Lekcja 4. Pomiar impedancji pętli zwarcia

Wstęp

Pętla zwarcia jest drogą, którą może popłynąć prąd w przypadku zwarcia między przewodem fazowym a częścią przewodzącą dostępną, przewodem ochronnym albo innym punktem połączonym z układem ochronnym instalacji.

W uproszczeniu można powiedzieć, że pętla zwarcia obejmuje drogę prądu od źródła zasilania, przez przewód fazowy, miejsce uszkodzenia, przewód ochronny PE albo przewód PEN oraz z powrotem do źródła zasilania. Jeżeli w tej pętli popłynie odpowiednio duży prąd zwarciowy, zabezpieczenie nadprądowe powinno samoczynnie wyłączyć zasilanie uszkodzonego obwodu.

Pętla zwarcia ma szczególne znaczenie w ochronie przeciwporażeniowej przy uszkodzeniu. Jeżeli na przykład dojdzie do przebicia izolacji i napięcie pojawi się na metalowej obudowie urządzenia, prąd uszkodzeniowy powinien popłynąć drogą ochronną. Dzięki temu zabezpieczenie powinno zadziałać w odpowiednio krótkim czasie i odłączyć zasilanie. Samoczynne wyłączenie zasilania jest jednym z podstawowych środków ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach niskiego napięcia. W praktyce skuteczność takiej ochrony zależy między innymi od:

• impedancji przewodu fazowego,
• impedancji przewodu ochronnego PE albo PEN,
• impedancji źródła zasilania,
• jakości połączeń w obwodzie,
• rodzaju i parametrów zastosowanego zabezpieczenia,
• napięcia zasilania,
• układu sieci.

Im mniejsza impedancja pętli zwarcia, tym większy prąd zwarciowy może popłynąć w razie uszkodzenia. Większy prąd zwarciowy zwiększa prawdopodobieństwo zadziałania zabezpieczenia nadprądowego w wymaganym czasie. Jeżeli impedancja pętli zwarcia jest zbyt duża, prąd zwarciowy może być za mały, aby zabezpieczenie wyłączyło obwód w wymaganym czasie. Dlatego pomiar impedancji pętli zwarcia wykonuje się po to, aby sprawdzić, czy w danym punkcie instalacji możliwe jest skuteczne samoczynne wyłączenie zasilania. Wynik pomiaru jest więc bezpośrednio związany z oceną skuteczności ochrony przeciwporażeniowej.

W lekcji dotyczącej podstawowych parametrów sieci niskiego napięcia impedancja pętli zwarcia została przedstawiona jako jeden z parametrów sprawdzanych w instalacji. W tej lekcji temat zostaje rozwinięty od strony ochrony przeciwporażeniowej, interpretacji wyniku, doboru zabezpieczenia i zapisu w protokole pomiarowym.

W tej lekcji skupiamy się na praktycznym znaczeniu pomiaru pętli zwarcia w obwodach niskiego napięcia. Szczególnie ważne będzie ustalenie, czy zmierzona impedancja pętli zwarcia jest wystarczająco mała w stosunku do zastosowanego zabezpieczenia nadprądowego.

Cele lekcji

Osoba ucząca się:

• wyjaśnia, czym jest pętla zwarcia,
• opisuje znaczenie impedancji pętli zwarcia w ochronie przeciwporażeniowej,
• rozróżnia impedancję pętli zwarcia ZIndeks dolny ss, spodziewany prąd zwarciowy IIndeks dolny kk oraz prąd zadziałania zabezpieczenia IIndeks dolny aa,
• oblicza maksymalną dopuszczalną impedancję pętli zwarcia dla podanego zabezpieczenia,
• sprawdza warunek samoczynnego wyłączenia zasilania w układzie TN,
• opisuje sposób wykonania pomiaru impedancji pętli zwarcia,
• wyjaśnia znaczenie pomiaru w obwodach zabezpieczonych RCD,
• zapisuje wyniki pomiarów w tabeli i formułuje wniosek techniczny.

1. Impedancja pętli zwarcia Z_s

Impedancja pętli zwarcia określa całkowity opór pozorny drogi, którą popłynie prąd zwarciowy w przypadku uszkodzenia. Oznacza się ją zwykle symbolem:

Jednostką impedancji pętli zwarcia jest om:

Impedancja pętli zwarcia nie jest tylko rezystancją jednego przewodu. Obejmuje ona łączny wpływ wszystkich elementów znajdujących się w drodze prądu zwarciowego. W zależności od układu sieci oraz miejsca pomiaru mogą to być między innymi:

• impedancja źródła zasilania,
• impedancja przewodu fazowego,
• impedancja przewodu ochronnego PE lub przewodu PEN,
• impedancja połączeń zaciskowych,
• impedancja elementów pośrednich w obwodzie,
• impedancja transformatora zasilającego i sieci zasilającej.

