Ćwiczenie 5 ZABEZPIECZENIA PRZECIWPORAŻENIOWE Celem ćwiczenia jest poznanie środków ochrony od porażeń prądem elektrycznym. Ćwiczenie polega na sprawdzeniu działania różnych środków ochrony przed dotykiem bezpośrednim i pośrednim stosowanych w urządzeniach pracujących w najczęściej stosowanych układach sieciowych prądu przemiennego. 1. Wprowadzenie Współczesna cywilizacja praktycznie nie mogła by istnieć bez energii elektrycznej. Uniwersalność tego rodzaju energii polega między innymi na tym, iż można ją bardzo łatwo przemieniać na inne formy energii (mechaniczną, cieplną itp.), istnieje do niej łatwy dostęp i możliwość dostarczania praktycznie w każde miejsce. Przebywanie w pobliżu urządzeń elektrycznych związane jest z pewnym zagrożeniem polegającym na występowaniu niebezpieczeństwa porażenia prądem. Konieczne jest więc zminimalizowanie tego zagrożenia poprzez stosowanie odpowiednich środków technicznych i organizacyjnych mających na celu zmniejszenie prawdopodobieństwa porażenia lub zmniejszenie jego skutków. Środki ochrony przeciwporażeniowej, których zadaniem jest niedopuszczenie do przepływu przez ciało człowieka prądu rażeniowego noszą nazwę ochrony przed dotykiem bezpośrednim. W praktyce środki te w znaczny sposób ograniczają możliwość porażenia prądem. Jednak nie powodują całkowitego wyeliminowania tego niebezpieczeństwa. Z tego powodu konieczne jest stosowanie, oprócz ochrony przed dotykiem bezpośrednim, dodatkowych środków, których zadaniem jest ograniczenie skutków porażenia prądem w przypadku jego wystąpienia. Środki te działają w przypadku dotknięcia części przewodzących znajdujących się pod napięciem (na przykład w wyniku uszkodzenia izolacji) i noszą nazwę ochrony przed dotykiem pośrednim lub ochrony dodatkowej. Prąd elektryczny przepływający przez żywy organizm wywołuje w nim zmiany fizyczne, chemiczne i biologiczne, które to zmiany nazywa się porażeniem elektrycznym. Skutki porażenia zależne są między innymi od rodzaju prądu (stały, przemienny), wartości prądu rażeniowego, częstotliwości, oraz drogi przepływy przez ciało. Przy porażeniu prądem przemiennym o częstotliwości 50 Hz najczęściej występuje migotanie komór serca. Stan ten należy do najtrudniej odwracalnych. Migotanie (fibrylacja) polega na niesynchronicznych skurczach poszczególnych włókien mięśnia sercowego, dokonujących się z dużą częstotliwością 300 500 na minutę (w porównaniu z częstotliwością normalną 70 na minutę). Brak synchronizacji skurczów włókien jest przyczyną ustania pracy serca, w wyniku czego może nastąpić śmierć. Na podstawie badań przyjęto, że graniczny prąd bezpieczny, mogący długotrwale płynąć przez ciało człowieka nie powodując migotania komór serca wynosi: - 30 ma dla prądu przemiennego 50 Hz - 70 ma dla prądu stałego Jak wynika z prawa Ohma, im większa impedancja, tym mniejszy prąd popłynie przy tym samym napięciu. Prawo to obowiązuje również w odniesieniu do impedancji ciała ludzkiego (prąd rażeniowy zależy od impedancji ciała oraz napięcia, pod którego działaniem może znaleźć się człowiek.) która zależna jest od wielu czynników. Wartość impedancji ciała zależy między innymi od napięcia dotykowego, drogi i czasu przepływu prądu rażeniowego, jego częstotliwości, wilgotności skóry, temperatury, itp. Ciało człowieka jest środowiskiem elektrolitycznym, zdysocjowanym, wobec czego przewodnictwo elektryczne ma tu charakter
