w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 1 2 / 2 0 0 5

o c h r o n a p r z e c i w p o r a ż e n i o w a

70

o c h r o n a p r z e c i w p o r a ż e n i o w a

ochrona przeciwporażeniowa

w obwodach z przemiennikami

częstotliwości oraz jej badanie

dr inż. Lech Danielski, dr inż. Ryszard Zacirka – Politechnika Wrocławska

W

artykule został przedstawiony
sposób projektowania skute-

cznej ochrony przeciwporażeniowej
w instalacjach zasilanych z przemien-
ników częstotliwości. W przypadku
zwarć mogą one powodować przepływ
prądu, który nie zawsze spowoduje za-
chowanie warunku samoczynnego
wyłączenia. Sposób projektowania
ochrony przeciwporażeniowej zapro-
ponowany przez autorów może być
z powodzeniem stosowany przy zasi-
laniu ze źródeł o zmieniającej się im-
pedancji obwodu zwarcia (generatory
niskiego napięcia w układach zasila-
nia awaryjnego obiektów budowla-
nych), a szczególnie tam, gdzie waru-
nek samoczynnego wyłączenia nie
może zostać zachowany. Artykuł zgod-
ne z założeniami porusza tylko aspekt
ochrony przeciwporażeniowej, bez
analizy innych zjawisk mogących po-
wstać w takich przypadkach. Kolejny
artykuł z tego cyklu będzie poświęco-
ny ochronie przeciwporażeniowej
w instalacjach zasilanych z UPS-ów.

zasady stosowania ochrony

przeciwporażeniowej

Obwody instalacji elektrycznych

zasilane przez przemienniki często-
tliwości muszą być objęte ochroną
przed dotykiem bezpośrednim i po-

średnim. Zasady stosowania ochro-
ny przeciwporażeniowej są podobne,
jak w innych obwodach [1].

Ochrona przed dotykiem bezpośred-

nim powinna być realizowana przez izo-
lowanie części czynnych i zastosowanie
obudów i osłon. Należy pamiętać, że izo-
lacja robocza (a także izolacja podstawo-
wa) obwodów powinna być odporna na
przepięcia, które mogą wystąpić w chro-
nionych obwodach. Stosowane obudo-
wy i osłony zarówno przemienników
częstotliwości, jak i zasilanych z nich
urządzeń powinny mieć odpowiedni
do warunków środowiskowych (użyt-
kowania urządzenia) stopień ochrony
IP oraz nie powinny dać się usunąć bez
użycia narzędzi lub klucza.

Ochrona przed dotykiem pośred-

nim w obwodach zasilanych przez
przemienniki częstotliwości realizo-
wana jest najczęściej przez samoczyn-
ne wyłączenie zasilania. Powinna ona
zapewniać w przypadku uszkodzenia
izolacji i zwarcia metalicznego z czę-
ścią przewodzącą dostępną:



samoczynne wyłączenie zasilania

przez zastosowane w obwodzie
zabezpieczenie zwarciowe lub róż-
nicowoprądowe, lub



obniżenie napięcia dotykowego wy-

stępującego na części przewodzą-
cej dostępnej do wartości nieprze-
kraczającej napięcia dotykowego

dopuszczalnego długotrwale w da-
nych warunkach środowiskowych.

ochrona w obwodach

z przemiennikami

częstotliwości zasilającymi

urządzenia napędowe

Cechą szczególną obwodów z prze-

miennikami częstotliwości jest to, że
wartość i przebieg czasowy prądu zwar-
ciowego uzależniony jest od miejsca wy-
stąpienia i rodzaju zwarcia (jedno- lub
wielofazowe). Przy zwarciu doziem-
nym w obwodzie zasilającym (przed
przekształtnikiem) prąd zwarciowy
jest prądem przemiennym, przy zwar-
ciu w obwodzie pośredniczącym prze-
kształtnika prąd zwarciowy jest prądem
stałym tętniącym, natomiast jednofa-
zowe zwarcie doziemne w obwodzie
wyjściowym powoduje przepływ prą-
du zmiennego odkształconego. Specy-
fika działania obwodu pośredniczące-
go prądu stałego przekształtnika powo-
duje, że podczas jednofazowego zwarcia
doziemnego do części przewodzącej do-
stępnej w obwodzie wyjściowym prą-
dy we wszystkich fazach obwodu za-
silającego przemiennika są symetryzo-
wane i często nie występuje w jednej
z faz wzrost prądu do wartości, która
mogłaby spowodować zadziałanie nad-
prądowych urządzeń zabezpieczających.

