Aleksander Pulzin
Mariusz Gębala
Ariel Samczyński
Ćwiczenie numer 2
Wyłącznik różnicowoprądowy
Cele ćwiczenia
Celem ćwiczenia było zapoznanie się zasadą działa wyłączników różnicowoprądowych.
Wstęp teoretyczny
Oporniki dekadowe – zbudowane są z dekad oporowych. Każda dekada składa się z przełącznika obrotowego i rezystorów. Dekady umieszczone są w metalowej obudowie pełniącej rolę ekranu elektrostatycznego.
Wyłącznik różnicowoprądowy – zabezpieczenie elektryczne, urządzenie, które rozłącza obwód, gdy wykryje, że prąd elektryczny wypływający z obwodu nie jest równy prądowi wpływającemu. Służące do ochrony ludzi przed porażeniem prądem elektrycznym przy dotyku pośrednim, jak i bezpośrednim ogranicza także skutki uszkodzenia urządzeń, w tym wywołanie pożaru.
Wyłącznik można podzielić na 4 zasadnicze elementy:
Zestyki torów prądowych wraz z zamkiem i dźwignią załączającą
Wyzwalacz różnicowoprądowy, najczęściej jest to przekaźnik spolaryzowany
Przekładnik Ferrantiego – w postaci pierścienia ferromagnetycznego, przez który przechodzą przewody fazowe i przewód neutralny
Obwód testowania wyłącznika – umożliwia jego sprawdzenie w trakcie eksploatacji.
Podczas normalnej pracy wektorowa suma prądów płynących przez przekładnik jest równa zero (zgodnie z I prawem Kirchhoffa). Stąd w uzwojeniu wtórnym przekładnika Ferrantiego (nawiniętym na rdzeniu) nie indukuje się SEM, przekaźnik spolaryzowany jest zamknięty (zwora przyciągana przez magnes stały) a styki główne zamknięte.
Jeżeli w chronionym obwodzie pojawi się prąd upływowy (np. przez ciało człowieka do ziemi lub przez przewód PE), to wtedy suma prądów w oknie przekładnika będzie różna od zera. W uzwojeniu wtórnym indukuje się SEM, która powoduje przepływ prądu przez cewkę przekaźnika spolaryzowanego. Pole magnetyczne wytworzone przez cewkę kompensuje pole magnetyczne magnesu stałego przekaźnika. Jeśli prąd upływu przekroczy próg zadziałania wyłącznika (IΔn), przekaźnik spolaryzowany zostanie otwarty zwalniając zamek i otwierając styki główne, a przez to odłączając zasilanie obwodu.
Podczas testowania przycisk testujący zwiera zacisk toru fazowego wyłącznika od strony odbiornika z przewodem neutralnym od strony zasilania poprzez wbudowany rezystor (zwykle 10 kΩ). W ten sposób przez wyłącznik płynie tylko prąd w torze fazowym, a suma prądów w oknie przekładnika będzie różna od zera, tak jak w przypadku upływu. Wyłącznik powinien wtedy zadziałać.
Przebieg ćwiczenia
Ćwiczenie rozpoczęto od badania wartości prądów różnicowych w funkcji napięcia aż do momentu, w którym następowało rozłączenie obwodu przez wyłącznik różnicowoprądowy. Dla wyłącznika o znamionowym prądzie różnicowym 10mA napięcie zmieniano od 4V w górę , za każdym razem podnosząc wartość o 2V. Pomiarów dokonywano dla dwóch oporności stałych – 2 (tabela nr. 1) oraz 2,5 kΩ (tabela nr. 2). Zebrane wyniki porównano na wykresie nr. 1. Następnie analogiczne pomiary przeprowadzono dla wyłącznika 30mA zmieniając napięcie od 5V i z takim właśnie krokiem natomiast oporności wynosiły kolejno 2,5kΩ (tabela nr.3) oraz 3kΩ (tabela nr.4). Wykres nr.2 przedstawia wizualizację otrzymanych wyników. Kolejnym krokiem było ponowne badanie wartości prądów różnicowych – jednak tym razem w funkcji zmiennej oporności. Dla wyłącznika 10mA dokonano dwóch pomiarów – dla napięcia 25V oraz 50V. W pierwszym przypadku rezystancja zmniejszała się co 0,5 kΩ począwszy od 10 kΩ, natomiast dla napięcia 50V co 0,2kΩ. Wyniki zebrano w tabelach nr 5 oraz 6 oraz na wykresie nr.3 . Analogiczne pomiary dokonano dla wyłącznika 30mA – w tym przypadku oporność zmniejszana była od 5kΩ z krokiem 0,4kΩ dla napięcia 25V oraz od 8kΩ z identycznym krokiem dla 50V. Wyniki zebrano w tabelach nr.7 oraz 8, a zobrazowano na wykresie nr.4. Ostatnim elementem ćwiczenia było zmierzenie czasów załączania dla napięć bezpiecznych 25V oraz 50V a także dla różnych połówek wykresów – dane zostały zebrane w tabelach o nr.9 oraz 10.