W układzie TN pętla zwarcia dla typowego zwarcia między przewodem fazowym a częścią przewodzącą dostępną obejmuje źródło zasilania, przewód fazowy do miejsca zwarcia oraz przewód ochronny lub PEN wracający do punktu zasilania. W materiałach dotyczących ochrony przez samoczynne wyłączenie zasilania wskazuje się, że wartość Z_s należy odnosić do prądu powodującego zadziałanie zabezpieczenia w wymaganym czasie. Podstawowa zależność stosowana przy ocenie skuteczności samoczynnego wyłączenia zasilania w układzie TN ma postać:

gdzie:

Z_s - impedancja pętli zwarcia [Ω],

U₀ - napięcie fazowe względem ziemi [V],

I_a - prąd powodujący samoczynne zadziałanie zabezpieczenia w wymaganym czasie [A].

Warunek ten można również zapisać w postaci:

Oznacza to, że zmierzona impedancja pętli zwarcia musi być na tyle mała, aby w przypadku zwarcia mógł popłynąć prąd wystarczający do zadziałania zabezpieczenia. Jeżeli wartość Z_s jest zbyt duża, prąd zwarciowy będzie za mały, a zabezpieczenie może nie wyłączyć zasilania w wymaganym czasie.

W praktyce miernik impedancji pętli zwarcia wyznacza wartość Z_s w punkcie pomiarowym. Na podstawie tej wartości można obliczyć lub odczytać spodziewany prąd zwarciowy:

gdzie:

I_k - spodziewany prąd zwarciowy [A],

U_{0 -} napięcie fazowe względem ziemi [V],

Z_s - impedancja pętli zwarcia [Ω].

Należy pamiętać, że sam odczyt wartości impedancji nie wystarcza do oceny wyniku. Wynik trzeba zawsze porównać z wymaganiami dla zastosowanego zabezpieczenia oraz z przyjętym czasem samoczynnego wyłączenia zasilania.

2. Prąd zwarciowy i samoczynne wyłączenie zasilania

Prąd zwarciowy jest prądem, który może popłynąć w obwodzie w przypadku zwarcia. W kontekście ochrony przeciwporażeniowej szczególne znaczenie ma zwarcie między przewodem fazowym a częścią przewodzącą dostępną, na przykład metalową obudową urządzenia połączoną z przewodem ochronnym PE.

Jeżeli w instalacji wystąpi takie uszkodzenie, prąd zwarciowy powinien popłynąć przez pętlę zwarcia. Wartość tego prądu zależy głównie od napięcia zasilania oraz impedancji pętli zwarcia.

W uproszczeniu można zapisać:

gdzie:

I_k - spodziewany prąd zwarciowy [A],

U₀ - napięcie fazowe względem ziemi [V],

Z_s - impedancja pętli zwarcia [Ω].

Im mniejsza jest impedancja pętli zwarcia, tym większy prąd zwarciowy może popłynąć w przypadku uszkodzenia. Im większy prąd zwarciowy, tym większe prawdopodobieństwo zadziałania zabezpieczenia nadprądowego w wymaganym czasie.

Samoczynne wyłączenie zasilania polega na automatycznym odłączeniu zasilania w przypadku uszkodzenia. W instalacji niskiego napięcia może być realizowane na przykład przez:

• wyłącznik nadprądowy,
• bezpiecznik topikowy,
• wyłącznik różnicowoprądowy, jeżeli jest właściwie zastosowany jako element ochrony.

W tej części lekcji skupiamy się przede wszystkim na zabezpieczeniach nadprądowych, ponieważ pomiar impedancji pętli zwarcia pozwala ocenić, czy spodziewany prąd zwarciowy będzie wystarczający do ich zadziałania w wymaganym czasie.

Przykładowo, jeżeli obwód jest zabezpieczony wyłącznikiem nadprądowym, to prąd zwarciowy musi być na tyle duży, aby zadziałał odpowiedni człon wyzwalający zabezpieczenia. Jeżeli impedancja pętli zwarcia będzie zbyt duża, prąd zwarciowy może być za mały. Wtedy zabezpieczenie może nie zadziałać w wymaganym czasie, a na dostępnych częściach przewodzących może utrzymywać się niebezpieczne napięcie.

Z tego powodu wynik pomiaru impedancji pętli zwarcia należy zawsze interpretować w powiązaniu z rodzajem i parametrami zabezpieczenia zastosowanego w badanym obwodzie.

W praktyce podczas oceny należy znać między innymi:

• typ zabezpieczenia,
• prąd znamionowy zabezpieczenia,
• charakterystykę czasowo‑prądową zabezpieczenia,
• wymagany czas samoczynnego wyłączenia zasilania,
• zmierzoną impedancję pętli zwarcia,
• spodziewany prąd zwarciowy w punkcie pomiaru.

Sam wynik pomiaru Z_s nie mówi jeszcze, czy obwód jest bezpieczny. Dopiero porównanie zmierzonej wartości z wymaganiem dla danego zabezpieczenia pozwala ocenić skuteczność ochrony przeciwporażeniowej.