Konieczne jest zatem w przypadku wy-
stąpienia takiego zwarcia stosowanie
urządzeń zabezpieczających w obwo-
dach wyjściowych przemiennika.

Stosowane w przemiennikach za-

bezpieczenia zwarciowe mają za za-
danie chronić przed uszkodzeniem
sam przekształtnik. Coraz częściej tę
funkcję pełnią zabezpieczenia elektro-
niczne, które w wypadku wystąpienia
przetężenia prądowego bezzwłocznie
wyłączają napięcie wyjściowe wyłącza-
jąc tranzysty falownika. Taki stan nie
jest jednak równoznaczny z wyłącze-
niem obwodu wymaganym dla zapew-
nienia ochrony przed porażeniem, po-
nieważ wyłączenie uszkodzonego ob-
wodu nie zapewnia oddzielenia gal-
wanicznego od obwodu zasilającego.
Dokładniejsze przedstawienie proble-
mów związanych z zabezpieczaniem
obwodów z falownikami zasilający-
mi silniki można znaleźć w artykule
dr. Edwarda Musiała, zamieszczonym
w miesięczniku INPE [2].

Ze względu na konieczność stosowa-

nia w przemiennikach częstotliwości
układów filtrujących ze znacznymi po-
jemnościami doziemnymi, używanie
jako urządzeń wyłączających w ochro-
nie przez samoczynne wyłączenie za-
silania wyłączników różnicowoprądo-
wych powinno być poprzedzone do-
kładnym przeanalizowaniem występu-

Rys. 2 Zasada pomiaru impedancji pętli zwarcia dla oceny skuteczności ochrony przed

dotykiem pośrednim odbiornika zasilanego z przemiennika jednofazowego

Rys. 1 Zasada pomiaru impedancji pętli zwarcia dla oceny skuteczności ochrony

przed dotykiem pośrednim przemiennika jednofazowego

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 1 2 / 2 0 0 5

71

jących w obwodzie roboczym doziem-
nych prądów upływowych. Dodatko-
wą trudnością w ocenie prawidłowo-
ści działania wyłączników jest możli-
wość występowania prądów uszkodze-
niowych o częstotliwości większej niż
50 Hz oraz prądów stałych pulsujących
i stałych wygładzonych. Do ewentual-
nego wykorzystania w ochronie prze-
ciwporażeniowej przemienników czę-
stotliwości nadają się wyłączniki typu
B lub ewentualnie typu A o średniej czu-
łości (w zależności od wartości robocze-
go prądu upływu 100, 300 lub 500 mA),
albo nawet wyłączniki niskoczułe. Po-
winny być one ponadto wyłącznikami
co najmniej krótkozwłocznymi (lub se-
lektywnymi), aby uniknąć zbędnych
wyłączeń obwodów powodowanych
zwiększonymi prądami upływowymi
występującymi w momencie załączania
przemienników.

Znaczne prądy upływowe występu-

jące w przemiennikach częstotliwości
nakładają obowiązek szczególnie sta-
rannego wykonania połączeń prze-
wodu ochronnego. Przekrój przewo-
du ochronnego stosowanego dla urzą-

dzeń o prądzie upływowym powyżej
3,5 mA powinien mieć wartość co naj-
mniej 10 mm

2

, lub powinny być zasto-

sowane dwa przewody ochronne, każ-
dy o przekroju co najmniej 4 mm

2

.

