w instalacjach i urządzeniach elektrycznych
mł. bryg. dr inż. Józef SZMITKOWSKI
1. Skutki oddziaływania prądu elektrycznego na ciało człowieka.
Działanie prądu elektrycznego jest bezpośrednie, gdy przepływa on przez ciało i
pośrednie, gdy nie przepływa przez ciało człowieka, ale wytwarza zjawiska
powodujące obrażenia organizmu ludzkiego. Prąd elektryczny bezpośrednio
przepływający przez ciało człowieka wywołuje w nim zjawiska fizyczne, chemiczne i
biologiczne, które nazywa się porażeniem, a prąd wywołujący je prądem rażenia.
Działanie prądu rażenia może być elektrolityczne i cieplne. Oba te działania mogą
zachodzić jednocześnie, z tym że prądy o natężeniu od kilku do kilkunastu
miliamperów mają głównie działanie elektrolityczne, a prądy rzędu pojedynczych
amperów – cieplne.
Pośrednie działanie prądu może spowodować:
- oparzenie łukiem elektrycznym lub nagrzanymi częściami urządzeń;
- uszkodzenie oczu wskutek działania promieni ultrafioletowych lub dużej luminacji
łuku elektrycznego;
- uszkodzenia mechaniczne ciała spowodowane upadkiem po porażeniu.
Skutki oddziaływania prądu elektrycznego na organizm ludzki można także
sklasyfikować na fizykalne (można do nich zaliczyć obrażenia wymienione powyżej) i
patofizjologiczne (reakcje skurczowe mięśni, podwyższone ciśnienie krwi, migotanie
komór serca, zatrzymanie pracy serca). Działanie elektrolityczne na organizm ludzki
ma przede wszystkim prąd stały, a także prąd zmienny o częstotliwościach
mniejszych od 10kHz. Na skutek działania elektrolitycznego prądu w organizmie
występują zaburzenia w układzie nerwowym, które powodują skurcze mięśni,
porażenie ośrodków oddychania, porażenie mięśnia sercowego. W następstwie
może nastąpić utrata przytomności, omdlenie lub śmierć. Ciepło wydzielone przy
przepływie prądu przez organizm powoduje rozkład lub zniszczenie komórek,
spalenie tkanek, uszkodzenie narządów wewnętrznych, spalenie skóry. Jeśli skutek
porażenia ma charakter cieplny, to ofiara nie traci przytomności i bezpośrednio po
zdarzeniu może czuć się dobrze. Jednak wskutek obrażeń organów wewnętrznych i
wynikłego stąd ogólnego zatrucia może nastąpić pogorszenie stanu zdrowia, a nawet
śmierć. Reakcja organizmu na porażenie zależy od wartości prądu rażenia i od stanu
zdrowia porażonego. Badania skutków przepływu prądu przez organizmy żywe
prowadzone są od wielu lat, z tym że w przypadku ludzi ogranicza się je do wartości
prądów nie powodujących zagrożenia dla zdrowia osób badanych. Wartości
graniczne prądów wywołujących zagrożenia dla zdrowia lub śmierć ustalono na
podstawie badań porównawczych prowadzonych na zwierzętach. Przy ich określaniu
brano pod uwagę okoliczności nieszczęśliwych wypadków z ludźmi. Graniczne
wartości prądów rażeniowych wywołujących określone skutki patofizjologiczne
podawane przez różne źródła odbiegają od siebie w sposób znaczący. Aktualnie za
najbardziej wiarygodne należy przyjąć raporty IEC 479-1 i IEC 479-2. O wartości
prądu rażenia decyduje przyłożone napięcie i rezystancja (albo w ogólności
impedancja) ciała (lub jego części) człowieka. Rezystancja ciała człowieka zależy od
rezystancji: naskórka (największa ze składowych), mięśni, ścięgien, tkanki
tłuszczowej. Przyjmuje się, że rezystancja ludzkiego ciała wynosi około 40 kΩ, a po
przebiciu elektrycznym naskórka tylko około1 kΩ. Nie są to wartości stałe dla
1
każdego człowieka, największe różnice spowodowane są stanem naskórka – są
osoby o twardej, czy wręcz zrogowaciałej skórze rąk tak, że porażenie
napięciem230V nie jest dla nich groźne. Jeśli te same osoby przez dłuższy czas nie
pracowały fizycznie i skóra ich rąk uległa wydelikaceniu – mogą zostać porażone
śmiertelnie nawet niższym napięciem. Z uwagi na to, że rezystancja ludzkiego ciała
radykalnie maleje po przebiciu naskórka, całkowita rezystancja ciała zależy od:
- długości drogi przepływu prądu przez ciało,
- wartości przyłożonego napięcia,
- czasu działania napięcia,
- stopnia wilgotności naskórka.
