T42.Dobór urządzeń zabezpieczających i łączeniowych

Zagrożenia pożarowe od urządzeń elektrycznych W Polsce urządzenia elektryczne są przyczyną około 9000 pożarów rocznie. Najwięcej pożarów wynika z wad urządzeń elektrycznych, pozostałe są skutkiem błędów w użytkowaniu tego rodzaju urządzeń. Najczęstsze przyczyny pożarów to: zły stan zestyków lub niewłaściwy dobór aparatów łączeniowych zły stan lub niewłaściwy dobór zabezpieczeń przetężeniowych (nadprądowych) zły stan izolacji lub niewłaściwy rodzaj izolacji elektrycznej nadmierne nagrzewanie się urządzeń elektrycznych podczas ich pracy błędne połączenia lub zwarcia w instalacjach (np. pomiędzy przewodami N i PE) występowanie łuku elektrycznego brak ostrożności przy pracach spawalniczych niewłaściwe użytkowanie urządzeń grzejnych wewnętrznych zwarć w aparatach i urządzeniach zawierających palny olej mineralny występowania przepięć pochodzenia atmosferycznego i łączeniowego.

Zagrożenia pożarowe od urządzeń elektrycznych Zły stan zestyków w aparatach łączeniowych lub w bezpiecznikach topikowych (luźne lub zanieczyszczone zestyki), źle dokręcone (i zanieczyszczone) końcówki przewodów do zacisków lub niewłaściwie połączone przewody aluminiowe (utlenione powierzchnie źle przewodzą) powodują, że w miejscach styku powstaje rezystancja „zestykowa” o dużej wartości. Podczas przepływu prądu na rezystancji tej wydziela się ciepło, następuje nagrzewanie się zestyku, co powoduje utlenianie się jego powierzchni i brak kontaktu elektrycznego. Wydzielające się przy tym coraz intensywniej ciepło i w wielu przypadkach występujące iskrzenie może doprowadzić do zapłonu izolacji lub innych materiałów.

Jeżeli zabezpieczenia przetężeniowe, np Jeżeli zabezpieczenia przetężeniowe, np. bezpieczniki topikowe lub wyzwalacze nadprądowe, mają zbyt duży prąd znamionowy w stosunku do obciążalności przewodów lub do mocy zasilanych urządzeń, które mają zabezpieczać, to mogą one być przyczyną powstania pożaru. Szczególnie niebezpieczna sytuacja występuje wtedy, gdy zamiast oryginalnej wkładki topikowej jest zastosowana wkładka „naprawiana” - kawałkiem drutu lub innym przypadkowym przedmiotem - stosowanie takich „rozwiązań” jest niedozwolone. W takich przypadkach przy przeciążeniach, a w szczególności podczas zwarć, następuje silne nagrzanie materiału przewodzącego i izolacyjnego, ponieważ urządzenia zabezpieczające nie wyłączają zasilania w odpowiednio krótkim czasie.

