Lekcja 5. Ochrona przeciwporażeniowa

Wstęp

W poprzedniej lekcji omówiono dobór zabezpieczeń przeciążeniowych i zabezpieczeń zwarciowych. Kolejnym etapem analizy instalacji elektrycznej jest sprawdzenie, czy zastosowane rozwiązania zapewniają skuteczną ochronę przeciwporażeniową użytkownika.

W praktyce najczęściej stosowanym środkiem ochrony w instalacjach niskiego napięcia jest samoczynne wyłączenie zasilania. Oznacza to, że w przypadku uszkodzenia instalacji lub odbiornika zasilanie powinno zostać wyłączone w odpowiednio krótkim czasie, tak aby ograniczyć ryzyko porażenia prądem elektrycznym.

Cele lekcji

Osoba ucząca się:

• wyjaśnia, na czym polega ochrona przeciwporażeniowa,
• rozróżnia ochronę podstawową, ochronę przy uszkodzeniu i ochronę dodatkową,
• wskazuje najczęściej stosowane środki ochrony przeciwporażeniowej,
• wyjaśnia rolę przewodu ochronnego PE i połączeń wyrównawczych,
• zapisuje i interpretuje warunek skuteczności samoczynnego wyłączenia zasilania,
• analizuje proste przykłady sprawdzenia ochrony przeciwporażeniowej w instalacji elektrycznej.

1. Na czym polega ochrona przeciwporażeniowa?

Ochrona przeciwporażeniowa ma na celu ograniczenie ryzyka porażenia prądem elektrycznym podczas normalnej pracy instalacji oraz w przypadku uszkodzenia. W aktualnym podejściu normowym wyróżnia się ochronę podstawową, ochronę przy uszkodzeniu oraz — w określonych przypadkach — ochronę dodatkową. Ochrona podstawowa odpowiada dawnemu pojęciu ochrony przed dotykiem bezpośrednim, natomiast ochrona przy uszkodzeniu odpowiada dawnej ochronie przed dotykiem pośrednim.

Środek ochrony powinien obejmować albo odpowiednie połączenie ochrony podstawowej i ochrony przy uszkodzeniu, albo rozwiązanie wzmocnione, które zapewnia oba te efekty jednocześnie.

2. Podstawowe środki ochrony przeciwporażeniowej

Do środków ochrony ogólnie dopuszczonych w instalacjach niskiego napięcia należą:

• samoczynne wyłączenie zasilania,
• izolacja podwójna lub wzmocniona,
• separacja elektryczna do zasilania pojedynczego odbiornika,
• bardzo niskie napięcie SELV i PELV.

W instalacjach budynków mieszkalnych najczęściej stosuje się ochronę opartą na samoczynnym wyłączeniu zasilania.

3. Samoczynne wyłączenie zasilania

W przypadku samoczynnego wyłączenia zasilania ochrona podstawowa jest zapewniana przez izolację części czynnych albo przez przegrody i obudowy, natomiast ochrona przy uszkodzeniu jest realizowana przez połączenia wyrównawcze ochronne oraz samoczynne wyłączenie zasilania w przypadku uszkodzenia. W określonych sytuacjach norma przewiduje także ochronę dodatkową za pomocą urządzeń różnicowoprądowych o prądzie różnicowym nieprzekraczającym 30 mA.

4. Rola przewodu ochronnego i połączeń wyrównawczych

W ochronie przeciwporażeniowej bardzo ważną rolę pełni przewód ochronny PE. Części przewodzące dostępne powinny być połączone z przewodem ochronnym i z odpowiednim układem uziemienia. Jednocześnie dostępne części przewodzące, które mogą być równocześnie dotknięte, powinny być włączone do tego samego systemu uziemienia — indywidualnie, grupowo albo wspólnie. Dzięki temu w przypadku uszkodzenia możliwe jest szybkie zadziałanie zabezpieczenia i ograniczenie napięcia dotykowego.

5. Warunek skuteczności ochrony w układzie TN

Dla układu TN skuteczność samoczynnego wyłączenia zasilania sprawdza się z zależności:

gdzie:

• Z_s === impedancja pętli zwarcia [Ω],
• I_a === prąd wyłączający [A],
• U_o === napięcie między przewodem fazowym a ziemią [V].

Impedancja pętli zwarcia obejmuje źródło zasilania, przewód fazowy do miejsca uszkodzenia oraz przewód ochronny między miejscem uszkodzenia a źródłem. Jeżeli warunek jest spełniony, zabezpieczenie powinno wyłączyć uszkodzony obwód w wymaganym czasie.

6. Przykłady sprawdzenia ochrony przeciwporażeniowej

W tej części lekcji można wykorzystać te same obwody, które analizowano wcześniej przy doborze przewodu i zabezpieczenia. Tok postępowania może być następujący:

• 1. Przyjąć napięcie U_o,
• 2. Wyznaczyć lub przyjąć impedancję pętli zwarcia Z_s,
• 3. Określić prąd wyłączający I_a dla zastosowanego zabezpieczenia,
• 4. Sprawdzić warunek skuteczności ochrony:

• 5. Sformułować wniosek, czy ochrona przeciwporażeniowa jest skuteczna.