W ogólnym przypadku na rezystancję w obwodzie prądu rażenia, oprócz rezystancji
ciała człowieka, mają wpływ jeszcze inne czynniki. Na przykład, jeśli człowiek dotknął
jedną ręką elementu urządzenia elektrycznego pod napięciem i prąd rażenia
popłynął przez jego ciało do ziemi – rezystancja całkowita obwodu będzie składała
się z rezystancji ciała człowieka, obuwia, podłoża, przewodu i rezystancji uziemienia
punktu zerowego sieci. W tym przypadku decydujące znaczenie ma rezystancja
obuwia i podłoża – nazywana rezystancją przejścia do ziemi. Jeśli ta ostatnia
rezystancja jest bardzo duża ( w porównaniu do pozostałych), to napięcie
przypadające na ciało człowieka ma bardzo małą wartość i porażenie będzie
niegroźne dla zdrowia. Jeśli porażenie nastąpi na drodze ręka – ręka, w skład
obwodu prądu rażenia wchodzi tylko ciało człowieka. Dlatego rozróżnia się napięcia:
dotykowe i rażenia. Napięcie dotykowe występuje pomiędzy punktami, z którymi
mogą się zetknąć jednocześnie ręce lub ręka i stopa człowieka. Napięcie rażenia jest
to spadek napięcia wzdłuż drogi przepływu prądu przez ciało człowieka. Prąd
przemienny (teoretycznie harmoniczny) o częstotliwości 50 Hz lub 60 Hz, który jest
nośnikiem energii elektrycznej w Polsce, jest najbardziej groźny dla zdrowia i życia w
przypadku porażeń. Generalnie rzecz biorąc przepływ przez ciało człowieka prądu
przemiennego o częstotliwości 15 Hz ÷ 100 Hz wywołuje określone odczucia i
reakcje, których intensywność rośnie wraz ze zwiększeniem się jego natężenia.
Przepływ prądu rzędu 1,2 mA powoduje łaskotanie, swędzenie i lekkie skurcze
mięśni dłoni. Prąd około 3,5 mA jest wyczuwalny boleśnie, cierpną dłonie i przeguby,
lekko usztywniają się ręce. Przy 4,5 mA występują nerwobóle przedramienia,
usztywnienia i drżenia rąk, a przy 12,5 mA następują skurcze przedramienia i ramion
dochodzące do palców, wzrasta ciśnienie tętnicze i podlega zaburzeniu rytm serca i
oddechu. Prądy rażenia o natężeniu około 19 mA skutkują bardzo silnymi i bolesnymi
skurczami mięśni rąk, możliwością zatrzymania czynności serca w fazie rozkurczu,
czynią niemożliwe samodzielne uwolnienie się porażonego. Przy prądach rzędu 40
mA występują: tężcowe skurcze mięśni rąk i klatki piersiowej, skurcze mięśni
oddechowych, migotanie przedsionków i komór serca. W konsekwencji mięsień
serca nie kurczy się rytmicznie z częstotliwością 60 ÷ 70 razy na minutę, jak przy
normalnym pompowaniu krwi, lecz drga (migoce) nierytmicznie. Ciśnienie krwi spada
wówczas gwałtownie i krwiobieg zostaje zatrzymany. Zatrzymanie krążenia krwi
powoduje niedotlenienie mózgu i po 10 sekundach dochodzi do zatrzymania
wentylacji płuc i zaczyna się śmierć kliniczna. Porażenia prądem stałym groźne w
skutkach są o wiele rzadsze niż analogiczne porażenia prądem przemiennym.