badanie ochrony

przeciwporażeniowej przez

samoczynne wyłączenie

zasilania w obwodach

zasilanych przez

przemienniki częstotliwości

Przy sprawdzaniu impedancji pę-

tli zwarcia w obwodach zasilanych
przez przemienniki częstotliwości na-
leży wziąć pod uwagę fakt, że stoso-
wane powszechnie metody mogą dać
fałszywe wyniki. Przy zasilaniu z sie-
ci elektroenergetycznej zakładamy, że
moc w systemie jest tak duża, iż prąd
zwarciowy w danym punkcie instala-
cji elektrycznej niskiego napięcia jest
ograniczony głównie przez impedan-
cję toru przesyłowego, czyli linie zasi-
lające, transformatory i przewody in-
stalacji. Pomiary impedancji pętli po-
legają więc na wykonaniu sztuczne-

go zwarcia przy ograniczonym prą-
dzie oraz przy założeniu sztywności
i statyczności systemu, a także linio-
wości toru przesyłowego. Przy pomia-
rach w obwodach odbiorczych zasila-
nych przez przemienniki częstotliwo-
ści istotnym elementem jest falownik.
Urządzenia te, ze względu na porów-
nywalną moc własną z mocami zasi-
lanych odbiorników, zmuszone są do
ciągłej korekcji swoich parametrów, za-
tem wynik pomiaru zawierałby błę-
dy związane ze stanami przejściowy-
mi urządzenia zasilającego. Dla oceny
poprawności wykonania instalacji na-
leży zmierzyć impedancję z pominię-
ciem elementów energoelektronicz-
nych. Podczas badania impedancji pę-
tli zwarciowej w obwodach zasilanych
z falowników problem stanowi niezna-
jomość poziomu wysterowania falow-
nika (a tym samym zmiana jego impe-
dancji zwarciowej) w momencie zwar-
cia. Uniemożliwia to w praktyce ustale-
nie prądu zwarciowego. Ponadto zmia-
na częstotliwości napięcia wyjściowe-
go (często znacznie wyższa niż 50 Hz)
uniemożliwia poprawne wykonanie

pomiaru ogólnie dostępnymi na rynku
przyrządami do badania instalacji.

Zatem ocena skuteczności ochro-

ny przed dotykiem pośrednim przez
samoczynne wyłączenie zasilania na
podstawie porównania wartości prą-
du wyłączającego I

a

oraz prądu zwar-

cia doziemnego I

”

k1

, sprowadzająca się

do sprawdzenia spełnienia podanej
w normie [5] nierówności:

I

a

⋅ ≤

Z

U

s

o

jest praktycznie niemożliwa.

Proponujemy zatem ocenę sku-

teczności ochrony przeciwpora-

żeniowej przed dotykiem pośred-

nim przez sprawdzenie, czy w cza-

sie zwarcia doziemnego o prądzie

zwarciowym równym I

a

wystąpiło-

by na częściach przewodzących do-

stępnych napięcie dotykowe o war-

tości nieprzekraczającej napięcia

dotykowego, dopuszczalnego dłu-

gotrwale w danych warunkach śro-

dowiskowych (U

L

).

Sprawdzenie to można wykonać obli-

czając spodziewane wartości napięć do-
tykowych, jakie wystąpią na objętych

Rys. 3 Zasada pomiaru impedancji pętli zwarcia dla oceny skuteczności ochrony

przed dotykiem pośrednim falownika trójfazowego

Rys. 4 Zasada pomiaru impedancji pętli zwarcia dla oceny skuteczności ochrony

przed dotykiem pośrednim odbiornika zasilanego z falownika trójfazowego

reklama

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 1 2 / 2 0 0 5

o c h r o n a p r z e c i w p o r a ż e n i o w a

72

ochroną częściach przewodzących do-
stępnych podczas metalicznego zwarcia
doziemnego. W celu obliczeń należy wy-
konać pomiar impedancji pętli zwarcia
z pominięciem (przez zmostkowanie za-
cisków wejściowych i wyjściowych jed-
nej z faz) przemiennika częstotliwości
zgodnie ze schematami przedstawio-
nymi na

rysunkach 1, 2, 3 i 4, i przy

równoczesnym przerwaniu ciągłości
przewodów pozostałych faz i przewo-
du neutralnego. Po wykonaniu pomia-
ru impedancji pętli zwarcia należy ob-
liczyć impedancję przewodu PE, przyj-
mując ją jako równą 0,5 zmierzonej im-
pedancji Z

S

.