Podczas pełnych zwarć metalicznych w instalacjach i urządzeniach elektrycznych zasilanie powinno z reguły zostać szybko wyłączone jest przez urządzenia zabezpieczające. Jednakże mogą powstać tzw. zwarcia niepełne, nazywane również rezystancyjnymi lub słaboprądowymi, na skutek uszkodzenia izolacji lub powstania ścieżki przewodzącej na powierzchni izolacji. Ma to miejsce nierzadko wskutek zmniejszenia się rezystancji izolacji w wyniku jej starzenia, zanieczyszczenia lub zawilgocenia. W miejscu uszkodzenia, wskutek wystąpienia prądu upływu, dochodzi do silnego nagrzania materiału izolacyjnego (mogącego prowadzić nawet do zwęglenia), mogącego być przyczyną pożaru - urządzenia zabezpieczające reagujące na wzrost wartości prądu w obwodzie nie mogą wyłączyć zasilania z powodu zbyt małej wartości prądu. Natomiast skuteczną ochronę zapewnić tutaj mogą zabezpieczenia różnicowoprądowe, reagujące na pojawienie się upływu prądu z obwodu. W urządzeniach elektroenergetycznych może powstać łuk elektryczny przy zwarciach oraz podczas błędnych czynności łączeniowych. Łuk elektryczny może spowodować pożar, a nawet wybuch, np. w przypadku zwarcia wewnętrznego w aparacie lub urządzeniu zawierającym palny olej mineralny. Bardzo częstą przyczyną pożarów są wszelkiego rodzaju grzejniki elektryczne, nie posiadające automatycznej regulacji lub ograniczników temperatury oraz pozostawianie bez nadzoru w pobliżu łatwo palnych materiałów. Przepięcia powstające samoistnie w sieciach elektroenergetycznych w chwili dokonywania łączeń powodują naprężanie elektryczne izolacji i możliwość jej przebicia, prowadzącego do powstania upływu prądu mogącego spowodować pożar. Podobne działanie mają przepięcia indukowane przez pobliskie wyładowania atmosferyczne w czasie burzy. Najczęściej jednak dochodzi do uszkodzeń w elektronicznym wyposażeniu urządzeń gospodarstwa domowego lub maszyn.

Stosuje się następujące sposoby eliminacji i ograniczenia zagrożenia pożarowego od urządzeń elektrycznych: wszędzie tam, gdzie jest to wskazane, stosuje się wyłączniki różnicowoprądowe o znamionowym prądzie wyzwalającym do 500 mA, dobrze spełniające zadanie środka ochrony przeciwpożarowej wykonuje się instalację i urządzenia tak, aby nie podtrzymywały i nie rozprzestrzeniały pożaru, niezależnie od tego, czy powstał on w nich samych, czy w ich pobliżu elementy instalacji i urządzeń elektrycznych stykające się z materiałami palnymi odpowiednio się dobiera lub umieszcza się w bezpiecznej odległości albo z użyciem niepalnych podkładek instaluje się przewody i kable z izolacją wykonaną z materiałów niepalnych i nie wydzielających chloru ani chlorowodoru w przypadku ich przegrzania; chlorowodór z wodą tworzy kwas solny, szkodliwy dla człowieka oraz powodujący bardzo duże szkody wynikające z korozji obiektów budowlanych i urządzeń przy długich wiązkach przewodów i kabli zapewnia się ich zwiększoną odporność na działanie ognia, przez zastosowanie odpowiedniej izolacji lub pomalowanie specjalną farbą bądź przez natryskiwanie spienionego tworzywa wykonuje się ognioodporne przejścia przewodów przez przeciwpożarowe ściany i stropy w obiektach, w których łatwo jest wzniecić pożar (np. w lakierniach, stolarniach, itp.), stosowane są tylko niezbędne urządzenia elektryczne i w odpowiednich osłonach w obiektach, w których pożar zagraża życiu wielu osób lub mieniu o dużej wartości (np. hotele i inne budynki użyteczności publicznej, kopalnie, itp.), instalacje i urządzenia elektryczne wykonuje się z materiałów, które podczas pożaru wydzielają jak najmniej dymu i toksycznych gazów obiekty budowlane wyposaża się w instalacje piorunochronne instaluje się ochronniki przeciwprzepięciowe w instalacjach elektrycznych obiektów opraw lamp w „ciągach świetlnych” nie wykonuje się z materiałów łatwo palnych.