Wynika to ze znacznie mniejszej populacji urządzeń elektrycznych zasilanych
prądem stałym oraz mniej intensywnymi odczuciami i reakcjami organizmu ludzkiego.
Pobudzanie mięśni i nerwów występuje przy prądzie przemiennym, a
przezwyciężenie skurczu mięśni znacznie łatwiejsze. Przy porażeniu prądem stałym
istotny jest kierunek jego przepływu. Wyróżnia się prąd wstępujący, którego przepływ
2
spowodowany jest wyższym potencjałem stóp i prąd zstępujący, który płynie przez
ciało o niższym potencjale stóp. Najgroźniejszy ze skutków porażenia prądem,
migotanie (fibrylacja) komór serca występuje przy prądzie zstępującym o wartości
dwukrotnie większej niż prądzie wstępującym. Różnice w skutkach porażenia prądem
stałym i przemiennym występują przy czasach rażenia dłuższych od 0,2 s. Przy
czasach krótszych decyduje wartość prądu, a nie jego stałość lub zmienność w
czasie. Jednym ze skutków porażenia prądem jest oparzenie ciała – pod wpływem
ciepła wydzielonego przy przepływie prądu rażenia. Skutki te są groźne jeśli
wydzielone ciepło powoduje przyrosty temperatury rzędu 10K. Następuje wówczas
nieodwracalna degradacja tkanek.
Z dotychczasowych badań wynika, że przy porażeniach prądem elektrycznym
migotanie komór serca jest główną przyczyną wypadków śmiertelnych. Jako
minimalną niebezpieczną wartość prądu przepływającego długotrwale przyjęto: 30
mA w przypadku prądu przemiennego, 70 mA w przypadku prądu stałego.
2. Sposoby realizacji ochrony przeciwporażeniowej.
2.1. Wstęp
Stosowanie ochrony przeciwporażeniowej ma na celu zabezpieczenie przed
porażeniem prądem elektrycznym użytkowników energii elektrycznej. Cel ten można
uzyskać przez:
- uniemożliwienie dotknięcia części czynnych znajdujących się pod napięciem w
czasie normalnej pracy,
- samoczynnego szybkiego wyłączenia zasilania uszkodzonych urządzeń,
- zastosowanie bardzo niskich napięć bezpiecznych, które nie wywołują przepływu
prądów rażeniowych zagrażających zdrowiu lub życiu,
- ograniczenie napięć dotykowych do wartości uznanych za dopuszczalne,
- jednoczesne zastosowanie dwóch lub więcej z podanych środków.
Odbiorniki energii elektrycznej mogą być zasilane napięciami o różnych wartościach
oraz może być zastosowany różny układ sieci zasilającej.
2.2. Rodzaje napięć
Z punktu widzenia ochrony przeciwporażeniowej można rozróżnić następujące
napięcia:
Napięcie robocze jest to napięcie między częściami przewodzącymi obwodu
elektrycznego a ziemią lub między częściami przewodzącymi należącymi do różnych
biegunów obwodu elektrycznego (prądu stałego). Napięcie robocze może się
zmieniać, ale jest zbliżone do napięcia znamionowego.
Napięcie znamionowe jest to napięcie, na które zostały zaprojektowane i zbudowane
urządzenia lub instalacje elektryczne. Zgodnie z normą PN-91/E-05010 napięcia
prądu przemiennego do 1000V i prądu stałego do 1500V podzielone na dwa zakresy:
Zakres I – według tego zakresu napięcia [V] dzielą się następująco:
Poz.
Prąd przemienny
Prąd stały
1.
U ≤ 50
U ≤ 120
2.
U ≤ 25
U ≤ 60
3.
U ≤ 12
U ≤ 30
3
Wartości napięć zakresu I należy stosować w zależności od warunków
środowiskowych.
Zakres II – według tego zakresu napięcia [V] dzielą się następująco:
Poz.
Prąd przemienny
Prąd stały
1.
