Ethan Frome

WSTĘP
1.
Rozwój elektryfikacji kopalń
2.
Charakterystyka warunków panujących w podziemnych wyrobiskach zakładów
górniczych oraz ich wpływ na ryzyko porażenia prądem elektrycznym
2.1. Warunki środowiskowo-eksploatacyjne
2.2. Wpływ wysiłku, pracy i dyskomfortu cieplnego na zmianę impedancji ciała
człowieka
3.
Wybrane zagadnienia ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach elektrycznych
do 1kV
3.1. Oddziaływanie prądu na organizm ludzki
3.2. Urazy spowodowane łukiem elektrycznym
3.3. Fibrylacja komór sercowych
3.4. Strefy prądowo-czasowe reakcji patologicznych organizmu ludzkiego przy
rażeniu prądem elektrycznym
3.5. Skutki termicznego oddziaływania prądu
3.6. Rodzaje ochron i środków ochrony przeciwporażeniowej
3.7. Równoczesna ochrona przed dotykiem bezpośrednim i pośrednim
3.8. Ochrona przed dotykiem bezpośrednim
3.9. Ochrona przy dotyku pośrednim
3.10. Ochrona w układzie TN
3.11. Ochrona w układzie TT
3.12. Ochrona w układzie IT
4.
Zabezpieczenia upływowe i ich rola w kontroli rezystancji izolacji doziemnej
kopalnianych sieci IT
4.1. Podział zabezpieczeń upływowych
4.2. Wymagania dotyczące centralnych zabezpieczeń upływowych
4.3. Wymagania dotyczące blokujących zabezpieczeń upływowych
4.4. Kontrola stanu izolacji doziemnej sieci IT
4.5. Wpływ rezystancji izolacji doziemnej na prądy i napięcia rażeniowe
4.6. Negatywne skutki doziemień
4.7. Przykłady sposobów kontroli rezystancji izolacji doziemnej
4.8. Metody kontroli stanu izolacji
5.
Przegląd i analiza porównawcza wybranych zabezpieczeń upływowych
5.1. Centralne zabezpieczenie upływowe typu RRgx produkcji EMAG - Katowice
5.2. Przekaźnik kontrolno sterujący typu UKS-6.1 produkcji ELEKS - Głogów
5.3. Przekaźnik typu PM-2 produkcji INVERIM - Warszawa
5.4. Centralne zabezpieczenie upływowe typu RRgx produkcji ZEG - Tychy
5.5. Centralne zabezpieczenie upływowe typu UC-1.1. produkcji ELEKS - Głogów
5.6. Przekaźnik typu (….) produkcji ALFA REMONT - Lubin
6.
Dydaktyczne stanowisko laboratoryjne do przeprowadzania badań blokującego
zabezpieczenia upływowego typu UKS-6.1.
7.
Koncepcja ćwiczenia laboratoryjnego
PODSUMOWANIE
Bibliografia
Załączniki
WSTĘP
Celem niniejszej pracy jest dokonanie analizy, jak ważną rolę pełnią
zabezpieczenia upływowe w kopalnianych sieciach IT oraz opracowanie i wykonanie
dydaktycznego stanowiska laboratoryjnego do przeprowadzania badań wybranego
blokującego zabezpieczenia upływowego. Oprócz części praktycznej praca zawiera część
teoretyczną, która swoim zakresem obejmuje szereg zagadnień związanych z rolą
i znaczeniem w przemyśle wydobywczym nowoczesnych zabezpieczeń upływowych,
problematykę ochrony przeciwporażeniowej związanej z niesymetrycznymi zwarciami
doziemnymi będącymi skutkami obniżonej rezystancji izolacji przewodów fazowych,
stałego monitoringu stanu izolacji w sieciach kopalnianych, charakterystykę warunków
środowiskowo-eksploatacyjnych występujących w podziemnych wyrobiskach zakładów
górniczych i ich wpływ na stan rezystancji izolacji oraz zagrożenie porażeniem prądem
elektrycznym a także przegląd i analizę porównawczą wybranych współczesnych
zabezpieczeń upływowych.
Praca podzielona jest na siedem rozdziałów stanowiących odrębne bloki
tematyczne, których wspólnym mianownikiem jest ochrona przeciwporażeniowa
w izolowanych sieciach IT poprzez kontrolę stanu izolacji realizowaną przez
zabezpieczenia upływowe.
Rozdział 1 - „Rozwój elektryfikacji kopalń” zawiera opis przemian w polskim
górnictwie jakie następowały w ostatnim stuleciu, związanych z postępem technicznym
i technologicznym, których konsekwencją jest trwający do czasów współczesnych
intensywny proces elektryfikacji i automatyzacji, niosący ze sobą oprócz wymiernych
korzyści także zagrożenia związane z porażeniem prądem elektrycznym.