Dobór urządzeń różnicowoprądowych Wyłącznik różnicowoprądowy zadziwił niejednego elektryka i wielu projektantów, a także zaskoczył wykonawcę, gdy zadziałał i wyłączył grupę ważnych obwodów lub uniemożliwił ich pracę. Od kilku lat wiemy o jego ważnej roli w instalacjach elektrycznych. Niekiedy jednak zapominamy o zasadzie selektywności, która powinna być stosowana nie tylko do urządzeń zabezpieczających przetężeniowych, ale również przy szeregowych połączeniach wyłączników różnicowoprądowych. W normie PN-IEC 60364 (arkusz 53) – Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego – podano ogólne warunki instalowania urządzeń ochronnych różnicowoprądowych. Wskazano na celowość podziału instalacji na obwody dla uniknięcia niepotrzebnych wyłączeń, gdyż zadziałania wyłączników mogą wystąpić już przy prądzie równym połowie znamionowego prądu różnicowego. l Dobór ze względu na upływności w instalacji. Upływności mają wszystkie urządzenia, np. urządzenia do odłączania izolacyjnego, których dopuszczalny prąd upływowy biegunów przy otwartych stykach wynosi 0,5 mA w nowym, czystym, suchym urządzeniu, a po kilkudziesięciu latach pracy może on wynosić nawet do 6 mA. Podobnie jest z oprawami oświetleniowymi i odbiornikami komputerowymi. Ważne jest już w fazie projektowania dokonanie właściwego podziału instalacji na obwody, aby uniknąć zbędnych wyłączeń, a umożliwić pracę grup urządzeń. l Dobór ze względu na czas zadziałania. Rozróżnia się wyłączniki różnicowoprądowe bezzwłoczne do ogólnego stosowania, krótkozwłoczne używane przy pikach prądowych występujących np. w sieciach z różnymi odbiornikami (także komputerowymi), zwłoczne typu S do układów wymagających selektywności. Wyłącznik zwłoczny jest tak wykonany, że jest możliwe jego niezadziałanie w założonym czasie przy danej wartości prądu różnicowego. l Dobór ze względu na rodzaj chronionych odbiorników. Uwzględniając kształt prądu różnicowego rozróżnia się następujące wyłączniki różnicowoprądowe: – typu AC: wyłączniki, których zadziałanie jest zapewnione przy prądach różnicowych sinusoidalnie przemiennych, doprowadzonych w sposób nagły lub wolno narastających; – typu A: wyłączniki, których zadziałanie jest zapewnione przy prądach różnicowych przemiennych (sinusoidalnych) i pulsujących stałych, doprowadzonych w sposób nagły lub wolno narastających.

Dobór ze względu na prąd znamionowy różnicowy Dobór ze względu na prąd znamionowy różnicowy. Ze względu na wartości prądu różnicowego wyłączników można podać trzy grupy ich zastosowań: – IDn Ł 30 mA – ochrona przeciwporażeniowa przed dotykiem bezpośrednim, – IDn Ł 0,3 A na placach budów i rozbiórek dla całej budowy, a dla obwodów gniazd, urządzeń i oświetlenia – 30 mA, – IDn Ł 0,5 A – ochrona przeciwpożarowa, np. w instalacjach elektrycznych gospodarstw rolniczych i ogrodniczych oraz innych, a także do wyłączania prądów doziemnych, które zagrażają bezpieczeństwu pod względem pożarowym. Dobór ze względu na przeznaczenie i funkcje w instalacjach bezpieczeństwa. Przy doborze wyłączników różnicowoprądowych w obwodach bezpieczeństwa muszą być spełnione warunki podane w normie PN-IEC 60364-5-56 z 1999 r. Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Instalacje bezpieczeństwa. Obwody instalacji bezpieczeństwa powinny być niezależne od wszystkich innych obwodów, co oznacza, że uszkodzenie lub przełączenie w jednym obwodzie nie może wpłynąć na działanie drugiego. Wyłączniki różnicowoprądowe muszą być przypisane do pojedynczych wyłączników, bezpieczników, a nie do ich grup.