3. Zależność między Z_s, U₀ i I_a

Podstawowym warunkiem stosowanym przy ocenie skuteczności samoczynnego wyłączenia zasilania w układzie TN jest zależność:

gdzie: 

Z_s - impedancja pętli zwarcia [Ω],

U₀ - napięcie fazowe względem ziemi [V],

I_a  - prąd powodujący samoczynne zadziałanie zabezpieczenia w wymaganym czasie [A].

Zależność tę można odczytać w następujący sposób: impedancja pętli zwarcia musi być na tyle mała, aby w razie uszkodzenia mógł popłynąć prąd powodujący zadziałanie zabezpieczenia w wymaganym czasie. 

Wartość graniczną impedancji pętli zwarcia można obliczyć ze wzoru:

gdzie: 

Z_smax  - maksymalna dopuszczalna impedancja pętli zwarcia [Ω].

Warunek oceny wyniku można wtedy zapisać jako:

Jeżeli warunek jest spełniony, oznacza to, że zmierzona impedancja pętli zwarcia jest wystarczająco mała w stosunku do zastosowanego zabezpieczenia. Jeżeli warunek nie jest spełniony, należy uznać, że prąd zwarciowy może być za mały, aby zapewnić wymagane samoczynne wyłączenie zasilania. 

Prąd I_a nie jest dowolną wartością. Należy go określić na podstawie zastosowanego zabezpieczenia i wymaganego czasu wyłączenia. Dla wyłączników nadprądowych wartość ta zależy między innymi od charakterystyki zabezpieczenia, na przykład B, C albo D, oraz od prądu znamionowego zabezpieczenia.

W uproszczonych przykładach dydaktycznych, dla sprawdzenia zadziałania członu zwarciowego wyłącznika nadprądowego, można przyjąć wartości odpowiadające górnym granicom zakresów natychmiastowego zadziałania:

• dla charakterystyki B: około 5 · I_n, 
• dla charakterystyki C: około 10 · I_n, 
• dla charakterystyki D: około 20 · I_n.

gdzie:

I_n - prąd znamionowy zabezpieczenia [A]. 

Takie uproszczenie jest przydatne w obliczeniach dydaktycznych, ale w rzeczywistych pomiarach i protokołach wartość I_a należy przyjmować zgodnie z charakterystyką zastosowanego zabezpieczenia, dokumentacją techniczną oraz przyjętą metodyką pomiarową.

Przykład zależności

Jeżeli napięcie fazowe względem ziemi wynosi:

a prąd powodujący zadziałanie zabezpieczenia w wymaganym czasie wynosi:

to maksymalna dopuszczalna impedancja pętli zwarcia wynosi:

W praktycznym zapisie można przyjąć:

Jeżeli w punkcie pomiarowym zmierzono:

to warunek:

jest spełniony, ponieważ:

Oznacza to, że w przyjętym przykładzie impedancja pętli zwarcia jest wystarczająco mała, aby zabezpieczenie mogło zadziałać w wymaganym czasie.

4. Przykład obliczeniowy: ocena warunku samoczynnego wyłączenia zasilania

Poniżej przedstawiono przykład dydaktyczny dotyczący oceny warunku samoczynnego wyłączenia zasilania na podstawie zmierzonej impedancji pętli zwarcia.

Załóżmy, że badany jest jednofazowy obwód gniazd wtyczkowych 230 V w układzie TN-S. Obwód jest zabezpieczony wyłącznikiem nadprądowym o charakterystyce B i prądzie znamionowym:

Przyjęto napięcie fazowe względem ziemi:

Dla uproszczonej oceny dydaktycznej przyjęto, że prąd powodujący szybkie zadziałanie wyłącznika nadprądowego o charakterystyce B wynosi:

Po podstawieniu danych:

Maksymalna dopuszczalna impedancja pętli zwarcia wynosi:

W praktycznym zapisie można przyjąć:

Podczas pomiaru w badanym gnieździe otrzymano:

Warunek oceny ma postać:

Po podstawieniu danych:

Warunek jest spełniony.

Można również obliczyć spodziewany prąd zwarciowy w punkcie pomiarowym:

W praktycznym zapisie:

Ponieważ spodziewany prąd zwarciowy jest większy od przyjętego prądu zadziałania zabezpieczenia:

można uznać, że w przyjętym przykładzie zabezpieczenie powinno zadziałać w wymaganym czasie.

Interpretacja przykładu

W analizowanym przypadku zmierzona impedancja pętli zwarcia jest mniejsza od wartości maksymalnej dopuszczalnej. Oznacza to, że pętla zwarcia ma wystarczająco małą impedancję, aby w razie uszkodzenia mógł popłynąć prąd powodujący zadziałanie zabezpieczenia nadprądowego.

Przykładowy wniosek można zapisać następująco: 

Dla badanego obwodu zabezpieczonego wyłącznikiem nadprądowym B16 przyjęto prąd zadziałania I_a = 80 A. Maksymalna dopuszczalna impedancja pętli zwarcia wynosi Z_smax = 2,88 Ωomega. Zmierzona impedancja pętli zwarcia wynosi Z_s = 1,42 Ωomega, dlatego warunek Z_s ≤ Z_smax jest spełniony. W zakresie wykonanego sprawdzenia warunek samoczynnego wyłączenia zasilania można uznać za spełniony.

