mogą być jedynym środkiem ochrony Ochrona przy dotyku pośrednim Ochrona przy dotyku pośrednim polega na zastosowaniu jednego z następujących środków: samoczynnego wyłączenia zasilania, urządzeń II klasy ochronności lub o izolacji równoważnej, izolowania stanowiska, separacji elektrycznej, nieuziemionych połączeń wyrównawczych miejscowych. Samoczynne wyłączenie zasilania powinno zapewniać szybkie wyłączenie spodziewanego napięcia dotykowego przekraczającego napięcie bezpieczne, aby nie wystąpiły żadne niebezpieczne skutki patofizjologiczne w przypadku zwarcia pomiędzy częścią czynną a częścią przewodzącą dostępną lub przewodem ochronnym obwodu. Ochrona przez samoczynne wyłączenie zasilania polega na utworzeniu pętli zwarciowych poprzez przewody ochronne łączące dostępne części przewodzące z punktem neutralnym sieci lub z ziemią (w zależności od układu sieci) oraz zastosowaniu urządzeń ochronnych zapewniających wyłączenie w odpowiednim, wymaganym przepisami czasie. 21

22 Jako urządzenia ochronne powodujące wyłączenie odbiornika lub obwodu mogą być zastosowane: urządzenia przetężeniowe (nadmiarowoprądowe), do których należą wyłączniki z wyzwalaczami nadprądowymi lub przekaźnikami nadprądowymi oraz bezpieczniki z wkładami topikowymi, urządzenia ochronne różnicowoprądowe, do których należą wyłączniki różnicowoprądowe i wyłączniki i styczniki współpracujące z przekaźnikami różnicowoprądowymi. Samoczynne szybkie wyłączanie zasilania jest najczęściej stosowanym i najpewniejszym środkiem ochrony dodatkowej stosowanym w układach sieciowych TN, TT oraz IT Ochrona w układzie TN W układach sieciowych TN ochronę przez samoczynne wyłączenie zasilania uzyskuje się poprzez połączenie części przewodzących dostępnych z przewodem ochronnym PE lub przewodem ochronno-neutralnym PEN, co przy zwarciu części czynnych powoduje przepływ prądu zwarciowego do dostępnych części przewodzących i samoczynne odłączenie odbiornika od zasilania. Maksymalne czasy wyłączenia w układzie TN w zależności od napięcia fazowego oraz od warunków środowiskowych podano w tabeli 3. Tabela 3. Maksymalny czas wyłączenia w układzie TN Maksymalny czas wyłączenia w [s] Napięcie dla warunków środowiskowych względem normalnych szczególnych ziemi U L 50 [V ~ ], U L 120 [V ] U L 25 [V ~ ], U L 60 [V ] U 0 [V] 120 0,8 0, ,4 0, ,4 0, ,2 0, ,1 0, ,1 0,02 Warunek samoczynnego wyłączenia zasilania zostanie spełniony, jeżeli: 22

23 gdzie: Z - impedancja pętli zwarciowej, s Z s I a U o I a - prąd powodujący samoczynne zadziałanie urządzenia zabezpieczającego w określonym w czasie, U o - napięcie znamionowe względem ziemi. Czas odłączenia napięcia dłuższy od podanego w tabeli nr 3, ale nie przekraczający 5 sekund dopuszcza się: w sieciach rozdzielczych i wewnętrznych liniach zasilających, w obwodach odbiorczych, do których przyłączone są jedynie odbiorniki stacjonarne. Przepisy określają warunki niezbędne do spełnienia, gdy z rozdzielnicy zasilane są odbiorniki, dla których wymagany jest różny czas wyłączania, odnoszący się do ograniczenia impedancji przewodu ochronnego oraz do stosowania połączeń wyrównawczych miejscowych. Prąd I a zapewniający samoczynne zadziałanie urządzenia zabezpieczającego powinien być wyznaczony na podstawie ich charakterystyk czasowo-prądowych. Jeżeli urządzeniem ochronnym jest urządzenie ochronne różnicowoprądowe, prąd I a jest znamionowym prądem wyzwalającym I. Δn Ochrona w układzie TT W układzie sieciowym TT ochrona polega na połączeniu części przewodzących dostępnych chronionych za pomocą urządzeń ochronnych przetężeniowych lub różnicowoprądowych, z uziomem. Przy zwarciu części czynnej z częścią przewodzącą dostępną, powinno nastąpić samoczynne odłączenie odbiornika od sieci w wymaganym czasie lub obniżenie napięcia dotykowego na częściach przewodzących do wartości bardzo niskiego napięcia bezpiecznego U L. W układzie TT powinien być spełniony warunek: 23