jonowy. Składnik reaktancji pojemnościowej w impedancji ciała ludzkiego jest pomijalnie mały, szczególnie przy niskich częstotliwościach prądu rażeniowego. Z tego względu w zagadnieniach związanych z bezpieczeństwem zwykło się mówić jedynie o rezystancji ciała ludzkiego. W tablicy 1 podano wartości rezystancji ciała ludzkiego według dyrektywy IEC na drodze dłoń dłoń. Tablica 1. Rezystancja ciała ludzkiego wg. IEC raport 479 (dłoń - dłoń) Napięcie rażenia Wartości impedancji ciała, których nie przekracza odpowiednia część populacji [Ω ] U r [V ] 5% ( R c5% ) 50%( R c50% ) 95%( R c95% ) <25 1750 3250 6100 50 1450 2630 4370 125 1200 1870 3200 230 1000 1350 2120 700 750 1100 1550 1000 700 1050 1500 >1000 650 750 850 Jak wspomniano, wartość rezystancji ciała zależy między innymi od drogi przepływu prądu. Przy analizie kontaktu człowieka z prądem elektrycznym często wykorzystywana jest zależność na rezystancję ciała Rc = kc Rc5 %. Współczynnik poprawkowy k c zawarty jest w przedziale 0,2 1 w zależności od drogi przepływu prądu (np. ręka noga - k c = 1; plecy ręka - k c = 0, 25). Ze względu na spodziewaną wartość rezystancji ciała, przewidziano różne wartości napięć bezpiecznych (nie wywołujących przepływu niebezpiecznych prądów rażeniowych), oraz czasy wyłączeń poszczególnych zabezpieczeń w zależności od warunków panujących w środowisku życia człowieka. Warunki, w których może przebywać człowiek podzielono na trzy klasy środowiskowe, w zależności od wilgotności, spodziewanej temperatury, swobody ruchu i innych czynników potencjalnie niebezpiecznych. Do warunków normalnych (środowisko I klasy) zalicza się takie pomieszczenia jak lokale mieszkalne, biurowe, szpitale, szkoły itp. Dla tych warunków, wartość bezpiecznego napięcia dotykowego przyjmuje się dla częstotliwości 50 Hz na poziomie 50 V. Dla prądu stałego wartość bezpiecznego napięcia długotrwałego wynosi tu 100 V. Warunki niebezpieczne (środowisko II klasy) to takie, w których występują mokre pomieszczenia, mokra skóra, podłogi o małej rezystancji, itp. Do środowisk szczególnie niebezpiecznych zaliczamy tereny otwarte, łazienki, sauny, pomieszczenia o wilgotności względnej większej niż 75%, oraz temperaturze powyżej 35ºC lub poniżej -5ºC. Wartość bezpiecznego napięcia dotykowego dla prądu przemiennego 50Hz przyjmuje się tu jako 25V (60 V dla prądu stałego). Warunki szczególnie niebezpieczne (środowisko III klasy) są to pomieszczenia o bardzo dużej wilgotności (rzędu 100%) i wysokiej temperaturze, w których występuje ograniczona swoboda ruchów. Są to przede wszystkim huty, baseny, kuchnie zbiorowego żywienia, zbiorniki metalowe itp. W takich warunkach wartość napięcia bezpiecznego długotrwałego nie może przekraczać 12V dla prądu przemiennego 50 Hz i 30 V dla prądu stałego. Jak już wspomniano negatywne skutki porażenia zależą nie tylko od wartości prądu rażeniowego, lecz również od czasu jego przepływu. W zależności od typu sieci i napięcia
znamionowego ustalono maksymalne czasy odłączenia uszkodzonego odbiornika od zasilania. Przykładowe wartości dla sieci TN pokazano w tablicy 2. Tablica 2. Maksymalne czasy odłączenia odbiornika od źródła w sieci TN. Napięcie fazowe względem Środowisko klasy I Środowisko klasy II ziemi U 0 [V] t r [s] t r [s] 120 0,80 0,35 230 0,40 0,20 277 0,40 0,20 400 0,20 0,05 480 0,10 0,05 Poza omówionymi zagrożeniami bezpośredniego narażenia życia lub zdrowia ludzi w wyniku porażenia prądem, istnieją jeszcze tzw. zagrożenia pośrednie użytkowania energii elektrycznej. Zagrożenia te polegają na możliwości uszkodzenia ciała człowieka w wyniku zaistnienia takich zjawisk jak błyski podczas zwarcia w instalacji, wysokiej temperatury łuku elektrycznego, eksplozji lub implozji urządzenia, powstania pożaru, itp. 2. Ochrona przeciwporażeniowa Działanie, którego celem jest zmniejszenie szkodliwych skutków rażenia polega na zastosowaniu odpowiednich środków powodujących: - zmniejszenie wartości prądu rażeniowego - skrócenie czasu przepływu prądu rażeniowego