Zasada działania RCD

Budowa i zasada działania wyłączników różnicowoprądowych

Badania nad  praktycznym zastosowaniem opracowanej w Niemczech idei działania wyłącznika różnicowoprądowego trwały od 1928 roku do lat 50-tych. Po tym okresie rozpoczęła się seryjna produkcja oraz szerokie zastosowanie w technice ochrony przeciwporażeniowej. Skuteczność działania wyłączników różnicowoprądowych zależy w znacznej mierze od właściwego doboru do określonych warunków użytkowania oraz od poprawności wykonania instalacji.

      Wyłącznik różnicowoprądowy stosowany w instalacjach elektrycznych do ochrony przed   porażeniem elektrycznym, powinien zapewnić samoczynne wyłączenie zasilania w przypadku wystąpienia niebezpiecznego napięcia dotykowego na częściach przewodzących dostępnych znajdujących się w mieszkaniach i pomieszczeniach budownictwa publicznego oraz w wielu obiektach budownictwa przemysłowego. Zarówno własności ochronne jak i szeroki obszar zastosowań wyłączników różnicowoprądowych  wymusza kierunki dalszego ich rozwoju, nowych technologii i zastosowań.

      Wyłącznik różnicowoprądowy definiowany jest również jako łącznik zabezpieczeniowy przystosowany do pracy długotrwałej w stanie zamkniętym, przeznaczony do załączania, przewodzenia i wyłączania prądów w normalnych warunkach pracy i powodujący otwarcie zestyków, gdy prąd różnicowy osiągnie określoną wartość w warunkach uszkodzeniowych.

      Wyłączniki różnicowoprądowe mogą być stosowane:

      a) jako urządzenia wyłączające w ochronie przy uszkodzeniu (przy dotyku pośrednim) przez samoczynne wyłączenie zasilania,

      b) jako uzupełnienie ochrony podstawowej (przed dotykiem bezpośrednim), przy zastosowaniu urządzeń różnicowoprądowych 

          wysokoczułych, o I_Δn ≤ 30 mA,

      c) jako urządzenia chroniące instalację przed pożarem wywołanym przepływem prądu upływowego,  o  I_Δn.≤ 500 mA 

          przy czym:  I_Δn  jest znamionowym prądem różnicowym wyłącznika.

.

      Wyłączniki różnicowoprądowe nie są przewidziane do pełnienia funkcji zabezpieczenia obwodów i wyposażenia przed skutkami przeciążeń i zwarć. Nie reagują na prądy zwarciowe lub uszkodzeniowe płynące jedynie w przewodach czynnych. Dopiero przy prądach bardzo dużych przekraczających 6 - krotnie wartość znamionowego prądu obciążenia I_n (6 I_n), możliwe jest zadziałanie wyłącznika spowodowane dopuszczalną niesymetrią budowy przekładnika różnicowego. Dlatego też, w każdym obwodzie z wyłącznikiem różnicowoprądowym, zaleca się stosować również zabezpieczenia nadprądowe w postaci wyłączników samoczynnych (lub bezpieczników w instalacjach przemysłowych). Wymaganie to nie dotyczy wyłączników różnicowoprądowych z wbudowanym zabezpieczeniem nadprądowym.

 

      Wyłączniki różnicowoprądowe powinny być:

      1) łącznikami izolacyjnymi (w stanie otwarcia zapewniać bezpieczną przerwę izolacyjną),

      2) wyposażone w napęd ręczny umożliwiający zamykanie i otwieranie wyłącznika,

      3) wyposażone w widoczne wskaźniki: otwarcia i zamknięcia wyłącznika,

      4) urządzeniami klasy ochronności II,

      5) urządzeniami o stopniu ochrony obudowy co najmniej IP 2X,

      6) wyposażone w człon kontrolny (T), umożliwiający sprawdzenie ich zdolności wyłączalnej.

  

Budowa i zasada działania

      Wyłączniki różnicowoprądowe składają się z następujących podstawowych elementów: 

• przekładnika sumującego,

• wyzwalacza różnicowego oraz

• układu kontrolnego.