Dobór ze względu na podstawowe parametry Dobór ze względu na podstawowe parametry. Znormalizowane wartości prądów wyłączników różnicowoprądowych – zgodnie z normą PN-IEC 1009-1:1996 Wyłączniki różnicowoprądowe z wbudowanym zabezpieczeniem nadprądowym do użytku domowego i podobnego (RCBO). Arkusz 1: Postanowienia ogólne – są następujące: wartości zalecane prądu znamionowego In: 6-8-10-13-16- -20-25-32-40-50-63-80-100-125 A, wartości znormalizowane prądu znamionowego różnicowego zadziałania wynoszą: 0,006-0,01-0,03-0,1-0,3-0,5 A, wartości znormalizowane znamionowej zdolności łączeniowej zwarciowej są równe: 1500, 3000, 4500, 6000, 10000 A. Należy również pamiętać o zabezpieczeniu urządzeń różnicowoprądowych przed prądami przetężeniowymi (przeciążeniowymi i zwarciowymi). Wyłącznik różnicowoprądowy ma wytrzymałość zwarciową 6 kA pod warunkiem dobezpieczenia od strony zasilania bezpiecznikiem Bi-Wts, gL o prądzie znamionowym, np. 63 A. Dobór ze względu na pełnione funkcje. Wyłączniki różnicowoprądowe dzieli się na: RCCB bez wbudowanego zabezpieczenia nadprądowego, RCBO z wbudowanym zabezpieczeniem nadprądowym. Wyłączniki RCCB nie są przeznaczone do pełnienia funkcji zabezpieczania przed prądem przetężeniowym, a więc przed skutkami zwarcia lub przeciążenia. Należy zwrócić uwagę, że RCBO (z wbudowanym zabezpieczeniem nadprądowym) też wymaga dobezpieczenia, zazwyczaj powyżej 10 kA, RCCB zaś zazwyczaj do 6 kA. Producenci podają te informacje w katalogach produktów.

Koordynacja urządzeń zabezpieczających Wybiórczość działania urządzeń jest nie tylko elementem komfortu odbiorców, lecz także stanowi zasadnicze wymaganie co do ciągłości zasilania instalacji bezpieczeństwa i procesów technologicznych. Niezachowanie selektywności powoduje wystąpienie bezpośrednich zagrożeń. Najczęstsze negatywne skutki to: odłączenie urządzeń decydujących o bezpieczeństwie instalacji, np. pomp przeciwpożarowych, wyłączenie wentylatorów wyciągowych – zagrożenia dla osób i mienia lub tylko dla mienia, np. zatrzymanie pomp w obiegach smarowania, chłodzenia, które również powoduje przerwy w procesach technologicznych, straty materiałów, ponowne rozruchy. Selektywność (inaczej wybiórczość) zabezpieczeń połączonych szeregowo polega na takiej koordynacji urządzeń, aby zakłócenie, począwszy od przeciążeń do zwarć w jakimkolwiek punkcie sieci, było likwidowane przez aparat znajdujący się najbliżej tego punktu lub bezpośrednio powyżej tego punktu, bez wyłączeń w innych miejscach sieci. Jest to selektywność pełna. Selektywność częściowa występuje wtedy, kiedy warunek powyższy jest spełniony przy pewnej wartości prądu, zwanej prądem wybiórczości granicznej. Oznacza to, że zakłócenie jest wyłączane przez wyłącznik przy prądzie mniejszym niż prąd graniczny wybiórczości. Poniżej tej wartości selektywność jest zachowana, a powyżej zadziałają obydwa aparaty (brak wybiórczości). Najczęściej występuje wybiórczość częściowa. Selektywność musi być brana pod uwagę już w fazie projektu instalacji i urządzeń. Należy przede wszystkim pamiętać, że za wyłącznikiem różnicowoprądowym selektywnym nie powinny być umieszczone żadne obwody przypisane funkcjom bezpieczeństwa – zarówno ratowania życia, zdrowia osób, jak i wartości mienia.

