30

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

J

uż na etapie projektowania urzą-
dzeń i instalacji elektrycznych za-

równo powszechnego użytku, jak
i przemysłowych, zawierających ukła-
dy energoelektroniczne, należy anali-
zować różnego rodzaju zagrożenia dla
osób obsługujących te urządzenia.
Obowiązkiem projektującego kom-
pletną instalację, w której zastosowa-
no urządzenie energoelektroniczne,
jest rozpoznanie tych zagrożeń i zasto-
sowanie odpowiednich środków
ochrony, redukujących ryzyko zagro-
żenia do minimum. Rozróżnia się kil-
ka rodzajów zagrożeń, wynikających
z pracy układów elektrycznych, m.in.
energoelektronicznych. Największe są
zagrożenia elektryczne, choć nie nale-
ży pomijać zagrożeń mechanicznych,
pożarowych, termicznych, chemicz-

nych, radiacyjnych, łącznie z promie-
niowaniem elektromagnetycznym.

W normalizacji światowej, europej-

skiej i krajowej formułuje się z opóź-
nieniem wymagania dotyczące bez-
pieczeństwa w zakresie projektowa-
nia, instalowania i eksploatacji urzą-
dzeń energoelektronicznych. W dal-
szym ciągu prowadzone są prace
nad rozwojem i nowelizacją wyma-
gań precyzujących bezpieczne wyko-
rzystywanie układów energoelektro-
nicznych. W ostatnich latach opra-
cowano, przy udziale specjalistów
z Polski, kilka norm z zakresu urzą-
dzeń energoelektronicznych.

Każde urządzenie energoelek-

troniczne powinno być bezpieczne
i nieuciążliwe dla obsługi i otocze-
nia, w którym zostało zainstalowane

i jest eksploatowane zarówno w sta-
nie normalnej jego pracy, jak i w sta-
nach awaryjnych. Dobór środków
chroniących urządzenia trzeba pro-
wadzić indywidualnie, w zależności
od topologii układu, sposobu zasila-
nia i zastosowania.

Wymagania dotyczące bezpieczeń-

stwa urządzeń energoelektronicznych
są uzależnione od ich mocy i kwalifi-
kacji personelu. Urządzenia większej
mocy (umownie przyjmuje się moc
powyżej 5 kW) są adresowane do użyt-
kowników przemysłowych, którzy po-
winni znać zasady bezpiecznej pracy.
W stosunku do urządzeń energoelek-
tronicznych mniejszej mocy, przewi-
dywanych do stosowania przez perso-
nel niewykwalifikowany, wymagania
w zakresie bezpieczeństwa powinny

być zaostrzone, a urządzenia testowa-
ne przez akredytowane laboratoria.

W dalszej części artykułu zwraca

się szczególną uwagę na zagrożenia
o charakterze elektrycznym, głów-
nie porażeniowym bez pomniej-
szania innych zagrożeń, występu-
ją one bowiem w chwili, kiedy oso-
ba obsługująca dotyka do urządze-
nia, a negatywny skutek jest na-
tychmiastowy (zagrożenie jest na-
tychmiastowe).

Ochrona przeciwporażeniowa dla

obsługi i użytkowników urządzeń
oraz instalacji elektrycznych po-
winna być realizowana w taki spo-
sób, aby w przypadku różnorodnych
uszkodzeń urządzeń i instalacji oraz
błędnych działań i zachowań ludzi,
następowało:

ochrona przeciwpora

żeniowa

w uk

ładach

energoelektronicznych

(część 1)

mgr in

ż. Andrzej Michalski, mgr inż. Andrzej Pytlak, mgr inż. Henryk Świątek

Notowany od wielu lat dynamiczny rozwój uk

ładów energoelektronicznych, zawiera-

j

ących urządzenia energoelektroniczne (przekształtnikowe) i urządzenia towarzyszące,

np. silnik i pulpit steruj

ący, ulegał ostatnio intensyfi kacji, w miarę doskonalenia techno-

logii produkcji pó

łprzewodnikowych przyrządów mocy, zwłaszcza tranzystorów, mikro-

procesorów i ich oprogramowania oraz rozwoju systemów transmisji i obróbki danych
dla zdalnego sterowania z zastosowaniem technologii komputerowych.