Zmniejszenie prądu do wartości bezpiecznej można uzyskać poprzez zmniejszenie napięcia dotykowego, lub zwiększenie rezystancji obwodu rażeniowego. Jeżeli sposób ten nie daje pozytywnych rezultatów, należy stosować środki powodujące dostatecznie szybkie wyłączenie prądu. Zgodnie z obowiązującą normą (PN-IEC 60364-4-41), środki ochrony przeciwporażeniowej w urządzeniach elektrycznych o napięciu nie przekraczającym 1 kv dzieli się na: - środki zapewniające jednoczesną ochronę przed dotykiem bezpośrednim i pośrednim - środki ochrony przed dotykiem bezpośrednim - środki ochrony przed dotykiem pośrednim 2.1. Środki zapewniające równoczesną ochronę przed dotykiem bezpośrednim i pośrednim Równoczesna ochrona przed dotykiem bezpośrednim i pośrednim realizowana może być w obwodach bardzo niskich napięć, nie przekraczających 50V dla warunków normalnych i 25 V dla niebezpiecznych. Obwody te rozróżnia się w zależności od faktu izolacji od ziemi: - SELV obwody bardzo niskiego napięcia bezpiecznego izolowane od ziemi - PELV obwody bardzo niskiego napięcia bezpiecznego uziemione Zastosowanie tego typu ochrony nie powoduje niebezpieczeństwa dla ludzi zarówno w przypadku dotyku pośredniego jak i bezpośredniego.
2.2. Środki ochrony przed dotykiem bezpośrednim Ochrona przed dotykiem bezpośrednim (ochrona podstawowa) stosowana jest w przypadku urządzeń zasilanych napięciem niebezpiecznym i ma na celu uniemożliwienie bezpośredniego dotknięcia części czynnych. Do środków ochrony podstawowej zaliczyć można: - izolację elektryczną części czynnych w sposób uniemożliwiający bezuszkodzeniowe pozbycie się izolacji. - ogrodzenia, obudowy i bariery, których zadaniem jest uniemożliwienie zbliżenia się do części czynnych lub ich dotknięcia. - umieszczenie części czynnych poza zasięgiem ręki (np. przewody linii napowietrznych). W przypadku nieskuteczności wymienionych środków ochrony przed dotykiem bezpośrednim można dodatkowo stosować wyłączniki różnicowoprądowe ( I ) o prądzie wyzwalania nie większym niż 30 ma. 2.3. Środki ochrony przed dotykiem pośrednim Środki ochrony przed dotykiem pośrednim stosowane są w urządzeniach zasilanych napięciem niebezpiecznym, w przypadku, gdy wystąpi uszkodzenie izolacji podstawowej i na dostępnych częściach przewodzących instalacji pojawia się napięcie dotykowe niebezpieczne. Zgodnie z obowiązującą normą, ochrona przed dotykiem pośrednim (ochrona dodatkowa) polega na zastosowaniu: - samoczynnego wyłączania zasilania - urządzeń II klasy ochronności - izolowania stanowiska - nieuziemionych połączeń wyrównawczych miejscowych - separacji elektrycznej Środki te mają za zadanie obniżyć napięcie dotykowe do poziomu bezpiecznego (uziemianie, połączenia wyrównawcze) i/lub odłączyć uszkodzone urządzenie od zasilania w dostatecznie krótkim czasie. 2.3.1. Samoczynne wyłączenie zasilania Ochrona dodatkowa przez wyłączenie zasilania powinna zadziałać przy zwarciu między czynną częścią obwodu elektrycznego a częścią przewodzącą. Jej działanie polega na wyłączeniu napięcia dotykowego wyższego niż napięcie bezpieczne w czasie tak krótkim, by nie wystąpiły skutki niebezpieczne dla zdrowia człowieka. Aby spełnić to wymaganie, każde zwarcie w urządzeniu elektrycznym w wyniku którego pojawi się niebezpieczne napięcie dotykowe (wyższe niż 50 V dla napięcia przemiennego w warunkach normalnych), musi spowodować przepływ prądu, który zapewni wyłączenie zasilania w dostatecznie krótkim czasie. Wynika stąd, że ochrona przez samoczynne wyłączenie zasilania polega na: - stworzeniu odpowiedniej drogi przepływu prądu zwarciowego, zwanej pętlą zwarcia - zapewnieniu samoczynnego wyłączenia prądu zwarciowego przez odpowiednie urządzenie ochronne.