Należy pamiętać, że w rzeczywistych pomiarach wartość prądu I_a oraz wymagany czas wyłączenia należy przyjmować zgodnie z zastosowanym zabezpieczeniem, dokumentacją techniczną, charakterystyką czasowo-prądową i przyjętą metodyką oceny.

5. Pomiar impedancji pętli zwarcia

Pomiar impedancji pętli zwarcia wykonuje się w celu sprawdzenia, czy w badanym punkcie instalacji pętla zwarcia ma wystarczająco małą impedancję. Wynik pomiaru pozwala ocenić, czy w przypadku uszkodzenia może popłynąć prąd zwarciowy wymagany do samoczynnego wyłączenia zasilania.

Pomiar wykonuje się najczęściej za pomocą miernika parametrów instalacji elektrycznych albo specjalnego miernika impedancji pętli zwarcia. Przyrząd wyznacza impedancję pętli zwarcia w punkcie pomiarowym, a często pokazuje również spodziewany prąd zwarciowy. Mierniki instalacji mogą wykonywać pomiar pętli zwarcia między przewodami L‑PE, L‑N albo L‑L, zależnie od badanego układu i funkcji przyrządu.

Rysunek 1. Przykładowy miernik parametrów instalacji elektrycznych wykorzystywany do pomiaru impedancji pętli zwarcia.

W typowym obwodzie jednofazowym najważniejszy dla oceny ochrony przeciwporażeniowej jest pomiar pętli zwarcia między:

• przewodem fazowym L,
• przewodem ochronnym PE.

Taki pomiar odpowiada sytuacji zwarcia między przewodem fazowym a częścią przewodzącą dostępną połączoną z przewodem ochronnym.

W praktyce pomiar może obejmować:

• sprawdzenie napięcia w badanym punkcie,
• podłączenie miernika do odpowiednich przewodów,
• wybór odpowiedniego trybu pomiaru,
• wykonanie pomiaru impedancji pętli zwarcia,
• odczyt wartości Z_s,
• odczyt lub obliczenie spodziewanego prądu zwarciowego I_k,
• porównanie wyniku z wymaganiem dla zastosowanego zabezpieczenia.

Ogólna zasada pomiaru

Miernik impedancji pętli zwarcia wykonuje kontrolowany pomiar w obwodzie zasilanym. W uproszczeniu przyrząd wprowadza do obwodu znane obciążenie pomiarowe, powoduje niewielką zmianę napięcia i na tej podstawie wyznacza impedancję pętli zwarcia.

Wynik pomiaru zależy między innymi od:

• impedancji przewodów,
• impedancji źródła zasilania,
• jakości połączeń w obwodzie,
• długości przewodów,
• temperatury przewodów,
• chwilowych zmian napięcia zasilającego,
• poprawności podłączenia miernika.

Dlatego przed wykonaniem pomiaru należy upewnić się, że przyrząd jest sprawny, przewody pomiarowe są prawidłowo podłączone, a badany obwód można bezpiecznie poddać pomiarowi.

Miejsca wykonywania pomiaru

Pomiar impedancji pętli zwarcia wykonuje się w punktach, w których trzeba potwierdzić skuteczność ochrony przeciwporażeniowej. Mogą to być na przykład:

• gniazda wtyczkowe,
• zaciski odbiorników,
• końce obwodów odbiorczych,
• rozdzielnice,
• punkty zasilania urządzeń,
• obwody oświetleniowe,
• obwody siłowe.

Szczególnie ważne są punkty najbardziej oddalone od rozdzielnicy, ponieważ zwykle mają one większą impedancję pętli zwarcia niż punkty znajdujące się bliżej źródła zasilania. Dłuższy przewód oznacza większą impedancję, a więc mniejszy spodziewany prąd zwarciowy.

Podczas pomiaru należy zwrócić uwagę na:

• poprawne rozpoznanie układu sieci,
• dobór właściwego trybu pomiarowego,
• prawidłowe podłączenie przewodów pomiarowych,
• obecność i ciągłość przewodu ochronnego PE,
• napięcie w badanym punkcie instalacji,
• rodzaj zabezpieczenia obwodu,
• prąd znamionowy zabezpieczenia,
• charakterystykę zabezpieczenia,
• możliwość zadziałania RCD podczas pomiaru,
• bezpieczeństwo osoby wykonującej pomiar.

Pomiar impedancji pętli zwarcia wykonuje się przy zasilonym obwodzie, dlatego należy zachować szczególną ostrożność. Pomiar powinien być wykonywany zgodnie z instrukcją miernika, zasadami BHP oraz pod nadzorem osoby uprawnionej.

Zapis wyniku pomiaru
Wynik pomiaru powinien zawierać co najmniej:

• miejsce pomiaru,
• zmierzoną impedancję pętli zwarcia Z_s,
• spodziewany prąd zwarciowy I_k, jeżeli został odczytany lub obliczony,
• zastosowane zabezpieczenie,
• wartość dopuszczalną Z_smax,
• ocenę spełnienia warunku samoczynnego wyłączenia zasilania.