24 R A I a U L gdzie: R A - suma rezystancji uziomu i przewodu ochronnego łączącego uziom z częścią przewodzącą dostępną, I a - prąd zapewniający samoczynne zadziałanie urządzenia ochronnego, U L - napięcie dotykowe dopuszczalne długotrwale. Przy rezystancji uziomu dobranej zgodnie z w/w warunkiem nastąpi szybkie wyłączenie, gdy prąd zwarciowy I Z ograniczony sumą rezystancji uziomu roboczego punktu neutralnego transformatora i uziomu ochronnego przekroczy wartość I a. Jeżeli prąd I Z będzie mniejszy niż I a to powinno nastąpić obniżenie napięcia dotykowego do wartości bezpiecznej U L. W praktyce spełnienie warunku samoczynnego wyłączenia jest zapewnione przy małych mocach odbiorników lub przy stosowaniu jako urządzeń ochronnych wyłączników różnicowoprądowych Ochrona w układzie IT Niskonapięciowe układy sieciowe IT stosuje się w dwóch celach: zapewnienia wysokiej niezawodności zasilania odbiorów (np. zasilanie sal operacyjnych, zasilanie oświetlenia lotnisk, zasilanie urządzeń pomocniczych maszyn wyciągowych i wentylatorów głównego przewietrzania kopalń głębinowych) - dopuszcza się możliwość pracy awaryjnej układu sieciowego po wystąpieniu pierwszego zwarcia doziemnego, zapewnienia wysokiej skuteczności ochrony przeciwporażeniowej przy dotyku pośrednim (np. zasilanie wszystkich urządzeń w podziemnych wyrobiskach kopalń głębinowych) - zasilanie urządzeń jest wyłączane po wystąpieniu pierwszego zwarcia doziemnego. Cechami wyróżniającymi ten układ sieciowy są przede wszystkim: izolowany punkt neutralny transformatora zasilającego oraz układ kontroli stanu izolacji w postaci zabezpieczenia upływowego, kontrolujący w sposób ciągły rezystancję izolacji całej galwanicznie połączonej sieci. W układach sieciowych IT występują trzy sposoby wykonania uziemień ochronnych: indywidualne, grupowe i zbiorowe. Z tych właśnie różnic wynika bardzo ważny fakt, a mianowicie, droga, jaką zamyka się ścieżka prądu doziemnego. W przypadku sieci uziemionych następuje to poprzez przewód PE i rezystancję uziemienia, w sieciach IT może nastąpić wyłącznie przez 24

25 pojemności doziemne całości instalacji. W związku z tym w sieciach IT występują małe, zależne od ich pojemności, prądy doziemne. Prąd pojedynczego zwarcia z ziemią ma charakter prądu pojemnościowego i jego ograniczona wartość (zwykle poniżej 1A) nie wystarcza do spełnienia warunku szybkiego wyłączenia, ale za to z reguły występuje skuteczne obniżenie napięcia dotykowego do bezpiecznego w danych warunkach środowiskowych, zwykle 50V lub 25V. Powyższe wymaganie określone jest wzorem: R A I a U L gdzie: R A - suma rezystancji uziomu i przewodu ochronnego łączącego uziom z częścią przewodzącą dostępną, I a - prąd pojedynczego zwarcia między przewodem fazowym a częścią przewodzącą dostępną (prąd doziemny), U L - napięcie dotykowe dopuszczalne długotrwale. Zaleca się, aby pojedyncze zwarcie doziemne było usuwane możliwie szybko, co zmniejsza prawdopodobieństwo wystąpienia podwójnych zwarć doziemnych. Urządzenie do kontroli stanu izolacji powinno przy zwarciu doziemnym działać na sygnał dźwiękowy lub/i świetlny. W układach sieciowych IT ochrona przeciwporażeniowa przy dotyku pośrednim może przebiegać jednostopniowo lub dwustopniowo: jednostopniowo (z niedopuszczeniem do awaryjnej pracy układu sieciowego z jednofazowym doziemieniem) poprzez: 1) wykonanie wybranego systemu uziemień ochronnych i ograniczeniem wartości napięcia dotykowego do wartości dopuszczalnej długotrwale, 2) wyłączenie pierwszego zwarcia doziemnego przez wyłączniki różnicowoprądowe lub urządzenie kontroli stanu izolacji, dwustopniowo (z czasowym zezwoleniem na awaryjną pracę układu sieciowego z jednofazowym doziemieniem) poprzez: I stopień 1) wykonanie wybranego systemu uziemień ochronnych i ograniczeniem wartości napięcia dotykowego do wartości dopuszczalnej długotrwale, 25

26 2) sygnalizację pierwszego zwarcia doziemnego przez urządzenie kontroli stanu izolacji, 3) rozpoczęcie lokalizacji i usunięcie miejsca wystąpienia pierwszego zwarcia doziemnego, II stopień 1) samoczynne wyłączenie drugiego zwarcia doziemnego (poprzez sprowadzenie do pojedynczego zwarcia doziemnego) przez zabezpieczenia nadmiarowo prądowe oraz wyłączniki różnicowoprądowe, 2) ograniczenie wartości napięć dotykowych poprzez wykonanie lokalnych połączeń wyrównawczych (jako uzupełnienie ochrony). Należy podkreślić, że po wystąpieniu pierwszego zwarcia doziemnego w sieci IT i czasowym tolerowaniu tego awaryjnego stanu pracy układu zasilania, nie może dojść do utraty skuteczności ochrony przeciwporażeniowej. O tym, że ochrona przeciwporażeniowa może być i wówczas skuteczna, świadczy przypadek powszechnie spotykanego układu sieciowego TN-S, który jest niczym innym jak awaryjnym stanem pracy układu sieciowego IT po wystąpieniu pierwszego zwarcia doziemnego w punkcie neutralnym transformatora. Warunki wyłączania podwójnego zwarcia z ziemią zależą od sposobu uziemienia części przewodzących dostępnych i przy uziemieniu: indywidualnym lub grupowym, warunki analogiczne jak dla układu TT, zbiorowym, warunki analogiczne jak dla układu TN. Aby nastąpiło szybkie wyłączenie powinny być spełnione następujące warunki: dla układu IT bez przewodu neutralnego: Z S 3 U 0 = 2 I a dla układu IT z przewodem neutralnym: Z ' S U 0 = 2 I a gdzie: Z S - impedancja pętli zwarcia obejmującej przewód fazowy i przewód ochronny obwodu, 26