Przekładnik sumujący

      Przekładnik sumujący jest podstawowym elementem wyłącznika różnicowoprądowego. Składa się z rdzenia toroidalnego o dobrych  własnościach magnetycznych (dobrą przenikalnością magnetyczną tj. stosunkiem indukcji magnetycznej B do natężenia wzbudzającego pola magnetycznego H) oraz uzwojenia wtórnego, do którego przyłączony jest obwód wyzwalacza różnicowego.

       Zadaniem przekładnika sumującego jest porównanie prądów płynących w przewodach czynnych L i N przechodzących przez przekładnik. Prąd różnicowy I_Δ o wartości chwilowej równy jest sumie algebraicznej wartości chwilowych prądów płynących w przewodach przechodzących przez przekładnik sumujący 

      Ze względu na rodzaj prądu różnicowego wyłączniki różnicowoprądowe dzielą się na:

      a)  wyłączniki różnicowoprądowe o wyzwalaniu typu AC, przystosowane do działania wyłącznie przy prądzie

           uszkodzeniowym przemiennym,

      b)  wyłączniki różnicowoprądowe o wyzwalaniu typu A, przystosowane do działania przy prądzie uszkodzeniowym przemiennym,

          jak również przy prądzie   uszkodzeniowym pulsującym jednokierunkowym o dowolnej biegunowości, ze składową stałą do 6 mA.

       c) wyłączniki różnicowoprądowe o wyzwalaniu typu B, których działanie jest zapewnione zarówno przy prądzie różnicowym 

           przemiennym, jak również przy prądzie uszkodzeniowym pulsującym jednokierunkowym, ze składową stałą nie większą

           niż 6  mA  i przy prądzie stałym o niewielkim tętnieniu.     

 

      Na rysunku 1a przedstawiono zasadę działania i oznaczenia wyłącznika różnicowoprądowego czterobiegunowego trójfazowego o działaniu niezależnym od napięcia sieci, wyposażonego w człon pomiarowy różnicowoprądowy oraz człon wyłączający.

Rys. 1a. Uproszczony schemat trójfazowego wyłącznika  różnicowoprądowego

Oznaczenia: T - przycisk kontrolny; R_T - rezystor ograniczający zmodelowany prąd zwarcia, 

1-2, 3-4, 5-6 - kolejne oznaczenia biegunów głównych wyłącznika, 7N - 8N - oznaczenie bieguna neutralnego.

 

     

      W warunkach pracy niezakłóconej, prądy płynące w przewodach czynnych urządzenia prądu przemiennego sinusoidalnegoindukują w rdzeniu przekładnika sumującego strumienie elektromagnetyczne, których wielkość odpowiada natężeniom prądu. Jeżeli stan izolacji obwodu jest dobry, to prąd różnicowy o wartości chwilowej równej sumie algebraicznej wartości chwilowych prądów płynących w przewodach przechodzących przez przekładnik sumujący  jest równy zeru.

      W razie uszkodzenia izolacji i wystąpienia w chronionym obwodzie prądu różnicowego I_Δ płynącego do przewodu ochronnego PE lub do części przewodzącej dostępnej, jest zakłócona symetria prądów w przewodach czynnych. (L!,L2,L3,N) przechodzących przez przekładnik.

      W wyniku powstałej asymetrii, w rdzeniu przekładnika sumującego pojawia się strumień elektromagnetyczny oraz prąd w obwodzie wtórnym przekładnika. Prąd ten wytwarza pole elektromagnetyczne, które przy odpowiedniej biegunowości osłabia pole magnetyczne  magnesu trwałego, co powoduje zadziałanie wyzwalacza różnicowego i otwarcie zestyków wyłącznika zainstalowanego w przewodach L i N.

      Aby w przypadku uszkodzenia izolacji w odbiorniku z metalową obudową mogło dojść do zadziałania w wyłącznika różnicowoprądowego w określonym czasie, to musi być spełniony warunek przyłączenia wszystkich części przewodzących dostępnych instalacji:

       - w układzie TN - do uziemionego punktu neutralnego sieci za pomocą przewodów ochronnych PE lub PEN,

       - w układach TT i IT - do uziomu ochronnego R_A.