Przykładowy zapis może mieć postać:

W punkcie pomiarowym G1 zmierzono impedancję pętli zwarcia Z_s = 1,42 Ω. Dla zabezpieczenia B16 przyjęto Z_smax = 2,88 Ω. Warunek Z_s ≤ Z_smax jest spełniony.

Wynik pomiaru nie powinien być interpretowany bez informacji o zabezpieczeniu. Ta sama wartość Z_s może być poprawna dla jednego zabezpieczenia, ale niewystarczająca dla innego.

6. Pomiar pętli zwarcia w obwodach zabezpieczonych RCD

W wielu instalacjach obwody odbiorcze są zabezpieczone wyłącznikiem różnicowoprądowym. Ma to znaczenie podczas pomiaru impedancji pętli zwarcia, ponieważ klasyczny pomiar pętli L‑PE może spowodować zadziałanie RCD.

Wynika to z zasady działania wyłącznika różnicowoprądowego. Podczas pomiaru między przewodem fazowym L a przewodem ochronnym PE część prądu pomiarowego może popłynąć poza przewodem neutralnym N. Dla RCD wygląda to podobnie jak prąd różnicowy, dlatego aparat może wyłączyć zasilanie.

Z tego powodu w obwodach zabezpieczonych RCD należy stosować odpowiedni sposób pomiaru. W praktyce mogą występować między innymi:

• pomiar w trybie niewyzwalającym RCD, jeżeli miernik ma taką funkcję,
• pomiar małym prądem pomiarowym,
• pomiar wykonywany zgodnie z instrukcją konkretnego miernika,
• pomiar po odpowiednim przygotowaniu obwodu, jeżeli wymaga tego przyjęta metodyka.

Nie należy samodzielnie mostkować ani omijać wyłącznika różnicowoprądowego bez wyraźnej procedury pomiarowej i odpowiednich kwalifikacji. Nieprawidłowe wykonanie pomiaru może być niebezpieczne oraz może prowadzić do błędnej oceny instalacji.

Tryb pomiaru bez wyzwalania RCD
Niektóre mierniki impedancji pętli zwarcia mają tryb pomiaru przeznaczony do obwodów zabezpieczonych RCD. Taki tryb jest często oznaczany jako pomiar bez wyzwalania RCD albo pomiar pętli L‑PE w obwodach z RCD.

W trybie niewyzwalającym RCD miernik wykonuje pomiar w taki sposób, aby ograniczyć ryzyko zadziałania wyłącznika różnicowoprądowego. W opisach wielu mierników instalacji można spotkać informację, że pomiar L‑PE w obwodach zabezpieczonych RCD może być wykonywany w trybie niewyzwalającym, na przykład przy ograniczonym prądzie pomiarowym.

Należy jednak pamiętać, że dokładność i zakres takiego pomiaru zależą od konkretnego miernika, jego metody pomiarowej oraz warunków w instalacji. Dlatego zawsze należy sprawdzić instrukcję używanego przyrządu i nie przenosić automatycznie zasad z jednego miernika na inny.

Dlaczego pomiar może mimo wszystko wyzwolić RCD?
Nawet jeżeli miernik ma tryb pomiaru bez wyzwalania RCD, w praktyce wyłącznik może czasem zadziałać. Przyczyną mogą być między innymi:

• istniejące prądy upływu w badanym obwodzie,
• podłączone odbiorniki,
• niewłaściwy tryb pomiaru,
• nieprawidłowe podłączenie przewodów pomiarowych,
• uszkodzony lub zbyt czuły RCD,
• połączenie przewodu neutralnego N z przewodem ochronnym PE za RCD,
• wspólny przewód neutralny dla kilku obwodów,
• zakłócenia lub niestabilne napięcie zasilania.

Jeżeli podczas pomiaru RCD zadziała, nie należy od razu uznawać wyniku za błędny pomiar miernika. Trzeba sprawdzić sposób podłączenia, wybrany tryb pomiarowy, stan badanego obwodu oraz obecność odbiorników i prądów upływu.

Podczas pomiaru w obwodzie z RCD należy zwrócić uwagę na:

• 
  czy badany obwód rzeczywiście jest chroniony przez RCD,
• jaki jest znamionowy prąd różnicowy RCD, na przykład 30 mA,
• czy miernik ma tryb pomiaru pętli zwarcia bez wyzwalania RCD,
• czy wybrano właściwy zakres i właściwy tryb pomiaru,
• czy pomiar jest wykonywany między właściwymi przewodami,
• czy w obwodzie nie ma podłączonych odbiorników powodujących dodatkowy prąd upływu,
• czy RCD nie zadziałał podczas pomiaru,
• czy wynik jest stabilny i powtarzalny,
• czy wynik można porównać z wymaganiami dla zastosowanego zabezpieczenia.