Aby zapewnić wybiórczość działania dwóch urządzeń ochronnych zainstalowanych szeregowo, powinny być spełnione jednocześnie dwa warunki: – charakterystyka czasowo-prądowa urządzenia ochronnego różnicowoprądowego, zainstalowanego po stronie zasilania, powinna się znajdować powyżej charakterystyki czasowo-prądowej urządzenia różnicowoprądowego stosowanego po stronie obciążenia; – wartość znamionowego prądu zadziałania urządzenia ochronnego różnicowoprądowego zainstalowanego po stronie zasilania powinna być większa co najmniej trzykrotnie od wartości znamionowego prądu zadziałania urządzenia ochronnego różnicowoprądowego stosowanego po stronie obciążenia. Znormalizowane czasy są podawane przy prądach równych: IDn, 2xIDn i 5xIDn. Z tablicy 1 wynika, że przy 5xIDn najdłuższy czas wyłączania dla wyłącznika bezzwłocznego typu AC jest równy 0,04 s i jest on krótszy od 0,13 s, czyli najkrótszego czasu niezadziałania wyłącznika zwłocznego typu S, natomiast przy 2xIDn mamy 0,15 s, a wartość ta jest większa od 0,13 s, a zatem warunek selektywności jest niespełniony. W połączeniu szeregowym dwóch wyłączników: bezzwłocznego i typu S przy prądzie różnicowym IDn oraz 2xIDn minimalny czas zadziałania wyłącznika typu S jest krótszy niż maksymalny czas zadziałania wyłącznika typu AC lub A. Nie występuje to dopiero przy prądzie równym lub większym od 5xIDn (gdyż 0,04 s < 0,05 s). W tej sytuacji żądania w normie 3-krotna różnica między prądami IDn wyłączników nie zawsze może zapewnić ich wybiórczość.

Przy szeregowym usytuowaniu wyłączników w obwodzie oprócz konieczności umieszczenia jednego z nich od strony zasilania (wyłącznik typu S), należy spełnić warunek 3- lub 5-krotnej różnicy wartości prądu IDn, a także uwzględnić typ wyłącznika (A lub AC). Rozważmy następujące zestawy wyłączników: – AC i AC typu S – selektywność spełniona przy 3xIDn; – AC i A typu S – selektywność może nie być spełniona przy 3xIDn, zalecane 5xIDn, ale układ niewskazany, gdyż przy prądach różnicowych pulsujących zadziała wyłącznik A typu S i wyłączy wszystkie obwody włączone za nim; – A i A typu S – układ zalecany, warunek selektywności spełniony przy 5xIDn; – A i AC typu S – warunek spełniony i wskazany przy 3xIDn, zalecane 5xIDn; wyłączniki typu AC są nieczułe na prądy pulsujące. Uwaga praktyczna: większość producentów oferuje wyłączniki różnicowoprądowe selektywne typu A. Z rozpatrywanych wariantów rozwiązań wynika wniosek, że najbardziej wskazany do stosowania jest wariant wyłączników typu A (jeden zwykły, drugi selektywny). Praktycznie, jak wynika z typoszeregu znamionowego prądu różnicowego zadziałania, będą połączone szeregowo wyłączniki np. o prądzie 0,03 A oraz typu S o prądzie 0,3 A, a ich krotność wynosi 10. Działanie wyłączników typu A sprawdza się też w przypadku, gdy na prąd różnicowy pulsujący stały jest nałożony prąd stały wygładzony równy 0,006 A. Wówczas przy opóźnieniu prądowym o kąt a = 0o wyłącznik powinien zadziałać, zanim prąd osiągnie wartość 1,4xIDn przy IDn>0,01 A albo 2xIDn przy IDn Ł 0,01 A.

