ĆWICZENIE NR 1 BADANIE PODSTAWOWYCH ZABEZPIECZEŃ INSTALACJI NISKIEGO NAPIĘCIA 1. Podstawy teoretyczne Ochrona przed dotykiem pośrednim przez zastosowanie samoczynnego wyłączenia zasilania to najbardziej rozpowszechniony sposób ochrony. Ochrona ta polega na spowodowaniu w określonym czasie samoczynnego wyłączenia chronionego obwodu lub urządzenia w przypadku uszkodzeń zwarć miedzy częścią czynna i częścią przewodzącą dostępną lub przewodem ochronnym tego obwodu albo urządzenia wywołujących napięcie dotykowe na częściach przewodzących dostępnych o wartościach niebezpiecznych dla zdrowia i życia. Graniczne dopuszczalne długotrwale napięcia dotykowe są równe 50 V dla prądu przemiennego i 120 V dla prądu stałego nietętniącego, a w warunkach zwiększonego zagrożenia wynoszą one odpowiednio 25 oraz 60 V. Samoczynne wyłączenie zasilania jest wymagane wtedy, gdy ze względu na wartość i czas utrzymywania się napięcia dotykowego w wyniku uszkodzenia izolacji podstawowej, mogą wystąpić niebezpieczne dla ludzi skutki patofizjologiczne. W przypadku powstania zwarcia pomiędzy przewodem liniowym a częścią przewodzącą dostępną lub przewodem ochronnym w obwodzie, urządzenie ochronne powinno samoczynnie przerwać zasilanie przewodu liniowego lub urządzenia, w wymaganym czasie. Samoczynne wyłączenie zasilania według PN-HD 60364-4-41 jest środkiem ochrony, w którym: ochrona podstawowa jest zapewniona przez podstawową izolację części czynnych lub przez przegrody lub obudowy oraz ochrona przy uszkodzeniu jest zapewniona przez ochronne połączenia wyrównawcze i samoczynne wyłączenie w przypadku uszkodzenia. Samoczynne wyłączenie jest najczęściej stosowanym środkiem ochrony przy uszkodzeniu w układach TN, TT i IT. Dla każdego z tych układów obwód prądu zwarciowego jest inny, dlatego stawiane są inne wymagania dotyczące czasu samoczynnego wyłączenia zasilania i uziemień przewodów ochronnych. 1
Maksymalny czas wyłączenia w przypadku pojedynczego uszkodzenia w układzie TN i TT mają różne wartości dla: a) końcowych obwodów odbiorczych w układach TN i TT, w których prądy nie mogą przekraczać 32 A, b) obwodów odbiorczych w układach TN i TT nie wymienionych w p. a, c) obwodów rozdzielczych w układach TN i TT. Maksymalne czasy wyłączenia podane w tablicy powinny być stosowane do obwodów końcowych w układach TN i TT o prądzie nieprzekraczającym 32 A. Maksymalne czasy wyłączenia W przypadku gdy samoczynne wyłączenie nie może być uzyskane w czasie wymaganym, to należy zastosować ochronę uzupełniającą przez zastosowanie dodatkowego połączenia wyrównawczego lub wyłącznik różnicowoprądowy (RCD) jako urządzenie wyłączające. 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 przewodu liniowego w wymaganym czasie. Takie połączenie, w 2
przypadku uszkodzenia izolacji podstawowej, tworzy metaliczną pętlę zwarciową (oznaczoną na rysunku linią przerywaną). Rys.1. Obwód jednofazowego zwarcia w układzie TN-C-S Parametry urządzeń ochronnych i impedancja obwodu powinna spełniać następujący warunek: Z s x I a U o gdzie: Z s impedancja pętli zwarciowej, w Ω, obejmującej źródło zasilania, przewód liniowy aż do punktu zwarcia i przewody ochronne między punktem zwarcia a źródłem, I a prąd wyłączający, powodujący samoczynne zadziałanie urządzenia zabezpieczającego w wymaganym czasie, U o - napięcie znamionowe instalacji a.c. lub d.c. przewodu liniowego względem ziemi, w V. Prąd I a zapewniający samoczynne zadziałanie urządzenia zabezpieczającego powinien być wyznaczony na podstawie charakterystyk czasowo-prądowych. Jeżeli jest stosowane urządzenie ochronne różnicowoprądowe (RCD), prąd I a jest różnicowym prądem zadziałania zapewniającym wyłączenie w czasie określonym w PN-HD 60364. Jeżeli urządzeniem ochronnym jest wyłącznik różnicowoprądowy, to czasy wyłączenia odnoszą się do przewidywanych różnicowych prądów zwarcia większych niż znamionowy prąd różnicowy RCD (zwykle 5 I Δn ). 3