W układzie TN wynik pomiaru pętli zwarcia należy interpretować w odniesieniu do zabezpieczenia nadprądowego i warunku samoczynnego wyłączenia zasilania. W obwodach zabezpieczonych RCD pomiar może wymagać specjalnego trybu miernika, ale obecność RCD nie zwalnia z poprawnej oceny warunków ochrony właściwych dla danego układu sieciowego.

7. Przykład pomiaru impedancji pętli zwarcia

Poniżej przedstawiono przykład dydaktyczny dotyczący pomiaru impedancji pętli zwarcia w kilku punktach instalacji. Dane liczbowe mają charakter przykładowy i pokazują sposób zapisu, obliczenia oraz interpretacji wyników.

Dane do przykładu
Przyjęto:

• układ sieci: TN-S, 
• napięcie fazowe względem ziemi: U₀ = 230 V, 
• zabezpieczenie badanego obwodu: wyłącznik nadprądowy B16,
• prąd znamionowy zabezpieczenia: I_n = 16 A, 
• przyjęty prąd zadziałania w przykładzie dydaktycznym: I_a = 5 · I_n = 80 A, 
• maksymalna dopuszczalna impedancja pętli zwarcia: Z_smax = 2,88 Ω.

Wartość Z_smax obliczono z zależności:

Po podstawieniu danych:

W praktycznym zapisie:

Tabela wyników pomiarów

gdzie:

Z_s  - zmierzona impedancja pętli zwarcia [Ω],

I_k - spodziewany prąd zwarciowy [A],

Z_smax - maksymalna dopuszczalna impedancja pętli zwarcia [Ω].

Przykład obliczenia prądu zwarciowego

Dla punktu pomiarowego G2 zmierzono:

Spodziewany prąd zwarciowy wynosi:

Po podstawieniu danych:

Ponieważ:

oraz:

warunek samoczynnego wyłączenia zasilania w przyjętym przykładzie jest spełniony.

Interpretacja wyników

W punktach G1, G2 i G3 zmierzona impedancja pętli zwarcia jest mniejsza od wartości dopuszczalnej Z_smax. Oznacza to, że w przyjętym przykładzie warunek samoczynnego wyłączenia zasilania jest spełniony.

W punkcie G3 zapas jest jednak niewielki, ponieważ zmierzona impedancja pętli zwarcia wynosi:

przy wartości granicznej:

Taki wynik warto odnotować w protokole i zwrócić uwagę na stan połączeń oraz długość obwodu.

W punkcie G4 warunek nie jest spełniony, ponieważ:

Spodziewany prąd zwarciowy wynosi tam około:

czyli jest mniejszy od przyjętego prądu zadziałania zabezpieczenia:

Oznacza to, że w przyjętym przykładzie zabezpieczenie może nie zadziałać w wymaganym czasie. Taki wynik wymaga analizy przyczyn i działań naprawczych. 

Przykładowy wniosek 

W punktach G1, G2 i G3 warunek Z_s ≤ Z_smax został spełniony dla zabezpieczenia B16. W punkcie G4 zmierzona impedancja pętli zwarcia wynosi Z_s = 3,10 Ωomega i przekracza wartość dopuszczalną Z_smax = 2,88 Ωomega. Warunek samoczynnego wyłączenia zasilania w punkcie G4 nie jest spełniony. Należy sprawdzić ciągłość przewodu ochronnego, stan połączeń, długość i przekrój przewodów oraz poprawność doboru zabezpieczenia.

8. Przykład protokołu pomiarowego

Po wykonaniu pomiaru impedancji pętli zwarcia wyniki należy zapisać w protokole. Protokół powinien zawierać nie tylko samą wartość Z_s, ale również dane badanego obwodu, zastosowane zabezpieczenie, wartość dopuszczalną oraz jednoznaczną ocenę wyniku. Poniżej przedstawiono przykładowy uproszczony protokół pomiaru impedancji pętli zwarcia. Dane mają charakter dydaktyczny i pokazują sposób dokumentowania oraz interpretowania wyników.

Wyniki pomiarów można zapisać w tabeli:

gdzie:

Z_s  - zmierzona impedancja pętli zwarcia [Ω],

I_k - spodziewany prąd zwarciowy [A],

Z_smax - maksymalna dopuszczalna impedancja pętli zwarcia [Ω].

Interpretacja protokołu

W punktach G1, G2 i G3 warunek:

jest spełniony. Oznacza to, że w tych punktach impedancja pętli zwarcia jest wystarczająco mała w stosunku do przyjętego zabezpieczenia B16.

W punkcie G4 warunek nie jest spełniony, ponieważ:

Oznacza to, że spodziewany prąd zwarciowy może być za mały, aby zabezpieczenie nadprądowe zadziałało w wymaganym czasie.