Poniżej przedstawiono dwa przykłady sprawdzenia skuteczności ochrony przeciwporażeniowej:

• Przykład 1 === sprawdzenie ochrony przeciwporażeniowej dla obwodu gniazdowego w mieszkaniu,
• Przykład 2 === sprawdzenie ochrony przeciwporażeniowej dla obwodu oświetleniowego w mieszkaniu.

Przykład 1. Sprawdzenie ochrony przeciwporażeniowej dla obwodu gniazdowego w mieszkaniu

Dane:

maksymalna moc urządzeń podłączonych do obwodu: P_max = 2 kW,

• współczynnik mocy cosφ: cosφ = 0,93,
• długość przewodów: l = 28 m,
• napięcie fazowe: U_nf = 230 V.

W dalszych obliczeniach przyjęto:

• przewód miedziany o przekroju przewodu 2,5 mm²,
• wyłącznik nadprądowy B16,
• układ sieci TN.

Krok 1. Wyznaczenie prądu obliczeniowego obwodu

Prąd obliczeniowy dla obwodu jednofazowego oblicza się z zależności:

Po podstawieniu danych:

Krok 2. Przyjęcie zabezpieczenia

Dla obwodu przyjęto wyłącznik nadprądowy o charakterystyce B i prądzie znamionowym zabezpieczenia:

Krok 3. Przyjęcie napięcia Uo

W układzie TN warunek skuteczności ochrony przeciwporażeniowej sprawdza się względem napięcia między przewodem fazowym a ziemią:

Krok 4. Określenie prądu wyłączającego Ia

Dla wyłącznika nadprądowego o charakterystyce B przyjmuje się:

gdzie:

• k === krotność prądu znamionowego powodująca szybkie zadziałanie zabezpieczenia.

Dla charakterystyki B przyjmuje się:

Zatem:

Krok 5. Wyznaczenie impedancji pętli zwarcia

W uproszczonym przykładzie szkolnym przyjęto, że impedancję pętli zwarcia można oszacować na podstawie rezystancji przewodu fazowego i ochronnego, pomijając reaktancję przewodów oraz impedancję źródła. Rezystancję jednej żyły przewodu oblicza się z zależności:

gdzie:

• R === rezystancja przewodu [Ω],
• l === długość przewodu [m],
• γ === konduktywność miedzi, przyjęta jako 56 m/(Ω·mm²),
• S === przekrój przewodu [mm²].

Po podstawieniu danych:

Zakładając, że przewód fazowy i ochronny mają taki sam przekrój, otrzymuje się w uproszczeniu:

Krok 6. Sprawdzenie warunku skuteczności ochrony

Warunek skuteczności ochrony przeciwporażeniowej w układzie TN ma postać:

Po podstawieniu danych:

Warunek jest spełniony.

Wniosek dla Przykładu 1

W analizowanym przykładzie ochrona przeciwporażeniowa przez samoczynne wyłączenie zasilania jest skuteczna. Oznacza to, że w przypadku uszkodzenia wyłącznik nadprądowy B16 powinien zadziałać wystarczająco szybko, aby zapewnić bezpieczne wyłączenie obwodu.

Przykład 2. Sprawdzenie ochrony przeciwporażeniowej dla obwodu oświetleniowego w mieszkaniu

W drugim przykładzie sprawdzono skuteczność ochrony przeciwporażeniowej dla obwodu oświetleniowego w mieszkaniu. Z wcześniejszych obliczeń wiadomo, że dla tego obwodu przyjęto:

• liczba punktów oświetleniowych: 10,
• moc jednego punktu oświetleniowego: 75 W,
• moc całkowita obwodu: P = 750 W,
• napięcie fazowe: U_nf = 230 V,
• współczynnik mocy: cosφ = 1,
• przewód YDYżo 3×1,5 mm²,
• zabezpieczenie: wyłącznik nadprądowy B10,
• układ sieci TN.

Krok 1. Przyjęcie napięcia Uo

W układzie TN warunek skuteczności ochrony przeciwporażeniowej sprawdza się względem napięcia między przewodem fazowym a ziemią:

Krok 2. Przyjęcie zabezpieczenia

 Dla obwodu oświetleniowego przyjęto wyłącznik nadprądowy o charakterystyce B i prądzie znamionowym:

Oznaczenie B10 oznacza, że jest to wyłącznik nadprądowy o charakterystyce B i prądzie znamionowym 10 A. Charakterystyka B jest często stosowana  w obwodach oświetleniowych i gniazdowych, w których nie występują duże prądy rozruchowe.

Krok 3. Określenie prądu wyłączającego Ia

Dla wyłącznika nadprądowego o charakterystyce B przyjmuje się:

gdzie:

• k === krotność prądu znamionowego powodująca szybkie zadziałanie zabezpieczenia.