2. Wyłączniki instalacyjne i bezpieczniki Jednym z elementów ochrony przeciwporażeniowej a jednocześnie zabezpieczeń sieci i urządzeń niskiego napięcia przed przeciążeniami i zwarciami są bezpieczniki topikowe. Przerwanie obwodu elektrycznego bezpiecznika realizowane jest przez przetopienie się jednego z jego elementów (wkładki topikowej). Przetopienie elementu topikowego powoduje zapłon łuku, który jest dalej podtrzymany płynącym prądem awaryjnym. Aby łuk zgasł, a tym samym nastąpiło przerwanie obwodu, natężenie prądu musi spaść poniżej wartości progowej. Aby przyspieszyć proces gaszenia łuku, topik zasypany jest piaskiem kwarcowym, piasek rozprasza i chłodzi łuk. Do gaszenia łuku stosuje się też układy wydmuchiwania łuku oraz wypełnianie bezpieczników płynem. Główne zastosowanie bezpieczników to: instalacje domowe (obwody oświetleniowe, gniazda wtykowe). Chronią przewody, mienie i życie ludzkie przed niebezpiecznymi skutkami działania prądu elektrycznego rys. 2a, zabezpieczenie kabli i przewodów przed prądami przeciążeniowymi i zwarciowymi. Dzięki charakterystyce pozwalającej na przepływ prądów rozruchowych silników mogą służyć również do zabezpieczeń obwodów silnikowych, a także jako zabezpieczenie zwarciowe innych urządzeń w instalacji elektrycznej rys.2b, zabezpieczenie przemysłowych instalacji elektroenergetycznych przed skutkami zwarć i przeciążeń. Wkładki topikowe przemysłowe są mocowane w podstawach bezpiecznikowych przy pomocy izolacyjnego uchwytu rys.2c. a) b) c) Rys.2. Widok bezpieczników n.n. 4
Kategorie pracy bezpieczników oznacza się dwiema literami. Pierwsza z nich oznacza klasę działania, a druga chroniony obiekt. Klasy działania określają jednoznacznie, jaki zakres prądowy może być wyłączony przez zabezpieczenie: Kategoria pracy g: zabezpieczenie pełnozakresowe. Wkładki bezpiecznikowe, które przenoszą prądy ciągłe co najmniej do wartości prądu nominalnego obwodu, a prądy o mniejszej wartości zadziałania mogą wyłączyć do wartości nominalnego prądu wyłączania (zabezpieczenie przeciw przeciążeniu i zwarciu). Kategoria działania a: zabezpieczenia niepełno-zakresowe. Wkładki bezpiecznikowe, które przenoszą ciągle prądy do wartości prądu nominalnego obwodu, a prądy powyżej pewnej określonej krotności prądu nominalnego obwodu mogą wyłączyć do nominalnego prądu wyłączenia. Określone obiekty chronione: G - zabezpieczenie urządzenia ogólnego przeznaczenia, L - zabezpieczenie przewodów i kabli, M - zabezpieczenie silników, Tr - zabezpieczenie transformatorów, B - zabezpieczenie urządzeń elektroenergetycznych górniczych, R - zabezpieczenie elementów energoelektronicznych (tyrystorów, diod). Podstawową charakterystyką bezpieczników jest charakterystyka czasowo-prądowa wykreślona w formie logarytmicznej (rys.3). Przy projektowaniu zabezpieczeń instalacji elektrycznej należy posługiwać się charakterystykami pasmowymi czasowo-prądowymi (t-i) bezpieczników topikowych, odczytując wartości prądów zadziałania z górnej krzywej, czyli maksymalne czasy wyłączania (rys.4). 5
Rys.3. Przykładowe (pasmowe) charakterystyki czasowo-prądowe bezpieczników Rys.4. Sposób odczytywania czasów zadziałania z charakterystyk pasmowych bezpieczników Wyłączniki instalacyjne (rys.5) są przeznaczone do zasilania i zabezpieczania obwodów w instalacjach odbiorczych w budynkach. Są konstruowane jako 1, 2, 3 i 4-ro biegunowe. Powszechnie stosowany zakres ich prądów znamionowych to (6 32) A, choć produkowane 6