Wniosek z protokołu

Przykładowy wniosek końcowy może mieć postać:

Na podstawie wykonanych pomiarów impedancji pętli zwarcia stwierdzono, że w punktach G1, G2 i G3 warunek samoczynnego wyłączenia zasilania dla zabezpieczenia B16 jest spełniony. W punkcie G4 zmierzona impedancja pętli zwarcia wynosi Z_s = 3,10 Ωomega i przekracza wartość dopuszczalną Z_smax = 2,88 Ωomega. Warunek samoczynnego wyłączenia zasilania w punkcie G4 nie jest spełniony. Należy sprawdzić ciągłość przewodu ochronnego, stan zacisków, długość i przekrój przewodów oraz poprawność doboru zabezpieczenia. 

Uwagi do protokołu

W rzeczywistym protokole należy podać dokładne dane badanego obwodu, zastosowanego zabezpieczenia, miernika oraz przyjętej metodyki oceny. Należy również zapisać, czy wynik Z_s został odczytany bezpośrednio z miernika, czy obliczony na podstawie innych danych. Wniosek nie powinien ograniczać się do określenia "dobry" albo "zły". Powinien wskazywać, który warunek został spełniony lub niespełniony oraz do jakiego zabezpieczenia odnosi się ocena.

9. Interpretacja wyników i najczęstsze błędy

Interpretacja pomiaru impedancji pętli zwarcia polega na porównaniu zmierzonej wartości Z_s z wartością dopuszczalną wynikającą z zastosowanego zabezpieczenia i wymaganego czasu wyłączenia. Nie wystarczy więc zapisać samego wyniku pomiaru. Trzeba jeszcze ustalić, czy przy takiej wartości impedancji może popłynąć prąd zwarciowy powodujący zadziałanie zabezpieczenia.

Podstawowy warunek oceny ma postać:

albo równoważnie:

gdzie:

Z_s - zmierzona impedancja pętli zwarcia [Ω],

Z_smax - maksymalna dopuszczalna impedancja pętli zwarcia [Ω],

I_k - spodziewany prąd zwarciowy [A],

I_a - prąd powodujący zadziałanie zabezpieczenia w wymaganym czasie [A].

Jeżeli wartość Z_s jest mniejsza od wartości Z_smax, warunek można uznać za spełniony. Jeżeli wartość Z_s jest większa od Z_smax, warunek nie jest spełniony i wymaga wyjaśnienia.

Jak interpretować wynik z małym zapasem?

Szczególną uwagę należy zwrócić na wyniki znajdujące się blisko wartości granicznej. Przykładowo, jeżeli:

a wartość dopuszczalna wynosi:

to warunek jest spełniony, ale zapas jest niewielki.

Taki wynik warto odnotować w protokole. Może on wskazywać na długi obwód, mały przekrój przewodów, podwyższoną impedancję połączeń albo niekorzystny dobór zabezpieczenia. W praktyce warto wtedy zweryfikować stan zacisków, ciągłość przewodu ochronnego oraz powtarzalność pomiaru.

Najczęstsze błędy podczas pomiaru

Podczas pomiaru impedancji pętli zwarcia można spotkać następujące błędy i problemy:

• wykonanie pomiaru w niewłaściwym punkcie instalacji, 
• pomiar między niewłaściwymi przewodami,
• błędne rozpoznanie układu sieci,
• nieuwzględnienie rodzaju zabezpieczenia,
• przyjęcie niewłaściwej wartości I_a,
• brak porównania wyniku z wartością Z_smax,
• nieuwzględnienie obwodu zabezpieczonego RCD,
• brak sprawdzenia ciągłości przewodu ochronnego PE,
• pozostawienie podłączonych odbiorników wpływających na wynik, 
• wykonanie pomiaru przy niestabilnym napięciu zasilającym,
• błędne wpisanie jednostek w protokole,
• wpisanie wyniku bez interpretacji.

Mierniki impedancji pętli zwarcia mogą również sygnalizować błędy, które należy uwzględnić przed zapisaniem wyniku. W instrukcjach mierników można spotkać komunikaty związane między innymi z brakiem przewodu N, zamianą przewodów L i N, napięciem między PE i N, zakłóceniami w sieci, przekroczeniem zakresu pomiarowego, przegrzaniem miernika albo zanikiem napięcia po pomiarze. W takich sytuacjach wynik może być niewiarygodny albo pomiar może zostać zablokowany.

Najczęstsze błędy w protokole

W protokołach pomiarowych często pojawiają się błędy formalne i interpretacyjne. Do najważniejszych należą:

• brak informacji o zastosowanym zabezpieczeniu,
• brak charakterystyki zabezpieczenia, na przykład B16 albo C16, brak wartości Z_smax,
• brak informacji o napięciu U₀, brak informacji o układzie sieci,
• brak informacji o miejscu pomiaru,
• wpisanie samego wyniku Z_s bez oceny,
• błędne zaokrąglenia,
• pomylenie jednostek Ω i A,
• brak informacji o wyniku niespełniającym warunku oraz zalecanych działaniach.

Poprawny protokół powinien pozwalać odtworzyć tok oceny. Osoba czytająca protokół powinna wiedzieć, gdzie wykonano pomiar, jakie zabezpieczenie chroni badany obwód, jaka jest wartość zmierzona, jaka jest wartość dopuszczalna oraz czy warunek samoczynnego wyłączenia zasilania został spełniony.