Rozdział 2 - „Charakterystyka warunków panujących w podziemnych wyrobiskach
zakładów górniczych oraz ich wpływ na ryzyko porażenia prądem elektrycznym”
przedstawia warunki środowiskowe panujące w podziemiach kopalń, a w szczególności
podwyższoną temperaturę otoczenia, wilgotność powietrza, zjawisko rosienia, silną
mineralizację wód kopalnianych, zawartość innych substancji mineralnych oraz płynów
kopalnianych w atmosferze, obecność mikroorganizmów a także zagrożenia związane
z tąpaniami, wyrzutami metanu i innych gazów oraz oberwaniami brył skalnych.
W rozdziale 3 - „Wybrane zagadnienia ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach
elektrycznych do 1kV” obejmuje swoim zakresem szereg aspektów związanych
z oddziaływaniem prądu elektrycznego na organizm ludzki, między innymi urazami
2
spowodowanymi łukiem elektrycznym, fibrylacją komór sercowych oraz skutkami
termicznego oddziaływania prądu. W rozdziale sklasyfikowane są rodzaje ochron
i środków ochrony przeciwporażeniowej, ochrona przed dotykiem bezpośrednim
i pośrednim zarówno w sieciach z uziemionym punktem neutralnym transformatora oraz
w układach sieci izolowanych.
W rozdziale 4 - „Zabezpieczenia upływowe i ich rola w kontroli rezystancji izolacji
doziemnej
kopalnianych
upływowych,
wymagania
sieci
IT”
dotyczące
przedstawiony
centralnych
i
jest
podział
zabezpieczeń
blokujących
zabezpieczeń
upływowych, zagadnienia związane z kontrolą stanu izolacji doziemnej sieci IT oraz
wpływem rezystancji izolacji doziemnej na prądy i napięcia rażeniowe i związane z tym
negatywne skutki doziemień, wybrane przykłady sposobów kontroli rezystancji izolacji
doziemnej
a także metody kontroli stanu izolacji.
W rozdziale 5 - „Przegląd i analiza porównawcza wybranych zabezpieczeń
upływowych” zawarta jest charakterystyka techniczna kilku wybranych zabezpieczeń
upływowych, z których każde posiada indywidualne cechy wyróżniające je spośród
pozostałych. W rozdziale tym najwięcej miejsca poświęcono przekaźnikowi kontrolnosterującemu typu UKS-6.1, ponieważ właśnie to urządzenie wybrano jako przedmiot
badań laboratoryjnych.
Rozdział 6 - „Dydaktyczne stanowisko laboratoryjne do przeprowadzania badań
blokującego zabezpieczenia upływowego typu UKS-6.1” obejmuje założenia, projekt
zawierający
schematy
ideowe,
montażowe,
widok
zewnętrzny,
rozmieszczenie
elementów oraz instrukcję obsługi stanowiska ze szczegółowym uwzględnieniem jego
budowy, działania oraz zasad bezpiecznego użytkowania.
Rozdział 7 - „Koncepcja ćwiczenia laboratoryjnego” stanowi opis ćwiczenia
na dydaktycznym stanowisku laboratoryjnym, które pozwala na zapoznanie się
z działaniem, podstawowymi funkcjami oraz przeprowadzeniem prób zadziałania członu
kontrolującego rezystancję izolacji kontrolowanej sieci oraz członu kontrolującego
ciągłość obwodu ochronnego w przekaźniku kontrolno-sterującym typu UKS-6.1.
1. ROZWÓJ ELEKTRYFIKACJI KOPALŃ
3
Podstawową postacią energii stosową w współczesnych zakładach górniczych jest
energia elektryczna. Jednym z ważniejszych czynników, oprócz uwarunkowań
rynkowych
i zasobności złóż, decydującym zwykle o wydobyciu, jest rozwój mechanizacji, co wiąże
się ściśle ze wzrostem zapotrzebowania mocy i energii elektrycznej. Proces elektryfikacji
kopalń, zapoczątkowany ponad sto lat temu, ciągle trwa, zmieniając oblicze polskiego
przemysłu wydobywczego poprzez między innymi poprawę bezpieczeństwa i warunków
pracy oraz zwiększenie wydajności poszczególnych zakładów górniczych, co jest
bezsprzecznie jednym z istotniejszych warunków funkcjonowania w nowoczesnej
gospodarce rynkowej.
Stosowanie energii elektrycznej w kopalniach polskich przed I wojną światową
było znacznie opóźnione w porównaniu z kopalniami zachodnioeuropejskimi, a przede
wszystkim angielskimi. Przyczyną były warunki społeczno-polityczne i taniość siły
roboczej.