Prądy odkształcone Zgodnie z normą PN-IEC 1009-1:1996 Wyłączniki różnicowoprądowe z wbudowanym zabezpieczeniem nadprądowym do użytku domowego i podobnego (RCBO) Arkusz 1: Postanowienia ogólne – odkształcenie przebiegu sinusoidalnego w warunkach znormalizowanych nie przekracza 5%. W praktyce występują znacznie większe odkształcenia. Wyniki pomiarów w jednym z obiektów budowlanych w Warszawie, wyposażonym w ponad 50 urządzeń o nieliniowej charakterystyce wejścia są następujące: największa ze zmierzonych wartości prądu w przewodzie ochronnym PE rozdzielnicy piętrowej wynosiła 522 mA, natomiast w przewodzie PE sieci UPS – 331 mA, pojedynczego obwodu – przykładowo 8,3 mA, ale nawet 40 mA. Zmierzono również całkowitą zawartość harmonicznych prądu w przewodzie PE sieci UPS i sieci zasilającej. Różnica była prawie trzykrotna. Przykładowe dane pomiaru współczynnika zawartości harmonicznych THD w przewodzie PE: od 102,6 do 259%, w przewodzie neutralnym N: od 23,2 do 60,1%; zmiany wartości współczynnika THD występowały w krótkich przedziałach czasu, poniżej 1 s. Wartość współczynnika THD wynosząca 259% dla przebiegu prądu w przewodzie PE świadczy o bardzo dużych odkształceniach sinusoidy. Dla przewodu N na zasilaniu maksymalna wartość THD wynosiła 60,1%. Skutki tego zjawiska to nie tylko straty mocy (moc prądu odkształconego), ale również wynikające zagrożenia i to dwojakie. Po pierwsze – prąd odkształcony w przewodzie ochronnym nie był wyłączany przez żadne z dostępnych w produkcji krajowej i zagranicznej urządzenie różnicowoprądowe, chociaż prąd ten ok. 40 mA stanowił zagrożenie porażeniowe. Po drugie – następowały sporadyczne w okresie półrocznym wyłączenia (zadziałanie wyłączników różnicowoprądowych) spowodowane stochastycznymi zmianami parametrów sieci zasilającej, ale gównie dlatego, że prądy upływowe w instalacji były zbliżone do prądów zadziałania aparatów. W tym obiekcie wykonano także pomiary prądu w przewodzie ochronnym w rozdzielnicy stacji zasilającej ponad 100 urządzeń i w poszczególnych obwodach z niej wychodzących. Największa ze zmierzonych wartości prądu w przewodzie ochronnym wynosiła 440 mA, natomiast w obwodzie – 46 mA. Zmierzono również całkowitą zawartość harmonicznych w prądzie różnicowym.

Na podstawie wyników pomiarów stwierdzono duże (kilkakrotne przekroczenie wartości podanych w normach europejskich) odkształcenia prądu i zawartości poszczególnych harmonicznych. Wyższe harmoniczne sumują się w przewodzie ochronnym i przekraczają prąd znamionowy wyłącznika różnicowoprądowego nie powodując jego zadziałania. Przy tak dużych odkształceniach prądu wynikających nie tylko z nieliniowych charakterystyk urządzeń (głównie filtrów wejściowych), lecz także wprowadzonych do sieci przez niektóre urządzenia bezprzerwowego zasilania, np. UPS-y, i inne odbiorniki oraz przy zmianach wartości napięcia i częstotliwości w sieci zasilającej występuje duże ryzyko wyłączenia zasilania przez wyłącznik różnicowoprądowy w obwodzie, do którego jest podłączony dany odbiornik. Należy dodać, że nawet kilkuprocentowe zmiany wartości napięcia i częstotliwości mogą spowodować wzrost prądu upływowego i wyłączenia urządzeń różnicowoprądowych. W celu ograniczenia prądu różnicowego oraz zmniejszenia ryzyka zbędnych wyłączeń, przy zmianach napięcia i częstotliwości w sieci zasilającej, a jeszcze ważniejsze – w celu ograniczenia prądu w przewodzie PE do wartości poniżej 30 mA, jednym ze skutecznych i możliwych do zastosowania rozwiązań jest zwiększenie liczby wyłączników różnicowoprądowych tak, aby jeden wyłącznik różnicowoprądowy i bezpiecznik (lub bezpieczniki) przypadały na mniejszą grupę urządzeń. Innym rozwiązaniem byłoby przekonstruowanie urządzeń tak, aby odkształcenia nie przekraczały wartości znormalizowanych. Podejście takie jest prawidłowe, jednak niestosowane ze względu na koszty. Jeszcze innym rozwiązaniem jest zasilanie urządzeń nieliniowych z wydzielonego transformatora o konstrukcji przystosowanej do ściśle określonych odbiorników.