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

n r 4 / 2 0 0 4

Rys. 1 Schemat poglądowy układu napędowe-

go z przekształtnikiem częstotliwości zasilają-

cym silnik indukcyjny

31

niedopuszczenie do przepływu
przez ciało człowieka prądu powo-
dującego porażenie;

ograniczenie prądu rażeniowego;

ograniczenie czasu przepływu prą-
du rażeniowego, dzięki szybkiemu
wyłączeniu obwodu, w którym na-
stąpiło zagrożenie porażeniem.

Ogólne wytyczne ochrony przeciw-
porażeniowej i

przeciwpożarowej

są podawane w literaturze, ale nie
zawsze uwzględniają one specyfi-
kę pracy urządzeń energoelektro-
nicznych (np. rodzaju i częstotliwo-
ści prądu zwarciowego, uzależnienia
prądu zwarcia od stanu wysterowania
zaworów, wielokrotności przetwarza-
nia energii). Powoduje to, że produ-
cenci i użytkownicy urządzeń energo-
elektronicznych nie zawsze właściwie
dobierają środki ochrony przeciwpo-
rażeniowej i przeciwpożarowej.

charakterystyka urządzeń

energoelektronicznych

Urządzenia energoelektroniczne

służą do przekształcania energii elek-
trycznej prądu stałego i przemienne-
go do sterowania jej przepływem
i do celów łączeniowych. Urządzenia
te zmieniają wartość i częstotliwość
napięcia, dostosowując parametry za-
silania do aktualnych potrzeb odbior-
ników energii elektrycznej.

Urządzenia energoelektroniczne

mogą mieć różne parametry elek-
tryczne, topologie, właściwości
funkcjonalne, przy zastosowaniu
różnych typów zaworów (diody, ty-
rystory, tranzystory), sposobu prze-
twarzania, systemów sterowania i po-
ziomu ograniczania prądu. Układy te
mogą być zasilane z sieci o rozma-
itej konfiguracji (TN, TT, IT) i o róż-
nym poziomie mocy zwarcia, a tak-
że ze źródeł prądu stałego (akumu-
latory). Mogą one również pracować
jako urządzenia instalowane na sta-
łe (większej mocy) lub przyłączane za
pomocą gniazda wtykowego. Układy
na większe moce (powyżej 5 kW) są
przystosowane do zasilania z sieci
energetycznej trójfazowej.

Układy energoelektroniczne do

różnych zastosowań przemysło-

wych, w większości rozwiązań są za-
silane z sieci typu TN-S. Jednak nie-
które zastosowania napędowe (rys. 1)
i dla celów nagrzewania indukcyjne-
go (rys. 2) wymagają zasilania ukła-
dów energoelektronicznych z trans-
formatorów sieciowych pracujących
również w układzie sieci IT. Spowo-
dowane jest to tym, że proces techno-
logiczny może wymagać pracy układu,
pomimo jego doziemienia.

Zasilanie układów z sieci typu IT

powoduje konieczność odpowiednie-
go doboru właściwych zabezpieczeń
zwarciowych i przepięciowych oraz
specjalnego systemu ochrony przed
zakłóceniami radioelektrycznymi.

W urządzeniach energoelektro-

nicznych, w których są stosowane
tyrystory i tranzystory, występuje
problem izolacji między obwodami
sterowania elektronicznego a bram-
kami przyrządów półprzewodniko-
wych, połączonych galwanicznie
z obwodami głównymi. Jest to po-
ważny problem w aspekcie ochrony
przeciwporażeniowej, przeciwpoża-
rowej i niezawodności pracy, zwłasz-
cza w przekształtnikach dużej mocy
na napięcie znamionowe powyżej 1
kV. W szczegółowych rozwiązaniach
konstrukcyjnych jest natomiast sto-
sowana technika światłowodowa.