Najwcześniej zastosowano energię elektryczną do oświetlenia placów
kopalnianych. Lampy zasilane były z własnych prądnic prądu stałego. W 1887 roku
zastosowano żarówki do oświetlenia podszybi. W 1882 roku uruchomiono pierwszą
lokomotywę przewodową prądu stałego. Po roku 1912 było już przeszło dwieście
lokomotyw.
Stosunkowo wcześnie zastosowano napęd elektryczny także w maszynach wyciągowych.
Dla małych maszyn, wciągarek wolnobieżnych zwanych potocznie kołowrotami,
nastąpiło to przed 1890 rokiem. W przypadku dużych maszyn napęd elektryczny zaczął
konkurować z parowym dopiero po roku 1902.
Elektryfikacja urządzeń przodkowych rozpoczęła się znacznie później. W 1912 roku
użytkowano ponad trzy tysiące wiertarek ręcznych powietrznych, a tylko niewiele ponad
sto elektrycznych, na 326 przenośników wstrząsanych tylko dwa były z napędem
elektrycznym.
Po I wojnie światowej, szczególnie w latach 1925-30, nastąpiły zmiany w technologii
wydobycia w kopalniach zachodnioeuropejskich. Zaczęto zwracać większą uwagę
na mechanizację robót. Mechanizacja, podobnie jak w Polsce, lecz w szerszym zakresie,
oparta była głównie na energii mechanicznej powietrza sprężonego. O tej postaci nośnika
energii zadecydowały względy bezpieczeństwa i techniczne.
4
W miarę rozwoju mechanizacji coraz większe znaczenie zaczęły mieć także aspekty
ekonomiczne. Oprócz kosztów energii, które dla postaci pneumatycznej były w praktyce
dziesięciokrotnie większe niż energia w postaci elektrycznej, coraz większą rolę
odgrywały
koszty
inwestycyjne
(szybkie
zużywanie
się
maszyn
z
napędem
pneumatycznym oraz większa niezawodność napędów elektrycznych, a więc mniejsze
straty
w
wydobyciu).
Spowodowało
to
przyspieszony
rozwój
elektryfikacji.
Po zakończeniu drugiej wojny światowej rozpoczął się szybki rozwój elektryfikacji
polskich kopalń powiązany odbudową całego kraju po zniszczeniach wojennych.
Kontynuowana była elektryfikacja urządzeń powierzchniowych oraz intensywnie
rozwijana
mechanizacja
i
elektryfikacja
procesów
wydobywczych.
Względy
bezpieczeństwa miały duży udział w kolejności elektryfikacji poszczególnych kopalń.
Uwzględniano dodatkowe zagrożenia związane ze stosowaniem energii elektrycznej
w podziemiach kopalń, w tym szczególnie niebezpieczeństwo porażeń elektrycznych oraz
zwiększające się możliwości zapłonów elektrycznych w postaci wybuchów mieszanin
metanowo-powietrznych i pyłu węglowego.
W pierwszej kolejności przewidziano do elektryfikacji wszystkie nowe poziomy kopalń
niemetanowych. Elektryfikacja starych poziomów miała przebieg stopniowy, polegający
na kolejnym usuwaniu przede wszystkim napędów pneumatycznych.
W dalszych latach następuje regularny wzrost mocy instalowanej w napędach
elektrycznych przy systematycznym obniżaniu się mocy napędów pneumatycznych.
Elektryfikacja kopalń współcześnie to w pierwszej kolejności wprowadzenie w
jak najszerszym zakresie nowoczesnych, elektrycznych układów napędowych maszyn
górniczych, dostosowanych do postępu techniki i zmieniających się technologii
wydobycia oraz warunków eksploatacji w wyrobiskach podziemnych.
Rozwój górnictwa poprzez identyfikację produkcji, opartej na kompleksowej
mechanizacji i szeroko rozumianej automatyzacji, wymaga opracowań konstrukcyjnych,
produkcji i stosowania odpowiednich, bardziej niezawodnych i bezpiecznych, maszyn
oraz urządzeń o ekonomicznych energetycznie parametrach.
Jednym z istotnych uwarunkowań elektryfikacji podziemi kopalń jest konieczność
stosowania maszyn, sprzętu i materiałów w specjalnym wykonaniu górniczym, podczas
gdy w obiektach powierzchniowych wyposażenie elektroenergetyczne opiera się
w większości na rozwiązaniach ogólnoprzemysłowych.
5
Elektryfikacja jest koniecznością, a jej dalszy rozwój jest nieodzowny dla współczesnych
kopalń o dużych zagrożeniach naturalnych, w tym kopalń silnie metanowych.