Stworzenie pętli zwarcia wymaga ułożenia przewodów ochronnych łączących wszystkie dostępne części przewodzące urządzeń elektrycznych z punktem neutralnym sieci lub z ziemią. Urządzeniami ochronnymi samoczynnie wyłączającymi są: - urządzenia ochronne przetężeniowe, do których zaliczamy bezpieczniki topikowe albo wyłączniki samoczynne z wyzwalaczami lub przekaźnikami nadprądowymi - urządzenia ochronne różnicowoprądowe Zadziałanie urządzenia ochronnego zależy od wartości prądu przez nie płynącego. Do obliczenia prądu zwarciowego należy znać wartość napięcia dotykowego. Z pomiarów należy określić impedancję pętli zwarcia. Dysponując tymi danymi, można na podstawie prawa Ohma określić wielkość prądu płynącego przy zwarciu. Porównując te dane z charakterystyką czasowo prądową wyłącznika można określić czas, w którym zabezpieczenie zadziała. Opisana procedura jest podstawą prawidłowego doboru urządzeń ochronnych. Podstawowe typy wyłączników omówiono poniżej. 2.3.1.1. Bezpieczniki topikowe Bezpieczniki topikowe były historycznie pierwszymi zabezpieczeniami stosowanymi w układach elektrycznych. Wewnątrz obudowy bezpiecznika znajduje się kalibrowany drucik (tzw. topik), bądź wkładka. Przy przekroczeniu prądu znamionowego bezpiecznika następuje cieplne zniszczenie topika bądź wkładki w wyniku generacji ciepła zgodnie z prawem Joule a. Przerwanie obwodu następuje w odpowiednim czasie, zależnym od prądu płynącego przez zabezpieczenie. Na rys. 2.1.a. pokazano przykładowy wygląd wkładki i topika, natomiast na rys. 2.1.b. charakterystykę czasowo prądową bezpieczników topikowych. Bezpieczniki dzielą się na szybkie (Wts) i zwłoczne (Wtz), służące do zabezpieczania obwodów, w których w warunkach normalnej eksploatacji krótkotrwale mogą występować duże prądy. Rys. 2.1. Bezpiecznik topikowy. a) wygląd wkładek; b) charakterystyka czasowo - prądowa
2.3.1.2. Urządzenia ochronne nadmiarowoprądowe Wyłączniki instalacyjne nadprądowe są konstrukcjami zdecydowanie bardziej nowoczesnymi niż bezpieczniki topikowe. W aparatach takich wykorzystuje się dwa rodzaje wyzwalania: cieplne i elektromagnetyczne. Zabezpieczenia cieplne wykonywane są w postaci termobimetali. Rozwiązanie to powoduje wyzwalanie stosunkowo powolne, działające na stosunkowo niewielkie przekroczenie prądu znamionowego wyłącznika. Wyzwalacze elektromagnesowe są zabezpieczeniami szybkimi, reagującymi na szybkość narastania prądu wyłącznika. W zależności od bezzwłocznego zakresu zadziałania wyzwalacza elektromagnesowego, czasowo-prądowe charakterystyki wyłącznika dzieli się na 3 typy: B, C oraz D. Na rys. 2.2 pokazano schemat, oraz charakterystyki czasowo prądowe wszystkich typów podstawowego wyłącznika S-191. Poszczególne typy wyłączników służą do zabezpieczania odmiennych