Podczas pracy przekształtnika,

w jego podzespołach obwodu głów-
nego, wydziela się znaczna ilość cie-
pła. Dla chłodzenia przekształtników
stosowane jest chłodzenie powietrz-
ne naturalne i wymuszone oraz chło-
dzenie wodne. Chłodzenie wodne wy-
korzystuje się zwykle w przekształtni-
kach dużej mocy, stosowanych głów-
nie w układach indukcyjnego nagrze-
wania i w układach galwanizerskich.
W rozwiązaniach, w których wyko-
rzystuje się wodę, są również chło-
dzone transformatory przekształt-
nikowe, dławiki wygładzające, przy-
rządy półprzewodnikowe i inne ele-
menty wyposażenia obwodu głów-
nego przekształtnika. Zastosowanie
chłodzenia wodnego naraża wypo-
sażenie elektryczne, zainstalowane
wewnątrz obudowy przekształtnika,
na działanie wilgoci, co zwykle po-
woduje zmniejszenie rezystancji izo-

n r 4 / 2 0 0 4

32

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

lacji i powiększenie prądu upływowe-
go. Ma to istotny wpływ na potrzebę
stosowania powiększonych odstępów
izolacji po powierzchni, zwłaszcza na
obwodach drukowanych.

Układy energoelektroniczne są

urządzeniami generującymi zakłó-
cenia radioelektryczne, przenoszo-
ne przez promieniowanie oraz prze-
wodowo przyłączami wewnętrznymi
i zewnętrznymi zarówno silnoprądo-
wymi, jak i sterującymi. Wymagają

stosowania odpowiednich środków
(filtrów) do ich eliminacji. Filtry te
powodują znaczne prądy pojemno-
ściowe w przewodzie ochronnym
PE. Prąd ten ogranicza możliwość
stosowania urządzeń (wyłączników)
różnicowoprądowych do zabezpie-
czania ziemnozwarciowego układów
energoelektronicznych.

W każdym układzie energoelektro-

nicznym znajduje się szereg obwodów,
wymagających zastosowania ochrony

przeciwporażeniowej przed dotykiem
bezpośrednim i przed dotykiem pośred-
nim. Obwody te, ze względu na funk-
cjonowanie układu, są od siebie oddzie-
lone galwanicznie izolacją podstawową
lub podwójną. Są to obwody:
a) Główny - obejmujący podzespoły sil-

noprądowe, w którym odbywa się
przekształcanie energii elektrycz-
nej, stosownie do wymagań odbior-
ników. Obwody główne są oddzielo-
ne zazwyczaj od sieci zasilającej za

pomocą transformatora prostowni-
kowego lub dławików sieciowych,
które nie powodują jednak oddzie-
lenia galwanicznego od sieci, ale
mają istotny wpływ na przebieg prą-
du zwarcia i na ograniczenie prze-
pięć atmosferycznych,

b) Elektroniczne - sterujące pracą za-

worów półprzewodnikowych, speł-
niające funkcje regulacyjne, moni-
torowania stanów pracy i sygnali-
zacyjne.

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

n r 4 / 2 0 0 4

Lp.

Rodzaj zagro

żenia Przyczyna

zagro

żenia

Środki zmniejszenia zagrożenia

1

2

3

4

1.

elektryczne

Kontakt z dostępnymi częściami przewodzącymi

znajdującymi się normalnie pod niebezpiecznym

napięciem.

Zastosowanie:

obudów, oddzielających izolacją podstawową lub podwójną od części

przewodzących prąd,

wyłączników drzwiowych,
obudów o odpowiedniej wytrzymałości mechanicznej na odkształcenia.