Błędy
W analizie pomiarów uwzględniono odpowiednie błędy:
a)błąd nastawy oporności – 0,1kΩ
b)błąd nastawy napięcia – 1V
c)błąd odczytu prądu różnicowego – 0,01 mA
d)rozdzielczość badania czasu zadziałania – 1 ms
Pomiary
| U[V] | I[mA] |
|---|---|
| 4±1 | 1,40±0,01 |
| 6±1 | 2,11±0,01 |
| 8±1 | 2,93±0,01 |
| 10±1 | 3,72±0,01 |
| 12±1 | 4,26±0,01 |
| 14±1 | 5,06±0,01 |
| 16±1 | 5,69±0,01 |
| 18±1 | 6,51±0,01 |
Tabela nr.1 – Wyłącznik 10mA , oporność 2kΩ
| U[V] | I[mA] |
|---|---|
| 4±1 | 1,23±0,01 |
| 6±1 | 1,78±0,01 |
| 8±1 | 2,38±0,01 |
| 10±1 | 3,14±0,01 |
| 12±1 | 3,75±0,01 |
| 14±1 | 4,20±0,01 |
| 16±1 | 4,87±0,01 |
| 18±1 | 5,41±0,01 |
| 20±1 | 6,01±0,01 |
Tabela nr.2 – Wyłącznik 10mA, oporność 2,5kΩ
| U[V] | I[mA] |
|---|---|
| 5±1 | 1,48±0,01 |
| 10±1 | 2,99±0,01 |
| 15±1 | 4,50±0,01 |
| 20±1 | 6,31±0,01 |
| 25±1 | 7,82±0,01 |
| 30±1 | 9,20±0,01 |
| 35±1 | 10,82±0,01 |
| 40±1 | 12,32±0,01 |
| 45±1 | 13,94±0,01 |
| 50±1 | 15,36±0,01 |
| 55±1 | 16,85±0,01 |
| 60±1 | 18,67±0,01 |
| 65±1 | 20,18±0,01 |
Tabela nr.3 – Wyłącznik 30mA, oporność 2,5kΩ
| U[V] | I[mA] |
|---|---|
| 5±1 | 1,28±0,01 |
| 10±1 | 2,55±0,01 |
| 15±1 | 3,90±0,01 |
| 20±1 | 5,20±0,01 |
| 25±1 | 6,77±0,01 |
| 30±1 | 8,00±0,01 |
| 35±1 | 9,39±0,01 |
| 40±1 | 10,76±0,01 |
| 45±1 | 12,08±0,01 |
| 50±1 | 13,31±0,01 |
| 55±1 | 14,68±0,01 |
| 60±1 | 15,94±0,01 |
| 65±1 | 17,50±0,01 |
| 70±1 | 18,66±0,01 |
| 75±1 | 20,13±0,01 |
Tabela nr.4 – Wyłącznik 30mA, oporność 3kΩ
| R[kΩ] | I[mA] |
|---|---|
| 10±0,1 | 2,35±0,01 |
| 9,5±0,1 | 2,47±0,01 |
| 9±0,1 | 2,60±0,01 |
| 8,5±0,1 | 2,74±0,01 |
| 8±0,1 | 2,89±0,01 |
| 7,5±0,1 | 3,07±0,01 |
| 7±0,1 | 3,27±0,01 |
| 6,5±0,1 | 3,5±0,01 |
| 6±0,1 | 3,76±0,01 |
| 5,5±0,1 | 4,06±0,01 |
| 5±0,1 | 4,41±0,01 |
| 4,5±0,1 | 4,83±0,01 |
| 4±0,1 | 5,35±0,01 |
| 3,5±0,1 | 5,97±0,01 |
Tabela nr.5 – Wyłącznik 10mA , napięcie 25V
| R[kΩ] | I[mA] |
|---|---|
| 10±0,1 | 3,63±0,01 |
| 9,8±0,1 | 4,72±0,01 |
| 9,6±0,1 | 4,81±0,01 |
| 9,4±0,1 | 4,90±0,01 |
| 9,2±0,1 | 5,00±0,01 |
| 9±0,1 | 5,11±0,01 |
| 8,8±0,1 | 5,22±0,01 |
| 8,6±0,1 | 5,33±0,01 |
| 8,4±0,1 | 5,44±0,01 |
| 8,2±0,1 | 5,57±0,01 |
| 8±0,1 | 5,70±0,01 |
| 7,8±0,1 | 5,83±0,01 |
| 7,6±0,1 | 5,97±0,01 |
| 7,4±0,1 | 6,11±0,01 |
| 7,2±0,1 | 6,28±0,01 |
| 7±0,1 | 6,44±0,01 |
Tabela nr.6 – Wyłącznik 10mA, napięcie 50V
| R[kΩ] | I[mA] |