obwodów. Typ B jest typem podstawowym, w którym zabezpieczenie cieplne działa w zakresie 1,13 do 1,45 krotności prądu znamionowego, natomiast zabezpieczenie elektromagnesowi 5 do 10. Typy C i D charakteryzują się tym, iż są to zabezpieczenia o większej zwłoce zadziałania. Dzięki temu możliwe jest ich używanie w układach, gdzie podczas normalnej pracy występują okresowe duże prądy (na przykład przy załączaniu dużych silników indukcyjnych, oświetlenia w obiektach wielko powierzchniowych itp). a) b) Rys. 2.2. Wyłącznik nadprądowy. a) symbol; b) Charakterystyki t-i. 2.3.1.3. Urządzenia ochronne różnicowoprądowe Urządzenia te zwane są wyłącznikami przeciwporażeniowymi. Działają one na zasadzie kontroli sumy prądów w przewodach roboczych obwodów. Głównym elementem wyłącznika jest przekładnik Ferrantiego (przekładnik różnicowoprądowy) (rys. 2.3) obejmujący wszystkie przewody zasilające (łącznie z przewodem neutralnym) chronionego urządzenia, lecz nie obejmujący przewodu ochronnego PE. Jeżeli izolacja urządzenia jest
nieuszkodzona, to suma geometryczna prądów płynących przez przekładnik i suma geometryczna strumieni magnetycznych jest równa zeru i wyłącznik nie działa. Jeżeli w chronionym urządzeniu wystąpi zwarcie, to ze względu na upływ prądów do przewodu ochronnego lub do ziemi, suma prądów płynących przez przewody objęte przekładnikiem będzie różna od zera i pod wpływem tego prądu różnicowego nastąpi zadziałanie wyłącznika i odłączenie zasilania od uszkodzonego urządzenia. Rys. 2.3. Uproszczony schemat wyłącznika różnicowoprądowego. Wyłącznik jest tym czulszy, im mniejsze są wartości prądów doziemnych, na które reaguje. Prąd zadziałania przekładników jest na ogół dobierany w granicach 10 500 ma, zależnie od warunków zainstalowania i funkcji jaką pełni. Stosowanie bardzo czułych wyłączników różnicowoprądowych jest jednak ograniczone prądami upływowymi przewodów i urządzeń. 2.3.2. Ochrona przez zastosowanie urządzeń II klasy ochronności Ten rodzaj ochrony polega na zastosowaniu w urządzeniach elektrycznych izolacji o parametrach ograniczających do minimum możliwość porażenia prądem. Urządzenia takie muszą mieć: - izolację podwójną, która składa się z izolacji podstawowej, oraz niezależnej od niej dodatkowej izolacji ochronnej o co najmniej takich samych parametrach pod względem wytrzymałości elektrycznej - izolację wzmocnioną, która jest ulepszoną izolacją podstawową. Pod względem wytrzymałości elektrycznej i mechanicznej musi ona dorównywać izolacji podwójnej - obudowę izolacyjną wykonaną jako osłonę z materiału izolacyjnego. 2.3.3. Obniżenie napięcia dotykowego Obniżenie napięcia uzyskuje się poprzez uziemianie odpowiednich punktów w sieci zasilającej i wykonywanie odpowiednich połączeń wyrównawczych.