Dla charakterystyki B przyjmuje się:

Zatem:

Krok 4. Wyznaczenie impedancji pętli zwarcia 

Impedancja pętli zwarcia Z_s obejmuje źródło zasilania, przewód fazowy do miejsca uszkodzenia oraz przewód ochronny między miejscem uszkodzenia a źródłem. Dla obwodu oświetleniowego należy uwzględnić także wcześniejsze odcinki instalacji zasilające rozdzielnicę, z której wychodzi obwód końcowy. W uproszczonym zapisie impedancję pętli zwarcia można obliczyć z zależności:

gdzie:

• ∑R === suma rezystancji elementów pętli zwarcia [Ω],
• ∑X === suma reaktancji elementów pętli zwarcia [Ω].

Na podstawie danych z analizowanego przykładu przyjęto:

Wartość ta obejmuje impedancję wcześniejszych odcinków instalacji oraz tor przewodu fazowego i ochronnego obwodu oświetleniowego.

Krok 5. Sprawdzenie warunku skuteczności ochrony

Warunek skuteczności ochrony przeciwporażeniowej w układzie TN ma postać:

Po podstawieniu danych:

Ponieważ napięcie wynikające z iloczynu impedancji pętli zwarcia i prądu wyłączającego jest mniejsze od napięcia U_o, warunek skuteczności ochrony przeciwporażeniowej jest spełniony.

Warunek jest spełniony.

Wniosek dla Przykładu 2

W analizowanym przykładzie ochrona przeciwporażeniowa przez samoczynne wyłączenie zasilania jest skuteczna. Oznacza to, że w przypadku uszkodzenia w obwodzie oświetleniowym wyłącznik nadprądowy B10 powinien zadziałać wystarczająco szybko, aby zapewnić bezpieczne wyłączenie obwodu. Dla obwodu oświetleniowego przyjęto przewód YDYżo 3×1,5 mm² oraz zabezpieczenie wyłącznikiem nadprądowym B10.

Wniosek końcowy z przykładów

 W obu analizowanych przypadkach warunek skuteczności samoczynnego wyłączenia zasilania został spełniony. Dla obwodu gniazdowego zastosowano wyłącznik nadprądowy B16, a dla obwodu oświetleniowego wyłącznik nadprądowy B10. W obu przypadkach iloczyn impedancji pętli zwarcia i prądu wyłączającego był mniejszy od napięcia U_o = 230 V. Oznacza to, że zastosowane zabezpieczenia powinny zapewnić samoczynne wyłączenie zasilania w przypadku uszkodzenia w układzie TN.

Podsumowanie lekcji

W tej lekcji omówiono podstawy ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach elektrycznych niskiego napięcia. Pokazano, że jej zadaniem jest ograniczenie ryzyka porażenia prądem elektrycznym zarówno podczas normalnej pracy instalacji, jak i w przypadku uszkodzenia.

Osoba ucząca się poznała różnicę między ochroną podstawową, ochroną przy uszkodzeniu oraz ochroną dodatkową. Ochrona podstawowa chroni przed dotknięciem części czynnych podczas normalnej pracy, ochrona przy uszkodzeniu ogranicza skutki pojawienia się napięcia na częściach przewodzących dostępnych, a ochrona dodatkowa uzupełnia pozostałe środki ochrony, na przykład przez zastosowanie urządzenia różnicowoprądowego.

W lekcji wskazano najczęściej stosowane środki ochrony przeciwporażeniowej, takie jak samoczynne wyłączenie zasilania, izolacja podwójna lub wzmocniona, separacja elektryczna oraz bardzo niskie napięcie SELV i PELV. W instalacjach budynków mieszkalnych szczególne znaczenie ma samoczynne wyłączenie zasilania.

Wyjaśniono również rolę przewodu ochronnego PE, połączeń wyrównawczych oraz uziemienia. Elementy te umożliwiają szybkie zadziałanie zabezpieczenia w przypadku uszkodzenia i pomagają ograniczyć niebezpieczne napięcie dotykowe.

W dalszej części lekcji przedstawiono warunek skuteczności samoczynnego wyłączenia zasilania w układzie TN:

Warunek ten oznacza, że iloczyn impedancji pętli zwarcia i prądu wyłączającego zabezpieczenia musi być nie większy od napięcia UIndeks dolny oo. Jeżeli zależność jest spełniona, zabezpieczenie powinno wyłączyć uszkodzony obwód w wymaganym czasie.

Na przykładach obwodu gniazdowego i obwodu oświetleniowego pokazano sposób sprawdzania skuteczności ochrony przeciwporażeniowej. W obu przypadkach warunek został spełniony, co oznacza, że zastosowane wyłączniki nadprądowe powinny zapewnić samoczynne wyłączenie zasilania w przypadku uszkodzenia.

Cały cykl lekcji prowadzi od określenia zapotrzebowania na moc, przez dobór przewodów i zabezpieczeń, aż do sprawdzenia warunków bezpiecznej pracy instalacji. Poprawne wykonanie, sprawdzenie i ocena instalacji elektrycznej wymagają uwzględnienia zarówno warunków pracy odbiorników, jak i wymagań dotyczących bezpieczeństwa użytkowania.