Największa spodziewana wartość na-

pięcia dotykowego U

ST

będzie równa:

U =I 0,5 Z

ST

a

S

⋅

⋅

Wartość ta została obliczona z bar-

dzo dużym zapasem bezpieczeństwa.
Dokładniejsze jej ustalenie wymagało-
by zmierzenia (za pomocą miernika do
pomiaru małych rezystancji, np. typu
MMR-600 prod. SONEL), lub ustale-
nia w obliczeniach, wartości impedan-
cji (rezystancji) przewodu ochronnego
między rozpatrywaną częścią przewo-
dzącą dostępną a głównym połącze-
niem wyrównawczym. Zgodnie z nor-
mą [1] uważa się, że ochrona jest sku-
teczna, jeżeli napięcie dotykowe U

ST

jest

mniejsze od dopuszczalnej długotrwale
w danych warunkach środowiskowych
wartości napięcia dotykowego:

U =I Z

U

ST

a

PE

L

⋅

≤

gdzie:
I

a

– prąd wyłączający urządzenia za-

bezpieczającego (w obwodzie zasila-
nia przemiennika lub urządzenia od-
biorczego),
Z

PE

– wartość impedancji (rezystancji)

przewodu ochronnego PE między roz-
patrywaną częścią przewodzącą do-
stępną a głównym połączeniem wy-
równawczym,
U

L

– dopuszczalna długotrwale w da-

nych warunkach środowiskowych
wartość napięcia dotykowego.

Zapewnienie skuteczności ochrony

przed dotykiem pośrednim przy prawi-
dłowym wykonaniu instalacji nie po-
winno sprawiać żadnych trudności. Na

przykład, przy zasilaniu obwodu z prze-
miennikiem częstotliwości, przy zasto-
sowaniu w obwodzie zasilającym wy-
łączników instalacyjnych typu B o prą-
dzie znamionowym 25 A, dla zapew-
nienia bezpieczeństwa porażeniowe-
go dopuszczalna rezystancja przewo-
du ochronnego na drodze od rozpatry-
wanego odbiornika do głównej szyny
wyrównawczej MEB (przy założeniu do-
puszczalnej długotrwale wartości na-
pięcia dotykowego U

L

równej 50 V), nie

powinna być większa niż:

R =

U

I

=

50 V

125 A

=0,4

PE

L

a

Ω

Przy zastosowaniu przewodu

ochronnego o przekroju np. 4 mm

2

taką rezystancję będzie miał przewód
o długości:

l=R⋅γ⋅S=0,4⋅56⋅4=89 m–2 m

(na rezystancję przejścia

połączeń stykowych)=87 m

Jeżeli opisany powyżej warunek nie

jest spełniony, to należy wykonać połą-
czenie wyrównawcze dodatkowe (miej-
scowe), łączące badaną część przewo-
dzącą dostępną z częściami przewo-
dzącymi dostępnymi innych urządzeń
elektrycznych, oraz z częściami prze-
wodzącymi obcymi znajdującymi się
w otoczeniu badanego urządzenia.
Skuteczność wykonanego połączenia
wyrównawczego dodatkowego spraw-
dza się przez obliczenie spodziewanej
wartości napięcia dotykowego zgodnie
ze wzorem:

U =I R

U

ST

a

CC

L

⋅

≤

gdzie:
I

a

– prąd wyłączający urządzenia zabez-

pieczającego (w obwodzie zasilania prze-
miennika lub urządzenia odbiorczego),
R

CC

– wartość rezystancji przewodu połą-

czenia wyrównawczego miejscowego CC
między rozpatrywaną częścią przewo-
dzącą dostępną a częścią przewodzącą
dostępną innego urządzenia elektrycz-
nego lub częścią przewodzącą obcą,
U

L

– dopuszczalna długotrwale w da-

nych warunkach środowiskowych
wartość napięcia dotykowego.

Wartość rezystancji R

CC

należy

zmierzyć za pomocą miernika do po-

miaru małych rezystancji lub ustalić,
obliczając zgodnie ze wzorem:

R

l

S

cc

=

⋅

γ

gdzie:
l – długość przewodu wyrównaw-
czego,
γ – przewodność elektryczna materia-
łu żyły przewodu wyrównawczego,
S – przekrój żyły przewodu wyrów-
nawczego.