W sieciach elektrycznych uziomy spełniają dwojaką funkcję. Zapewniają prawidłową pracę układów sieciowych oraz obniżają wartości napięć dotykowych. Uziom jest to najczęściej przewodzący przedmiot umieszczany w gruncie lub w wodzie, służący do łączenia odpowiednich punktów urządzeń elektrycznych z tzw. ziemią odniesienia. Uziomy charakteryzowane są rezystancją przejścia prądu z uziomu do ziemi. Zawsze dąży się do sytuacji, w której ta rezystancja uziomu będzie miała jak najmniejszą wartość. Wtedy uziemiony punkt będzie miał potencjał bliski potencjałowi ziemi odniesienia. W przypadku pojawienia się wysokiego napięcia na przykład na uziemionej obudowie urządzenia, spowoduje przepływ relatywnie dużego prądu doziemnego, co wywoła szybkie odłączenie zasilania. Innym środkiem ochrony jest wykorzystanie nieuziemionych połączeń wyrównawczych. W pomieszczeniach jak na przykład łazienka można wykonać system połączeń pomiędzy poszczególnymi elementami przewodzącymi. Dzięki temu, w przypadku wystąpienia wysokiego potencjału na obudowie jednego z urządzeń (na przykład pralki), dotknięcie go i innego połączonego przedmiotu nie wywoła przepływu prądu rażeniowego. W zależności od faktu uziemiania lub jego braku poszczególnych punktów układów energetycznych, rozróżnia się tzw. układy sieciowe będące zespołami urządzeń elektrycznych (źródło zasilania, sieć zasilająca, instalacja wewnętrzna i odbiorniki). Podstawowe typy układów sieciowych pokazano na rys. 2.4. Symbole L1, L2, L3 oznaczają przewody fazowe, N- przewód neutralny, PE przewód ochronny. W zależności od sposobu uziemiania rozróżnia się trzy typy układów: - układ typu TN, w którym źródło zasilania (strona wtórna transformatora) ma bezpośrednio uziemiony punkt neutralny, połączony z uziomem roboczym. Przewodzące obudowy odbiorników są uziemiane za pomocą przewodów PE lub PEN. Układ TN występuje w trzech odmianach: TN-C, TN-S, TN-C-S, różniące się połączeniami przewodów N i PE. W układzie pięcioprzewodowym TN-S przewody N i PE są osobno prowadzone i dołączone do uziemionego punktu N transformatora. Układ TN-C (czteroprzewodowy) charakteryzuje się występowaniem przewodu PEN (ochronno - neutralny) zamiast oddzielnie występujących PE i N. Układ TN-C-S jest swoistym połączeniem powyższych. Do pewnego miejsca istnieje przewód PEN, który zostaje dodatkowo uziemiony i rozdzielony na PE i N. - układ typu TT, w którym jak poprzednio wymaga się uziemienia punktu N transformatora. Przewodzące obudowy odbiorników są tu uziemiane za pomocą dodatkowych uziomów ochronnych. - układ typu IT polega na oddzieleniu źródła zasilania od ziemi za pomocą dużej impedancji. Przewodzące obudowy odbiorników mogą być uziemiane indywidualnie, zbiorowo bądź grupowo. W różnych układach sieciowych należy stosować odpowiednio podłączone urządzenia zabezpieczające. Pozostałe środki ochrony przed dotykiem pośrednim wykraczają poza zakres niniejszej instrukcji i nie będą tu omawiane.
Rys. 2.4. Układy sieciowe 3. Badania 3.1. Badanie ochron podstawowych Badanie ochron podstawowych (przed dotykiem bezpośrednim) polega na badaniu stanu izolacji urządzeń elektrycznych. Za pomocą megaomomierza należy zmierzyć rezystancję izolacji następujących aparatów elektrycznych:
- modelu linii elektrycznej (rys. 3.1) - transformatora (rys. 3.2) - oprawy oświetleniowej (rys. 3.3) R S T N Pe izolacja międzyprzewodowa izolacja doziemna Rys. 3.1. Model linii elektrycznej niskiego napięcia Rys. 3.2. Pomiary rezystancji izolacji transformatora U N OBUDOWA Rys. 3.3. Schemat urządzenia elektrycznego. Pomiary wykonujemy kolejno: - dla linii zasilającej pomiędzy poszczególnymi fazami, oraz pomiędzy fazami i przewodem neutralnym (N) - dla transformatora pomiędzy uzwojeniem pierwotnym i wtórnym, oraz pomiędzy każdym z tych uzwojeń i obudową - dla oprawy oświetleniowej pomiędzy zaciskami prądowymi a obudową Według obowiązującej normy, rezystancja izolacji urządzeń o napięciu pracy do 1kV nie może być mniejsza niż 2 MΩ. Dla linii instalacji elektrycznych o napięciu do 1kV obowiązuje wskaźnik, że izolacja nie może być gorsza niż k i 1000Ω / 1V napięcia roboczego, przy czym najmniejsza dopuszczalna rezystancja izolacji wynosi 0,5MΩ.