|---|---|
| 5±0,1 | 4,34±0,01 |
| 4,6±0,1 | 4,66±0,01 |
| 4,2±0,1 | 5,09±0,01 |
| 3,8±0,1 | 5,49±0,01 |
| 3,4±0,1 | 6,02±0,01 |
| 3,0±0,1 | 6,66±0,01 |
| 2,6±0,1 | 7,46±0,01 |
| 2,2±0,1 | 8,48±0,01 |
| 1,8±0,1 | 9,81±0,01 |
| 1,4±0,1 | 11,64±0,01 |
| 1,0±0,1 | 14,30±0,01 |
| 0,6±0,1 | 18,57±0,01 |
Tabela nr.7 – Wyłącznik 30mA , napięcie 25V
| R[kΩ] | I[mA] |
|---|---|
| 8±0,1 | 5,74±0,01 |
| 7,6±0,1 | 6,01±0,01 |
| 7,2±0,1 | 6,31±0,01 |
| 6,8±0,1 | 6,66±0,01 |
| 6,4±0,1 | 7,03±0,01 |
| 6,0±0,1 | 7,67±0,01 |
| 5,6±0,1 | 8,17±0,01 |
| 5,2±0,1 | 8,75±0,01 |
| 4,8±0,1 | 9,40±0,01 |
| 4,4±0,1 | 10,15±0,01 |
| 4,0±0,1 | 11,06±0,01 |
| 3,6±0,1 | 12,12±0,01 |
| 3,2±0,1 | 13,42±0,01 |
| 2,8±0,1 | 15,03±0,01 |
| 2,4±0,1 | 17,08±0,01 |
| 2,0±0,1 | 19,75±0,01 |
Tabela nr. 8 – Wyłącznik 30mA, napięcie 50V
| informacje | U bezpieczne [V] | czas wyłączania [ms] | połówka wykresu |
|---|---|---|---|
U sieci = 210V ΔI = 10mA |
25 | 140 | pierwsza |
| 140 | druga | ||
| 50 | 140 | pierwsza | |
| 140 | druga |
Tabela nr.9 – Wyłącznik o znamionowym prądzie 10mA
| informacje | U bezpieczne [V] | czas wyłączania [ms] | połówka wykresu |
|---|---|---|---|
U sieci = 210V ΔI = 30mA |
25 | 17 | pierwsza |
| 27 | druga | ||
| 50 | 17 | pierwsza | |
| 27 | druga |
Tabela nr.10 – Wyłącznik o znamionowym prądzie 30mA
Wykres nr.1 – wartość prądu różnicowego w funkcji napięcia dla wyłącznika 10mA
Wykres nr.2 - wartość prądu różnicowego w funkcji napięcia dla wyłącznika 30mA
Wnioski – Aleksander Pulzin
Wnioski z dwóch pierwszych etapów ćwiczenia są w zasadzie takie same, bo kluczową rolę odgrywają tu prądy różnicowe. Dla wyłącznika 10mA odcięcie obwodu następowało już między
5,97 mA a 6,55 mA , natomiast dla wyłącznika 30mA między 18,57 a 20,18. Widać więc, że niezależnie od tego dla jakich wartości napięć czy też oporności dokonujemy pomiarów, wyłącznik załączał się zawsze znacznie wcześniej, niż wskazuje jego dopuszczalny limit wartości. Sugeruję to, że wyłączniki, z którymi mamy do czynienia są bardzo czułe oraz niezawodne, przez co dobrze nadają się do ochrony naszego zdrowia. W przypadku drugiej części ćwiczenia wnioski również mają charakter pozytywny – obydwa wyłączniki zadziałały w czasie krótszym niż 200ms – jest to najkrótszy czas przepływu prądu wystarczający do spowodowania skutków śmiertelnych u człowieka