Zapewnienie skuteczności ochrony

przed dotykiem pośrednim po wyko-
naniu połączenia wyrównawczego do-
datkowego (miejscowego) nie powinno
sprawiać trudności. Na przykład, przy
zastosowaniu przewodu wyrównaw-
czego o przekroju 4 mm

2

i długości 10 m

(+2 m na rezystancję przejścia połączeń
stykowych), rezystancja tego połączenia
wyrównawczego będzie wynosiła:

R =

l

( S)

=

(10+2)

(56 4)

=0,054

γ ⋅

⋅

Ω

Dopuszczalny prąd wyłączający

urządzeń zabezpieczających nadprą-
dowych, wynikający wyłącznie z wy-
magań stawianych ochronie przeciw-
porażeniowej, wynosiłby wówczas:

I =

50 V

0,054

=925A

a

Ω

Przy zastosowaniu przewodu wy-

równawczego o przekroju 10 mm

2

i dłu-

gości 10 m, rezystancja tego połączenia
wyrównawczego będzie wynosiła:

R=

l

( S)

=

(10+2)

(56 10)

=0,022

γ ⋅

⋅

Ω

Dopuszczalny prąd wyłączający

urządzeń zabezpieczających nadprą-
dowych, wynikający wyłącznie z wy-
magań stawianych ochronie przeciw-
porażeniowej, wynosiłby wówczas:

I =

50 V

0,022

=2270 A

a

Ω

podsumowanie

Przy projektowaniu instalacji zasi-

lanych z przemienników częstotliwo-
ści należy uwzględniać ich specyfikę.
Ze względu na różnorodność rozwią-
zań konstrukcyjnych i parametrów

technicznych, przy projektowaniu na-
leży wykorzystać dane dotyczące kon-
kretnego typu urządzenia zasilającego.
Dobierając urządzenia zabezpieczające
należy brać pod uwagę takie cechy urzą-
dzeń odbiorczych, jak: prąd rozruchowy,
roboczy prąd upływowy i spodziewany
kształt prądu uszkodzeniowego. Często
popełnianym błędem jest dążenie pro-
jektantów instalacji do stosowania wy-
łączników różnicowoprądowych o jak
największej czułości – najczęściej wy-
sokoczułych, o znamionowym różnico-
wym prądzie wyzwalającym równym
30 mA. Ich stosowanie może stwarzać
kłopoty podczas normalnej pracy insta-
lacji spowodowane zbędnym zadziała-
niem, a z punktu widzenia bezpieczeń-
stwa nie uzyskuje się żadnych istotnych
dodatkowych korzyści. Należy przypo-
mnieć, że stosowanie wyłączników wy-
sokoczułych jest wymagane i zalecane
do zabezpieczenia obwodów zasilają-
cych gniazda wtyczkowe przeznaczone
w szczególności do przyłączania odbior-
ników ręcznych użytkowanych w wa-
runkach zwiększonego lub szczególne-
go zagrożenia porażeniowego.

Zaproponowany sposób sprawdzania

skuteczności ochrony przed dotykiem
pośrednim w obwodach zasilanych
z przemienników częstotliwości jest sto-
sunkowo prosty i łatwy do wykonania.
Pomiary są wykonywane przy nieod-
kształconym prądzie pomiarowym prze-
miennym o częstotliwości 50 Hz ogólnie
dostępnymi na rynku przyrządami do
pomiarów impedancji pętli zwarcia, lub
przy użyciu przyrządu do pomiaru ma-
łych rezystancji z wbudowanym źródłem
napięcia pomiarowego.

Przedstawione w artykule przykła-

dy obliczeniowe uzasadniają stwier-
dzenie, że zapewnienie skuteczności
ochrony przed dotykiem pośrednim
przez samoczynne wyłączenie zasi-
lania w obwodach zasilanych z prze-
mienników częstotliwości nie stano-
wi problemu, pod warunkiem prawi-
dłowej budowy instalacji i zastoso-
wania odpowiednich przewodów
ochronnych oraz głównych i dodat-
kowych połączeń wyrównawczych.

Od redakcji: literatura do artyku-

łu na

www.elektro.info.pl.