50 ≤ U ≤ 600
120 ≤ U ≤ 900
2.
50 ≤ U ≤ 1000
120 ≤ U ≤ 1500
Wartości napięć zakresu II podane w poz. 1 odnoszą się do napięć między fazą a
ziemią w ramach sieci (TN lub TT), w których stosuje się uziemienia lub między
biegunem a ziemią (dla prądu stałego). Wartości napięć w poz. 2 odnoszą się do
napięć między różnymi fazami lub różnymi biegunami zarówno w układach z
uziemieniami, jak również w układach izolowanych od ziemi.
Napięcie dotykowe jest to napięcie pojawiające się między dwoma częściami
przewodzącymi jednocześnie dostępnymi w przypadku uszkodzenia izolacji.
Napięcie dotykowe jest zwykle mniejsze od napięcia roboczego. Może jednak
osiągnąć wartość napięcia roboczego, gdy urządzenie z uszkodzoną izolacją jest
odizolowane od ziemi.
Napięcie dotykowe bezpieczne (UL) jest to największa dopuszczalna wartość
napięcia dotykowego, które może utrzymywać się długotrwale w określonych
warunkach. W warunkach środowiskowych normalnych, wartość napięcia
dotykowego dopuszczalnego długotrwale wynosi 50V dla prądu przemiennego i
120V dla prądu stałego.
Do środowisk o warunkach normalnych zalicza się lokale mieszkalne i biurowe, sale
widowiskowe, klasy szkolne itp.
W warunkach środowiskowych o zwiększonym zagrożeniu, wartość napięcia
dotykowego dopuszczalnego długotrwale UL wynosi 25V dla prądu przemiennego i
60V dla prądu stałego. Do środowisk o zwiększonym zagrożeniu zalicza się łazienki,
natryski, sauny, bloki operacyjne szpitali, hydrofornie, kempingi, tereny budowy i
rozbiórki, tereny otwarte itp.
2.3. Układy sieci niskiego napięcia
Sieci o napięciach z II zakresu mogą być wykonane jako uziemione lub izolowane
względem ziemi, dzielą się one na układy typu: TN, TT, IT.
Pierwsza litera w symbolu typu układu sieci oznacza odpowiednio:
T – bezpośrednie połączenie określonego punktu (najczęściej neutralnego) lub
punktów sieci z ziemią.
I – izolowanie wszystkich części sieci od ziemi lub połączenie przez dużą impedancję
określonego punktu sieci z ziemią.
Druga litera oznacza:
T – połączenie zacisku ochronnego PE odbiornika z ziemią.
N – połączenie zacisku ochronnego PE odbiornika z punktem neutralnym sieci.
Sieci typu TN, w których wykonane są bezpośrednie uziemienia punktów neutralnych
N, a dostępne części przewodzące są połączone z punktem neutralnym sieci N
przewodami ochronnymi, dzielą się dodatkowo na:
- układy TN-C, w których funkcję przewodu ochronnego PE i neutralnego N pełni
jeden przewód ochronnoneutralny PEN;
- układy TN-S, w których funkcję przewodu ochronnego PE i neutralnego N pełnią
oddzielne przewody;
4
- układy TN-C-S, w których pierwsza część sieci pracuje w układzie TN-C, a druga
w układzie TN-S;
Sieci typu TT są to sieci, w których wykonane są bezpośrednie uziemienia punktów
neutralnych N, a dostępne części przewodzące są połączone przewodami
ochronnymi z uziomem niezależnym od punktu neutralnego sieci.
Sieci typu IT są to sieci, w których żaden punkt sieci nie jest bezpośrednio połączony
z ziemią, a punkt neutralny, albo inny punkt sieci jest połączony z ziemią przez
impedancję o dużej wartości (lub bezpiecznik iskiernikowy), a dostępne części
przewodzące są bezpośrednio połączone z ziemią.
2.4. Klasy ochronności urządzeń elektrycznych
Urządzenia (odbiorniki) elektryczne dzieli się na cztery klasy ochronności ze względu
na wymagany i możliwy do zastosowania sposób ochrony przeciwporażeniowej.