2

elektryczne

Kontakt z obudową, na której pojawiło się napięcie,

z uwagi na przebicie izolacji.

Zastosowanie:

izolacji podstawowej i podłączenia do przewodu ochronnego dostępnych

części przewodzących,

ekranu ochronnego podłączonego do przewodu ochronnego,
izolacji dodatkowej lub wzmocnionej,
szybkiego wyłączenia awarii,
połączeń wyrównawczych.

3

elektryczne

Zmagazynowana w kondensatorach energia

i utrzymująca się po odłączeniu urządzenia od źródła

zasilania.

Rozładowanie w określonym czasie kondensatorów znajdujących się pod
niebezpiecznym napięciem, po wyłączeniu układu z sieci zasilającej.

4

elektryczne

Zakłócenie elektromagnetyczne zdalnego sterowania

powodujące niewłaściwe zadziałanie silnika.

Zastosowanie:

wspólnego prowadzenia przewodów z przewodami uziemiającymi

i ekranującymi,

ekranów i pewne połączenie ekranów z obudowami,
elementów elektronicznych o zwiększonej odporności na zakłócenia,
układów sterowania z równoległą redundancją.

5

elektryczne

Prąd upływowy urządzenia o częstotliwości

sieciowe,j spowodowany upływnością fi ltrów RFI

i wysoką częstotliwością przetwarzania.

Ograniczenie prądu upływowego w przewodzie ochronnym do:

3,5 mA w urządzeniach podłączonych do sieci TN na stałe,
0,75 mA w urządzeniach przenośnych,
0,25 mA w urządzeniach wykonanych w II klasie ochronności.

6

elektryczne

Łuk powstający podczas procesów wyłączania prądu

w stanie normalnej oraz awaryjnej pracy.

Zastosowanie stałych lub zamkniętych osłon, pokryw, wyłączników
drzwiowych itp., w celu zapobieżenia dostępowi użytkownika do części
wytwarzających łuk w stanach łączeniowych.

7

Radiacyjne, w tym

elektromagnetyczne

Wpływ zakłóceń elektromagnetycznych na

człowieka, wynikający z przetwarzania energii przy

wysokiej częstotliwości.

Ograniczenie poziomu energii promieniowania, ekranowanie źródeł
promieniowania, stosowanie wyłączników drzwiowych, stosowanie oznaczeń
ostrzegawczych.

8

chemiczne

Spowodowane szkodliwymi czynnikami

chemicznymi, wydzielającymi się przy przegrzaniu

izolacji lub uszkodzeniu się wyposażenia.

Zastosowanie właściwych materiałów i ograniczenie przyrostów temperatury
wyposażenia elektrycznego przekształtnika.

9

pożarowe

Zapalenie się izolacji lub palnej obudowy w stanach

normalnej pracy lub w stanie awaryjnym

(uszkodzenia się izolacji).

Zastosowanie:

obudowy odpornej na ogień,
zabezpieczenia nadprądowego i ziemnozwarciowego,
materiałów izolacyjnych o odpowiedniej grupie odporności na ogień,
ekranowanie elementów o wysokiej temperaturze,
ograniczenie przyrostów temperatury wyposażenia elektrycznego.

10

mechaniczne

Ostre krawędzie, wirujące części, niestabilne

urządzenia, eksplozja bezpieczników lub

półprzewodnikowych przyrządów mocy, hałas,

wibracje, udary i wstrząsy.

Zastosowanie osłon, wyłączników drzwiowych, środków tłumiących drgania
urządzeń, zapewnienie stabilności wolno stojącym urządzeniom, wybór
elementów odpornych na eksplozję, zaokrąglanie krawędzi, stosowanie
oznaczeń ostrzegawczych.