Co zrobić przy wyniku niespełniającym warunku?

Jeżeli wynik pomiaru nie spełnia wymagań, nie należy ograniczać się do wpisania "nie spełnia". Trzeba przeanalizować możliwe przyczyny zbyt dużej impedancji pętli zwarcia.

Do typowych działań sprawdzających należą:

• ponowne wykonanie pomiaru,
• sprawdzenie poprawności podłączenia miernika,
• sprawdzenie ciągłości przewodu ochronnego PE,
• sprawdzenie stanu zacisków i połączeń,
• sprawdzenie długości i przekroju przewodów,
• sprawdzenie poprawności doboru zabezpieczenia,
• sprawdzenie, czy w obwodzie nie występują uszkodzenia lub luźne połączenia,
• porównanie wyników z pomiarami w innych punktach tego samego obwodu.

Przykładowy zapis zalecenia może mieć postać:

W punkcie G4 warunek samoczynnego wyłączenia zasilania nie jest spełniony. Zaleca się sprawdzenie ciągłości przewodu ochronnego PE, stanu połączeń zaciskowych, długości i przekroju przewodów oraz poprawności doboru zabezpieczenia. Po usunięciu przyczyn należy powtórzyć pomiar.

Wniosek praktyczny

Pomiar impedancji pętli zwarcia jest pomiarem, którego wynik wymaga interpretacji. Sama wartość Z_s nie wystarcza do oceny bezpieczeństwa. Dopiero zestawienie jej z wartością dopuszczalną dla konkretnego zabezpieczenia pozwala ocenić, czy warunek samoczynnego wyłączenia zasilania został spełniony. W praktyce należy pamiętać, że mierniki pętli zwarcia mogą pracować w różnych trybach, w tym w obwodach L-PE, L-N i L-L, a niektóre mierniki umożliwiają pomiary L-PE w instalacjach zabezpieczonych RCD bez ingerencji w obwód.

Podsumowanie lekcji

W tej lekcji omówiono zagadnienia związane z pomiarem impedancji pętli zwarcia oraz oceną warunku samoczynnego wyłączenia zasilania.

Wyjaśniono, że pętla zwarcia jest drogą, którą może popłynąć prąd zwarciowy w przypadku uszkodzenia, na przykład zwarcia przewodu fazowego z częścią przewodzącą dostępną. W układzie TN pętla ta obejmuje między innymi źródło zasilania, przewód fazowy, miejsce zwarcia oraz przewód ochronny PE albo przewód PEN.

Omówiono pojęcie impedancji pętli zwarcia oznaczanej symbolem Z_s. Pokazano, że im mniejsza wartość Z_s, tym większy może być spodziewany prąd zwarciowy. Wartość tego prądu można w uproszczeniu wyznaczyć z zależności:

Przedstawiono podstawowy warunek oceny skuteczności samoczynnego wyłączenia zasilania:

Wyjaśniono, że wynik pomiaru Z_s należy zawsze interpretować w odniesieniu do zastosowanego zabezpieczenia. Sama wartość impedancji nie wystarcza do oceny bezpieczeństwa, jeżeli nie wiadomo, jaki wyłącznik nadprądowy albo bezpiecznik chroni badany obwód.

W części obliczeniowej pokazano sposób wyznaczenia maksymalnej dopuszczalnej impedancji pętli zwarcia Z_smax oraz spodziewanego prądu zwarciowego I_k. Przykład pokazał, że warunek jest spełniony wtedy, gdy zmierzona impedancja pętli zwarcia jest mniejsza lub równa wartości dopuszczalnej.

Omówiono również praktyczne zasady wykonywania pomiaru impedancji pętli zwarcia. Zwrócono uwagę na dobór właściwego trybu pomiarowego, poprawne podłączenie miernika, rozpoznanie układu sieci, znajomość zabezpieczenia oraz bezpieczeństwo pracy przy zasilonym obwodzie.

Szczególne miejsce poświęcono pomiarom w obwodach zabezpieczonych wyłącznikiem różnicowoprądowym. Wskazano, że klasyczny pomiar L-PE może spowodować zadziałanie RCD, dlatego w takich obwodach należy stosować odpowiedni tryb pomiarowy miernika, jeżeli jest dostępny.

Na przykładzie tabeli wyników i protokołu pokazano sposób zapisu pomiarów oraz interpretacji wyników. Podkreślono, że protokół powinien zawierać nie tylko zmierzoną wartość Z_s, ale także punkt pomiarowy, rodzaj zabezpieczenia, wartość Z_smax, spodziewany prąd zwarciowy oraz jednoznaczną ocenę.

Lekcja pokazuje, że pomiar impedancji pętli zwarcia jest jednym z kluczowych pomiarów ochronnych, ale nie zastępuje innych sprawdzeń. Pełna ocena ochrony przeciwporażeniowej wymaga także oględzin instalacji, sprawdzenia ciągłości przewodów ochronnych, oceny stanu izolacji, sprawdzenia wyłączników różnicowoprądowych oraz analizy dokumentacji technicznej.