Klasa 0 obejmuje urządzenia, w których zastosowano jedynie izolację podstawową i
nie są wyposażone w zaciski do połączenia z przewodem ochronnym.
Klasa I obejmuje urządzenia, w których zastosowano izolację podstawową oraz które
wyposażono w zaciski ochronne do połączenia dostępnych części przewodzących z
przewodem ochronnym układu sieci.
Klasa II obejmuje urządzenia elektryczne, w których wszystkie dostępne części
przewodzące są oddzielone od części czynnych (należących do obwodu
elektrycznego) izolacją podwójną lub izolacją wzmocnioną. Urządzenia te nie mają
zacisku ochronnego i powinny być oznaczone symbolem:
Klasa III obejmuje urządzenia elektryczne, które mogą być zasilone jedynie bardzo
niskim napięciem bezpiecznym SELV lub bardzo niskim napięciem ochronnym
PELV.
SELV (safety extra-low voltage) – bardzo niskie napięcie bezpieczne w obwodach
izolowanych od ziemi.
PELV (protection extra-low voltage) – bardzo niskie napięcie ochronne w obwodach
uziemionych .
2.5. Rodzaje ochrony przeciwporażeniowej
Uwzględniając wartości napięć znamionowych oraz układy sieci ochronę
przeciwporażeniową można podzielić na:
- ochronę przed dotykiem bezpośrednim, nazywaną również ochroną podstawową,
- ochronę przed dotykiem pośrednim, nazywaną również ochroną dotykową,
- jednoczesną ochronę przed dotykiem bezpośrednim i pośrednim.
2.6. Ochrona przed dotykiem bezpośrednim
Ochrona podstawowa (przed dotykiem bezpośrednim) polega na zastosowaniu co
najmniej jednego z następujących środków:
- izolowanie części czynnych,
- użycie ogrodzenia (przegrody) lub obudowy (osłony),
- użycie bariery (przeszkody),
- umieszczenie części czynnych poza zasięgiem ręki.
2.6.1. Izolowanie części czynnych
5
Izolowanie części czynnych polega na pokryciu izolacją tych części obwodu
elektrycznego, które znajdują się pod napięciem w normalnych warunkach pracy.
Izolacja ta powinna pokrywać całkowicie części chronione w taki sposób, aby
usunięcie jej było możliwe tylko przez zniszczenie. Izolacja powinna wytrzymać
obciążenia mechaniczne oraz powinna być odporna na wpływy chemiczne i
termiczne na jakie może być narażona w warunkach eksploatacji.
2.6.2. Użycie ogrodzenia lub obudowy
Ochrona przez użycie ogrodzenia lub obudowy polega na zapewnieniu znajdującym
się wewnątrz nich częściom czynnym stopnia ochrony co najmniej IP2X (PN-92/E-
08106). Ogrodzenia i obudowy powinny być trwale zamocowane, a ich usunięcie nie
powinno być możliwe bez użycia kluczy lub narzędzi.
2.6.3. Użycie barier
Ochrona przy użyciu barier ma zapobiegać przypadkowemu dotknięciu części
czynnych. Bariery mogą być usuwane bez użycia narzędzi i są zwykle dopuszczone
do stosowania w pomieszczeniach do celów energetycznych, niedostępnych dla
osób nieupoważnionych.
2.6.4. Umieszczenie części czynnych poza zasięgiem ręki
Umieszczenie części czynnych urządzeń i elementów instalacji poza zasięgiem ręki
polega na takim ich oddaleniu od miejsc, w których może się znaleźć człowiek, aby
nie było możliwe niezamierzone dotknięcie ich przez człowieka. Dwie części uważa
się za jednocześnie dostępne, jeśli znajdują się w odległości od siebie nie większej
niż 2,5 m.