11

wyładowania atmosferyczne

Wyładowanie atmosferyczne mogące spowodować

porażenie człowieka i uszkodzić urządzenie w wyniku

różnicy potencjałów między uziomami: roboczym,

ochronnym, funkcjonalnym i odgromowym.

Zastosowanie:

układu sieciowego TN,
łączne prowadzenie przewodu ochronnego z przewodami fazowymi,
połączeń wyrównawczych,
wspólnego uziomu roboczego, ochronnego, odgromowego i funkcjonalnego.

Tab. 1 Rodzaje zagrożeń oraz środki zmniejszające ich działanie

33

Obwody elektroniczne są zazwy-

czaj obwodami prądu stałego niskie-
go napięcia, ale wymagają zastosowa-
nia środków ochrony przeciwporaże-
niowej przed dotykiem bezpośrednim
(ochrona podstawowa) i środków
ochrony przed dotykiem pośrednim
(ochrona dodatkowa).

rodzaje zagrożeń

spowodowanych

pracą układów

energoelektronicznych

Przy organizacji środków ochrony

przeciwporażeniowej należy uwzględ-
nić zagrożenia wynikające z pracy
układów energoelektronicznych (ta-
bela 1). W tableli 1 podano zarów-
no przyczyny występowania zagro-
żeń, jak i środki zmniejszające ryzy-
ko tego zagrożenia.

napięcia decyzyjne

Dobór środków ochrony przeciw-

porażeniowej bezpośredniej i po-
średniej wewnątrz obudów prze-
kształtnika zależy od zakresu napię-
ciowego poszczególnych obwodów.
W układach energoelektronicznych
do regulacji i sterowania stosowane
są obwody pracujące przy bardzo ni-
skim napięciu ELV (extra safety volta-
ge), które nie przekracza zwykle ± 15
V. Obwody te, w zależności od zasto-
sowanej izolacji względem obwodów
głównych, mogą być obwodami typu
SELV (obwody SELV- są to obwody ni-
skiego napięcia oddzielone od obwo-
dów głównych podwójną podstawo-
wą izolacją), PELV (obwody PELV- są
to obwody niskiego napięcia oddzie-
lone od obwodów głównych izola-
cjami podstawowymi i uziemionym
ekranem) i FELV (obwody FELV- są to
obwody niskiego napięcia oddzielone
od obwodów głównych izolacją pod-
stawową lub funkcjonalną).

W tabeli 2 podano cztery klasy

(zakresy) napięcia decyzyjnego (de-
cisive voltage) i wartości napięcia im
odpowiadające, decydujące o doborze
środków ochrony przeciwporażenio-
wej i rodzaju izolacji.

Obwody pierwszego zakresu napię-

ciowego SELV oddzielone są od ob-
wodów głównych podwójną izolacją
podstawową i:

nie wymagają stosowania ochrony
przed dotykiem bezpośrednim;

wymagają stosowania izolacji ochron-
nej (wzmocnionej lub podwójnej) do
obwodów zakresu napięciowego 3
lub 4 (izolacji odniesionej do zakresu
3 lub 4);

wymagają przynajmniej izolacji pod-
stawowej do obwodów napięciowych
SELV zakresu 2;

nie wymagają przyłączenia części
przewodzących dostępnych (obudów)
do przewodu ochronnego i stosowa-
nia połączeń wyrównawczych.

Obwody pierwszego zakresu napię-
ciowego PELV oddzielone są od obwo-
dów głównych izolacją podstawową
oraz uziemionym ekranem i:

powinny być wyposażone w uziemio-
ny ekran znajdujący się między obwo-
dem I zakresu napięciowego a obwo-
dami III lub IV zakresu napięciowe-
go;

powinny mieć ekran o takim przekro-
ju, aby wytrzymywał prąd zwarcia do-
ziemnego przy przebiciu izolacji z 3
lub 4 obwodu zakresu napięciowego;