są również wyłączniki instalacyjne o prądach znamionowych spoza tego przedziału: na wyższe prądy do 125 A, oraz wyłączniki na bardzo niskie prądy rzędu (0,5 2) A. Rys.5. Widok wyłącznika instalacyjnego Wyłącznik instalacyjny jest przedstawicielem wyłącznika o tzw. budowie modułowej, czyli wyposażonego w wyzwalacze przetężeniowe o charakterystykach nienastawialnych. Wyłącznik ma dwa wyzwalacze: zwarciowy (elektromagnetyczny lub elektroniczny), przeciążeniowy (termobimetaliczny lub elektroniczny). Wyłączniki instalacyjne przystosowane są do wielokrotnego zadziałania, a czułość ich zadziałania jest większa niż powszechnie stosowanych wkładek topikowych. W zależności od bezzwłocznego zakresu zadziałania wyzwalacza elektromagnesowego, czasowo-prądowe charakterystyki wyłącznika dzieli się na 3 typy: B, C oraz D (rys.6). 7
Rys.6. Charakterystyka czasowo-prądowa wyłączników instalacyjnych typu B, C i D 3. Wyłączniki różnicowo-prądowe Wyłącznik różnicowo-prądowy oznaczany powszechnie ogólnym symbolem RCD (ang. Residual Current protective Device) to urządzenie, które rozłącza obwód, gdy wykryje, że prąd elektryczny wypływający z obwodu nie jest równy prądowi wpływającemu. Służące do ochrony ludzi przed porażeniem prądem elektrycznym przy dotyku pośrednim, jak i bezpośrednim, ogranicza także skutki uszkodzenia urządzeń, w tym wywołanie pożaru. Obecnie na świecie istnieje wiele rozwiązań wyłączników różnicowoprądowych. 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. 7. Podstawowym elementem wyłącznika różnicowoprądowego jest przekładnik sumujący Ferrantiego 1, przez którego rdzeń 8
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 równicę 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 L1 + i L2 + i L3 + i N = 0 W takim przypadku wypadkowy strumień magnetyczny płynący w rdzeniu przekładnika Ferrantiego wynosi zero. 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 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.7. Wyłącznik różnicowoprądowy; a) widok, b) sposób przyłączania do sieci 9
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 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. 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. 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 wiec 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 (patrz tabela poniżej). Wyłączniki różnicowoprądowe produkowane są na różne wartości prądu znamionowego ciągłego oraz prądu znamionowego różnicowego. Zalecane wartości prądu 10
znamionowego I n wynoszą: 6-8-10-13-16-20-25-32-40-50-63-80-100-125 A. Produkowane są także wyłączniki na prądy 160-200 i 250 A. Wartości znormalizowane prądu znamionowego różnicowego wynoszą: 6-10-30-100-300-500-1000 ma. Tabela. Oznaczenia na wyłącznikach różnicowoprądowych 11
4. Przebieg ćwiczenia wykonać pomiar rezystancji izolacji wskazanego obwodu elektrycznego. Wyniki porównać z wartościami minimalnymi zawartymi w normie (patrz tabela poniżej) wykonać pomiar ciągłości przewodu PE. wykonać badanie impedancji pętli zwarcia i na tej podstawie dobrać najmniejszy możliwy bezpiecznik i wyłącznik instalacyjny o charakterystyce wskazanej przez prowadzącego, wykonać badania wyłącznika różnicowo-prądowego. 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) In. Pomiar prądu zadziałania wyłączników typu B wymaga zastosowania specjalnych testerów umożliwiających wymuszenie stałego prądu różnicowego. Pomiar czasu wyłączenia wyłącznika. Odbywa się za pomocą miernika (testera) wyłączników różnicowoprądowych. W poniższej tablicy zestawiono znormalizowane wartości czasów zadziałania wyłączników różnicowoprądowych 12
przy prądach różnicowych równych odpowiednio: I n, 2x I n, 5x I n dla wyłączników typu AC. 13