2.7 Ochrona przed dotykiem pośrednim(ochrona dotykowa)
Ochrona przed dotykiem pośrednim polega na zastosowaniu:
- samoczynnego wyłączania zasilania,
- urządzeń II klasy ochronności,
- izolowania stanowiska,
- nieuziemianych połączeń wyrównawczych miejscowych
- separacji elektrycznej
2.7.1. Ochrona przez zastosowanie samoczynnego wyłączania zasilania.
Ochrona ta powinna zapewnić, w przypadku zwarcia między częścią czynną
znajdującą się pod napięciem a dowolną częścią przewodzącą dostępną, wyłącznie
spodziewanego napięcia dotykowego przekraczającego napięcie bezpieczne UL tak
szybko, aby przepływający przez człowieka prąd rażeniowy nie spowodował
niebezpiecznych skutków patofizjologicznych. Najdłuższe dopuszczalne czasy zależą
od napięcia znamionowego względem ziemi oraz układu sieci.
Samoczynne wyłączenie zasilania w sieciach o układzie typu TN
W sieciach o układzie TN oraz napięciu znamionowym 230/400V i napięciu
względem ziemi 230V najdłuższy dopuszczalny czas wyłączania wynosi 0,4s dla
urządzeń użytkowanych w przeciętnych warunkach dla których napięcie dotykowe
dopuszczalne UL=50V, natomiast dla urządzeń użytkowanych w pomieszczeniach o
zwiększonym zagrożeniu, dla których UL=25V, czas wyłączania wynosi 0,2s.
W pewnych przypadkach, głównie dla urządzeń zainstalowanych na stałe, dopuszcza
się dłuższe czasy wyłączania, nie dłuższe jednak niż 5s. Wyłączanie zasilania w
6
pożądanym czasie może być zrealizowane przez zastosowanie urządzeń
ochronnych:
- przetężeniowych (nadprądowych), takich jak bezpieczniki i wyłączniki
- różnicowoprądowych (wyłączników)
Przykładowe układy połączeń sieci o układzie TN
a) Układ sieci TN-C
b) Układ sieci TN-S
7
c) Układ sieci TN-C-S
Oznaczenia:
1 – urządzenia ochronne (bezpieczniki, wyłączniki)
2 – odbiornik trójfazowy
3 – odbiornik jednofazowy
4 – wyłącznik różnicowo prądowy
L1, L2, L3 – przewody fazowe
K – dostępne części przewodzące
PEN – przewód ochronno-neutralny
N – przewód neutralny
W ochronie przez samoczynne wyłączanie zasilania w przypadku zwarcia między
częścią czynną i przewodzącą dostępną (np. przewodzącą obudową odbiornika)
przepływający prąd zwarcia musi zapewnić wyłączenie zasilania w dostatecznie
krótkim czasie , którego wartości podano wyżej. Wynika stąd, że ochrona ta polega
na stworzeniu odpowiedniej drogi dla przepływu prądu (pętli zwarcia), który
spowoduje szybkie zadziałanie urządzenia ochronnego. Stworzenie pętli zwarcia
wymaga zainstalowania przewodów ochronnych łączących wszystkie dostępne
części przewodzące odbiorników z punktem neutralnym sieci.
Wymaganie dotyczące czasu samoczynnego wyłączenia zasilania uważa się za
spełnione, jeżeli
Zs Ia ≤ Uo
gdzie: Zs – impedancja pętli zwarciowej.
Ia – wartość prądu zapewniająca samoczynne wyłączanie w odpowiednio
określonym czasie, nie przekraczającym 5s.
Uo – napięcie znamionowe względem ziemi.
8
Ochrona przeciwporażeniowa w sieciach o układzie typu TT
Układ sieci typu TT
Oznaczenia:
1 - bezpieczniki lub wyłącznik
2 - odbiornik trójfazowy
3 - odbiornik jednofazowy
4 - wyłącznik różnicowo prądowy
L1, L2, L3 – przewody fazowe
N – przewód neutralny
PE – przewody ochronne
K – dostępne części przewodzące
W układach sieci typu TT wszystkie części przewodzące dostępne są uziemione. W
przypadku zwarcia o pomijalnej impedancji pomiędzy przewodem fazowym a częścią
przewodzącą tworzy się pętla zwarciowa: transformator, przewód fazowy (czynny),
przewód ochronny PE, uziemienie RP, uziemienie RN. Prąd zwarciowy będzie
ograniczony głównie rezystancjami uziemień RP i RN.