3.2. Badanie ochron dodatkowych W tej części ćwiczenia zajmować się będziemy badaniem ochron przed dotykiem pośrednim, które mają zadziałać w przypadku zaistnienia sytuacji awaryjnej. Należy tu wyróżnić sytuacje związane z prądem upływu, oraz ze zwarciem. Prąd upływowy występuje podczas normalnej pracy urządzeń w stanie bezzwarciowym. Jest to prąd, który upływa do z części czynnych urządzeń (części, przez które płynie prąd) przez izolację do ziemi. Już od bardzo dawna określano maksymalny prąd upływu dla urządzeń użytku domowego. Prąd ten może być niebezpieczny ze względu na możliwość porażenia lub wywołania pożaru. Zwarcie z samej definicji kojarzy się ze stanem awaryjnym. Jest to niebezpieczne zmniejszenie rezystancji obwodu elektrycznego. Zwarcia najczęściej występować mogą w wyniku omyłkowego połączenia przewodów zasilających między sobą lub z ziemią. Mogą być również wywołane osłabieniem lub zniszczeniem izolacji, itp. 3.2.1. Badanie reakcji człowieka na impuls rażeniowy Ta część ćwiczenia pozwala na porównanie subiektywnych odczuć uczestników na przepływ prądu elektrycznego. Układ pokazany na poniższym rysunku zasilamy napięciem bezpiecznym z transformatora separacyjnego. Do jednego z przewodów zasilających podłączamy opornik dekadowy i nastawiamy wartość rezystancji, na co najmniej 10000 Ω. Do drugiego przewodu dołączamy miliamperomierz, za pomocą którego mierzony będzie prąd płynący przez człowieka. Pomiędzy wyjście opornika dekadowego i wejście miliamperomierza podłączany jest uczestnik doświadczenia. Przez człowieka przepuszczany jest prąd elektryczny o wartości nie większej niż 5mA i czasie trwania, co najwyżej 5s. W tabeli pomiarowej notujemy wartości prądu i opis reakcji uczestnika na impuls wrażeniowy. UWAGA W doświadczeniu nie mogą brać udziału osoby z rozrusznikami serca. Rys. 3.4. Badanie reakcji człowieka na prąd I r < 5mA t r < 5s. 3.2.2. Badanie wyłącznika różnicowoprądowego pod kątem zabezpieczenia przed prądami upływowymi Jak już wspomniano, zbyt duże prądy upływowe mogą być bardzo niebezpieczne. W celu zabezpieczenia się przed nimi, bardzo ważne jest przeprowadzanie cyklicznej kontroli stanu izolacji instalacji elektrycznych i utrzymywanie jej w dobrej kondycji.
Elementem zabezpieczającym przed występowaniem nadmiernych prądów zwarciowych jest wyłącznik różnicowo prądowy opisany w rozdz. 2.3.1.3. Wyłącznik taki kontroluje prąd dopływający i wypływający z urządzenia. W normalnych stanach pracy prąd dopływający do urządzenia, oraz prąd z niego wypływający są sobie równe (lub prawie równe, bo zawsze istnieje pewna upływność). W takim przypadku wyłącznik nie działa. Jeżeli jednak izolacja urządzenia nie ma wymaganej rezystancji, zbyt duży prąd zaczyna upływać do ziemi. W tym przypadku prąd wypływający z zabezpieczonego urządzenia nie jest już równy prądowi dopływającemu. Wyłącznik różnicowoprądowy powinien w takim przypadku wyłączyć zasilanie (jeżeli przekroczona zostanie znamionowa różnica prądów wyłącznika). W tej części ćwiczenia zajmiemy się badaniem wyłącznika różnicowoprądowego. W obwodzie jak na poniższym rysunku (3.5) niejako sztucznie wywoływać będziemy prąd upływu. Do przewodu zasilającego badane urządzenie włączymy opornik dekadowy o dużej wartości rezystancji i miliamperomierz. Drugi koniec naszego obwodu podłączymy do obudowy urządzenia. Zmniejszając powoli wartość rezystancji, będziemy zwiększać prąd upływu. Należy zaobserwować, przy jakiej wartości tego prądu zadziała badany wyłącznik. Rys. 3.5. Układ do badania skuteczności działania wyłącznika różnicowoprądowego. Czasy zadziałania wyłączników różnicowoprądowych zależą od wartości prądu różnicowego (upływającego z części czynnych chronionego obwodu). Dla znanej wartości prądu, czas zadziałania zabezpieczenia odczytać można z charakterystyki czasowo prądowej wyłącznika pokazanej na rys. 3.6.