powinny mieć izolację podstawową
między obwodem I zakresu napięcio-
wego a uziemionym ekranem, przy
czym izolacja ta powinna być izolacją
odpowiednią dla tego zakresu napię-
ciowego;

powinny mieć izolację podstawową
między obwodem 3 lub 4 zakresu na-
pięciowego a uziemionym ekranem;
przy czym izolacja ta powinna być
izolacją odpowiednią dla tego zakre-
su napięciowego;

mogą być połączone z przewodem
ochronnym PE lub względem tego
przewodu izolowane.
Obwody pierwszego zakresu napię-

ciowego FELV, oddzielone od obwodów
głównych tylko izolacją podstawową
lub funkcjonalną, wymagają:

stosowania ochrony przed dotykiem
bezpośrednim;

stosowania przynajmniej izolacji pod-
stawowej do obwodów zakresu 3;

stosowania izolacji podstawowej
(przewidzianej dla zakresu napięcio-

n r 4 / 2 0 0 4

34

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

n r 3 / 2 0 0 4

wego 3) względem obwodów SELV za-
kresu 1 i 2;

stosowania izolacji podstawowej
(przewidzianej dla zakresu napięcio-
wego 3) względem obudowy;

podłączenia jednego bieguna napię-
cia FELV z przewodem ochronnym
PE, jeżeli obwody mają izolację prze-
widzianą dla zakresu napięciowego
1 lub 2.

Obwody drugiego zakresu napięcio-

wego SELV:

wymagają stosowania ochrony przed
dotykiem bezpośrednim;

wymagają separacji ochronnej (izola-
cji wzmocnionej lub podwójnej) od
obwodów zakresu 3 odniesionej do
izolacji zakresu 3;

wymagają stosowania separacji
ochronnej od obwodów zakresu na-

Zakres

napi

ęciowy

Graniczne warto

ści klas napięciowych

Napięcie przemienne (wartość

skuteczna) U [V]

Napięcie przemienne (wartość

szczytowa) UÖ2 [V]

Napięcie stałe

(wartość średnia) [V]

1

£25

£35

£60

2

25£U£50

35£U£71

60£U£120

3

50£U£1400

x

71£U£2000

x

120£U£2000

x

4

U>1400

x

U£2000

x

U£2000

x

Tab. 2 Napięcia decyzyjne do wyboru środków ochrony przeciwporażeniowej bezpośredniej i pośredniej (opracowano wg PN-EN 50178 i PN-EN

61800-5-1) Uwaga:

x

) w dotychczasowych krajowych przepisach rozdział między niskim i wysokim napięciem był przewidywany na po-

ziomie napięcia U = 1000 V prądu przemiennego lub 1500 V prądu stałego

pięciowego 4;

wymagają przynajmniej izolacji pod-
stawowej od innych obwodów zakre-
su napięciowego 2;

nie wymagają przyłączenia do prze-
wodu ochronnego i do połączeń wy-
równawczych części przewodzących
dostępnych (obudów).
Obwody trzeciego zakresu napięcio-

wego wymagają:

stosowania ochrony przed dotykiem
bezpośrednim;

zastosowania przynajmniej izolacji
podwójnej od obwodów zakresu 4;

zastosowania przynajmniej izolacji
podstawowej od innych obwodów za-
kresu 3;

stosowania podłączenia do przewo-
du ochronnego obudowy urządzenia
albo podwójnej lub wzmocnionej izo-
lacji względem obudowy;

stosowania połączeń wyrównaw-
czych.
Obwody czwartego zakresu napięcio-

wego wymagają:

stosowania ochrony przed dotykiem
bezpośrednim;

stosowania połączeń wyrównaw-
czych;

zastosowania przynajmniej izolacji
podstawowej od innych obwodów za-
kresu 4.

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

Rys. 2 Poglądowa topologia instalacji pieca indukcyjnego

średniej częstotliwości, dużej mocy, z zastosowa-

niem tyrystorowego przekształtnika częstotliwości