      Wyłączniki budowane są na znamionowy różnicowy prąd zadziałania I_Δn. Rzeczywisty prąd zadziałania wyłączników różnicowoprądowych musi być większy od 0,5 I_Δn do  I_{Δn ,} jednak nie większy niż I_Δn. Spełnienie tego wymagania, przy poprawnym doborze wyłącznika różnicowoprądowego, zapewnia jego działanie tylko przy powstaniu uszkodzenia w instalacji, a zapobiega zbędnemu działaniu powodowanemu przez robocze prądy upływowe.

      Na rys. 1b przedstawiono schemat wyłącznika różnicowoprądowego o wyzwalaniu typu B, składającego się z przekładnika sumującego TR1 reagującego na prądy przemienne i jednokierunkowe pulsujące ze składowa stałą nie większą niż 6 mA (podobnie jak wyłącznik o wyzwalaniu typu A) oraz przekładnika TR2 wraz ze specjalnym  układem w członie EW, przeznaczonego do wykrywania prądów stałych o niewielkim tętnieniu. 

Rys. 1b Budowa wyłącznika różnicowoprądowego o wyzwalaniu typu B.

Oznaczenia: T - przycisk kontrolny "TEST"; R_T - rezystor ograniczający zmodelowany prąd zwarcia;

TR₁ - pierwszy przekładnik prądowy reagujący na prądy przemienne i jednokierunkowe pulsujące,

TR₂ - drugi przekładnik prądowy z układem EW zależnym od napięcia sieci, wykrywającym prądy stałe o niewielkim tętnieniu.

1-2, 3-4, 5-6 - kolejne oznaczenia biegunów głównych wyłącznika, 7N - 8N - oznaczenie bieguna neutralnego.

 .

Wyzwalacz różnicowy

     

       Podstawowym elementem obwodu wyzwalającego wyłącznika różnicowoprądowego jest wyzwalacz różnicowy, przyłączony do uzwojenia wtórnego przekładnika sumującego w sposób bezpośredni (elektromechaniczny) lub pośredni za pomocą układu elektronicznego. Wyłączniki różnicowoprądowe typu AC i A są w większości wyłącznikami o wyzwalaniu bezpośrednim, wyposażone w wyzwalacz elektromechaniczny o opadającej zworze. Wyzwalacze mogą być spolaryzowane, działające tylko przy określonej biegunowości prądu i niespolaryzowane, których działanie jest niezależne od biegunowości prądu.

      Wyzwalacze spolaryzowane i niespolaryzowane składają się: z magnesu trwałego na którym umieszczone jest uzwojenie połączone z obwodem wtórnym przekładnika sumującego bezpośrednio lub za pośrednictwem odpowiedniego układu elektronicznego oraz ruchomej zwory. Zwora wyzwalacza różnicowego przyciągnięta do jarzma przez układ napędowy podczas zamykania wyłącznika, przetrzymywana jest polem magnetycznym wytworzonym przez magnes trwały.

      Zwolnienie zwory wyzwalacza różnicowego i otwarcie zestyków wyłącznika następuje po wystąpieniu prądu różnicowego redukującego  natężenie pola magnetycznego magnesu trwałego,   

      Rozłączanie wyłączników RCD zainstalowanych w obwodach trójfazowych powinno być pełnobiegunowe, czyli jednoczesne dla wszystkich biegunów L z wyjątkiem neutralnego N.  Jeżeli biegun neutralny jest wyposażony w zestyk rozłączalny, to:

       - rozłączanie przewodu neutralnego nie powinno następować wcześniej niż przewodów liniowych, natomiast

       - załączanie przewodu neutralnego powinno następować jednocześnie lub wcześniej niż przewodów liniowych.

.  

Układ kontrolny

      Wyłączniki różnicowoprądowe są wyposażone w człon kontrolny umożliwiający wystąpienie prądu różnicowego o wartości wystarczającej do zadziałania wyłącznika dla sprawdzenia jego zdolności wyłączalnej.  W rzeczywistości zmodelowany prąd różnicowy może być kilkakrotnie większy od znamionowego różnicowego prądu zadziałania wyłącznika I_Δn.