Rys. 3.6. Charakterystyka czasowo prądowa wyłącznika różnicowoprądowego. 3.2.3. Zabezpieczenia związane ze zwarciami Zwarcia są awaryjnymi stanami pracy urządzeń elektrycznych. Mogą one być wywołane omyłkowymi procesami łączeniowymi, uszkodzeniem izolacji elektrycznej, itp. Wartość niebezpiecznego prądu zwarciowego zależna jest od wielu czynników, jak miejsce zwarcia, rodzaj zwarcia (międzyfazowe, doziemne), rezystancja pętli zwarciowej, itp. Tym niemniej prąd taki musi zostać odłączony w dostatecznie krótkim czasie. Do wyłączania prądów zwarciowych służą przede wszystkim bezpieczniki topikowe (w starszych instalacjach), oraz wyłączniki instalacyjne nadmiarowoprądowe (w instalacjach nowszych). Elementy te włączane są szeregowo w obwód chronionej instalacji. Czas wyłączenia zabezpieczenia zależy od prądu zwarcia, którego wartość określa się dla danej instalacji obliczeniowo, lub na podstawie pomiarów. Znając spodziewaną wartość prądu zwarcia można z charakterystyki czasowo prądowej t= f( I) wyłącznika odczytać czas zadziałania zabezpieczenia (odłączenia prądu). W tej części ćwiczenia należy sprawdzić poprawność działania wybranych elementów zabezpieczających obwody elektryczne przed zwarciami. W pierwszej kolejności należy jednak zmierzyć rezystancję pętli zwarcia w celu wyznaczenia spodziewanego prądu zwarciowego. Na początku należy połączyć układ jak na rysunku 3.7. Układ ten zawiera dodatkowe elementy umożliwiające określenie impedancji pętli zwarcia. - należy zmierzyć napięcie U h1 przy I h = 0 - należy zmierzyć wartość napięcia U h2 przy prądzie = 5 15A Impedancję pętli zwarcia można określić na podstawie zależności: U h1 U h2 Zs = I h Na podstawie znajomości impedancji pętli zwarciowej, można na podstawie uogólnionego prawa Ohma obliczyć prąd zwarcia: U0 I k = ; U 0 = 23V Z s I h
Poszczególne wyniki z powyższych pomiarów i obliczeń należy zanotować w odpowiedniej tabeli w protokóle pomiarowym. W kolejnej części ćwiczenia należy badać efekt zadziałania poszczególnych zabezpieczeń w zależności od miejsca wystąpienia zwarcia i układu linii zasilającej. Pomiary należy wykonywać w układzie poprawnym i układzie o niepoprawnym zabezpieczeniu (przerwa w miejscu oznaczonym jako X na rys. 3.7.) Odbiornikiem energii elektrycznej jest w tym przypadku układ trzech żarówek. Należy badać efekt działania zabezpieczeń w odpowiedzi na wywieranie zwarć pomiędzy poszczególnymi żarówkami i przewodem neutralnym, oraz między sobą. Badany przypadek przedstawia zwarcie występujące w odbiorniku. W podobny sposób należy wykonać pomiary dla zwarć pomiary dla zwarć występujących w modelu linii zasilającej. Wyniki zanotować w odpowiedniej tabeli pomiarowej. Uzyskane wyniki należy porównać z charakterystykami czasowo prądowymi odpowiednich zabezpieczeń (rys. 2.1, 2.2 i 3.6). Ocenić skuteczność zastosowanych zabezpieczeń. Stosując model ciała ludzkiego należy sprawdzić, czy poszczególne zabezpieczenia zadziałają w przypadku kontaktu człowieka z czynnymi częściami urządzeń elektrycznych. Rys. 3.7. Badanie ochron dodatkowych. Prezentowany układ zawiera dodatkowe elementy pozwalające na wyznaczenie impedancji pętli zwarcia.