Wartość napięcia jaka wystąpi na dostępnych częściach przewodzących wyrazi się
wzorem:
U R
O
P
U =
d
R + R
P
N
gdzie: U0 – napięcie fazowe
RP – rezystancja uziemienia dostępnych części przewodzących
RN – rezystancja uziemienia punktu neutralnego sieci
Ud – napięcie dotyku na dostępnych częściach przewodzących
Jeżeli napięcie na dostępnych częściach przewodzących ma być bezpieczne Ud ≤ UL
to rezystancja uziemienia RP nie powinna przekraczać wartości
9
U L
R =
R
P
N
U − U
O
L
Dla Uo = 230V i Ud = UL = 50V - RP = 0,28RN
Spełnienie tego warunku w większości przypadków jest bardzo trudne. Dlatego w
sieciach typu TT w przypadku zwarć o pomijalnie małej impedancji stosuje się
warunek szybkiego wyłączania napięcia, zamiast warunku nieprzekroczenia wartości
bezpiecznej UL napięcia dotykowego.
Jeżeli w układach sieci typu TT należy uwzględnić zwarcie przez pewną nieznaną
impedancję (zwarcie niepełne), to prąd zwarciowy może być zbyt małej wartości, aby
zadziałało samoczynne wyłączanie zasilania. W takim przypadku w celu zapewnienia
bezpieczeństwa należy spełnić warunek
RP Ia ≤ UL
przy czym: Ia – wartość prądu zapewniająca samoczynne zadziałanie urządzenia
ochronnego
Zgodnie z powyższym warunkiem w przypadku gdy prąd zwarciowy będzie większy
od Ia – nastąpi szybkie wyłączenie zasilania, natomiast gdy prąd zwarciowy będzie
mniejszy od Ia – napięcie dotykowe nie przekroczy wartości bezpiecznej UL.
W układach typu TT jako urządzenia ochronne są stosowane:
- wyłączniki różnicowoprądowe,
- urządzenia przetężeniowe.
Ochrona przeciwporażeniowa w sieciach o układzie typu IT
Przykładowe schematy układów sieci typu IT
a) sieć izolowana
10
b) sieć z uziemieniem otwartym
c) sieć z uziemieniem pośrednim
11
1 – urządzenie przetężeniowe
2 - odbiornik trójfazowy
3 - odbiornik jednofazowy
4 - wyłącznik różnicowo prądowy
L1, L2, L3 – przewody fazowe
PE – przewód ochronny
K – dostępne części przewodzące
B – bezpiecznik iskiernikowy
Z – impedancja uziemienia
RP – rezystancja uziemienia
W układach sieci IT wszystkie dostępne części przewodzące powinny być uziemione
indywidualnie, grupowo lub zbiorowo, natomiast części czynne powinny być
odizolowane od ziemi lub mieć połączenie przez impedancję o odpowiednio dużej
wartości. W układach izolowanych od ziemi w przypadku pojedynczego zwarcia,
pętla zwarcia zamyka się przez upływność i pojemność własną sieci.
Jeżeli układ IT ma połączenie z ziemią przez impedancję, to prąd pierwszego
zwarcia ograniczony jest wartością tej impedancji, która powinna być duża, aby prąd
nie osiągnął zbyt dużej wartości – na ogół nie przekracza 10mA.
Ze względu na zagrożenie porażeniowe powodowane, pojedynczymi zwarciami
wartość rezystancji uziemienia dostępnych części przewodzących powinna spełniać
zależność
RP Id ≤ UL
gdzie: Id – wartość prądu pojedynczego zwarcia
UL – bezpieczne napięcie dotykowe
Spełnienie tego warunku umożliwia dalszą pracę odbiorników, bez konieczności
wyłączania pierwszego zwarcia. Płynący prąd zwarciowy nie powoduje wystąpienia
niebezpiecznych napięć dotykowych, stwarza on jednak niebezpieczeństwo zwarć
podwójnych. Warunek ochrony od zagrożeń powodowanych zwarciami podwójnymi
jest podobny jak dla układów TT
RP Ia ≤ UL
gdzie: Ia – prąd zapewniający samoczynne zadziałanie urządzenia ochronnego
RP – suma rezystancji uziomu i przewodu ochronnego dostępnych części
przewodzących
W układach sieci IT stosuje się następujące środki ochronne:
- stałą kontrolę stanu izolacji
- urządzenia ochronne przetężeniowe
- urządzenia ochronne różnicowoprądowe
Zaleca się możliwie w najkrótszym czasie usuwanie pojedynczych zwarć, które mogą
być sygnalizowane przez kontrolę stanu izolacji.
2.7.2. Ochrona przez zastosowanie II klasy ochronności
Ochrona ta polega na zastosowaniu w urządzeniach elektrycznych izolacji
podwójnej, izolacji wzmocnionej lub obudowy izolacyjnej. Izolacja podwójna składa
się z izolacji podstawowej oraz dodatkowej izolacji równoważnej pod względem
wytrzymałości elektrycznej i mechanicznej.
Izolacja wzmocniona jest ulepszoną izolacją podstawową równoważną izolacji
podwójnej.
12
Obudowa izolacyjna jest to osłona z materiału izolacyjnego zakrywająca części
przewodzące i powinna zapewnić stopień ochrony co najmniej IP2X.
2.7.3. Ochrona przez zastosowanie izolowania stanowiska
Ochrona ta polega na izolowaniu od ziemi stanowiska, na którym może znaleźć się
człowiek. Ma ona na celu uniemożliwienie równoczesnemu dotknięciu części
przewodzących dostępnych, które z wyniku uszkodzenia izolacji części czynnych
mogą znaleźć się pod różnymi potencjałami.
Izolacja podłóg i ścian nie powinna być mniejsza niż:
50 kΩ gdy U0 ≤ 500V
100 kΩ gdy U0 > 500V
2.7.4. Ochrona przez zastosowanie nieuziemionych połączeń wyrównawczych
miejscowych.
Ochrona ta ma za zadanie niedopuszczenie do pojawienia się niebezpiecznych
napięć dotykowych. W tym celu przewodami połączeń wyrównawczych miejscowych
należy połączyć wszystkie części przewodzące jednocześnie dostępne i części
przewodzące obce. System połączeń wyrównawczych nie powinien mieć połączeń z
ziemią.
2.7.5. Ochrona przez zastosowanie separacji elektrycznej
Ochrona ta polega na odizolowaniu obwodu odbiorczego od obwodu sieci
zasilającej. Obwód separowany zasilany jest za pośrednictwem transformatora
separacyjnego (lub np. przetwornicy separacyjnej).
Części czynne obwodu separowanego nie powinny być połączone z częściami
czynnymi innych obwodów ani z ziemią, napięcie natomiast nie powinno przekraczać
500V.
2.8. Równoczesna ochrona przed dotykiem bezpośrednim i pośrednim
Ochrona ta polega na zastosowaniu napięcia nie przekraczającego górnej granicy
zakresu I, a mianowicie:
- bardzo niskiego napięcia bezpiecznego SELV w obwodach izolowanych od ziemi.
- bardzo niskiego napięcia ochronnego PELV w obwodach uziemionych.
Takie napięcia nie powodują przepływu przez ciało człowieka prądów o wartościach
niebezpiecznych. System ten jest więc najpewniejszym sposobem ochrony
przeciwporażeniowej, lecz rzadko stosowany. Wykonanie instalacji na napięcia
bezpieczne wymaga spełnienia licznych warunków dotyczących właściwego doboru
źródeł zasilania, budowy instalacji oraz jej użytkowania. Spełnienie szczegółowych
warunków powinno zapobiegać pojawieniu się w instalacji napięcia przekraczającego
wartość napięcia bezpiecznego.
Literatura:
1. Henryk Markiewicz, Zagrożenie i ochrona od porażeń elektrycznych, WNT
Warszawa 2000 r.
2. Henryk Markiewicz, Bezpieczeństwo w elektroenergetyce. WNT Warszawa 2002 r.
3. Poradnik inżyniera elektryka tom 3, WNT Warszawa 1997 r.
13