Z elektryfikacją ściśle związane są zagrożenia elektryczne, współdecydujące
często o poziomie bezpieczeństwa załogi i ruchu kopalni. Konieczne jest stosowanie
odpowiednich maszyn i urządzeń elektrycznych dostosowanych do spodziewanych
warunków środowiskowych. Specyfika trudnych warunków kopalnianych wymusza
stosowanie aparatów zabezpieczeniowych spełniających wymagania, które niespotykane
są w powierzchniowych sieciach ogólno przemysłowych. Można do nich zaliczyć
zabezpieczenia upływowe pełniące rolę urządzeń kontrolujących stan izolacji, które
są powszechnie stosowane we współczesnych dołowych stacjach transformatorowych,
przodkowych zestawach rozdzielczych, zestawach zasilających, oświetleniowych
zestawach transformatorowych i innych.
2. CHARAKTERYSTYKA WARUNKÓW PANUJĄCYCH W PODZIEMNYCH
WYROBISKACH ZAKŁADÓW GÓRNICZYCH ORAZ ICH WPŁYW
NA RYZYKO PORAŻENIA PRĄDEM ELEKTRYCZNYM
2.1. Warunki środowiskowo-eksploatacyjne
Urządzenia elektryczne mogą się znajdować w czasie eksploatacji w rozmaitych
środowiskowych warunkach pracy. Najbardziej ogólnym czynnikiem wpływającym
na warunki pracy urządzeń jest miejsce ich zainstalowania. W innych warunkach pracy
będzie znajdowało się urządzenie zainstalowane na zewnątrz lub wewnątrz budynku,
w wodzie, w ziemi lub pod ziemią w kopalni.
Dla urządzeń ogólnego przeznaczenia zazwyczaj przyjmuje się, że decydujące znaczenie
mają warunki atmosferyczne, jak temperatura, ciśnienie, wilgotność powietrza, opady
atmosferyczne, wiatr oraz zanieczyszczenia powietrza przez zapylenie, zadymienie,
obecność gazów żrących i wybuchowych. Specyfika warunków środowiskowych
w podziemiach kopalń wynika przede wszystkim z dużej intensywności i kumulowania
się narażeń. W warunkach podziemi kopalń szczególnie jest istotna koordynacja ochrony
środowiskowej: wzajemne dostosowanie środowiska i urządzeń elektrycznych.
Z czynników narażeniowych, specyficznych dla mikroklimatu podziemi kopalń wymienić
należy przede wszystkim: podwyższoną temperaturę otoczenia (w otwartych wyrobiskach
5÷30°C oraz 75°C w zamkniętych obudowach maszyn i urządzeń górniczych),
6
wilgotność (zwykle 90÷100%), zjawisko rosienia (nawet kilkakrotnie w ciągu doby),
silna mineralizacja wód kopalnianych (często są to solanki o dużym stopniu stężenia),
zawartość innych substancji mineralnych oraz płynów kopalnianych w atmosferze,
obecność mikroorganizmów (grzyby, pleśnie, bakterie).
Za pomieszczenia wilgotne uznaje się te, w których wilgotność względna powietrza stale
przekracza 75% i dochodzi nawet do 95%, a więc co najmniej takie są praktycznie
wszystkie pomieszczenia podziemne. W pomieszczeniach mokrych wilgotność względna
przekracza stale 95%, w wyniku czego większość powierzchni jest pokrytych skroploną
parą wodną lub wodą przenikającą z otaczających skał.
Za
gorące
uznaje
się
pomieszczenia
o
stałej
temperaturze
powyżej
28°C.
W pomieszczeniach tych istnieją warunki oddziałujące wybitnie ujemnie na izolację
urządzeń elektrycznych. Pomieszczenia te są traktowane również jako szczególnie
niebezpieczne ze względu na możliwość porażenia prądem elektrycznym.
W wyrobiskach zakładów górniczych wyróżnia się również inne zagrożenia naturalne,
które mogą mieć istotny wpływ na niezawodność wyposażenia technicznego
i bezpieczeństwo załogi. W kopalniach są to następujące zagrożenia tąpaniami,
wyrzutami
metanu
i
skał,
wyrzutami
gazów
i
skał,
wodne,
substancjami
promieniotwórczymi oraz działaniem pyłów szkodliwych dla zdrowia. Skutki oberwania
brył skalnych w wielu przypadkach dotykają materiałów izolacyjnych kabli i przewodów
energetycznych. Uszkodzenia mechaniczne w postaci przetarć i przecięć powłok
izolacyjnych są nagminne, zwłaszcza w instalacjach przodkowych. Nietrudno dojść
do wniosku, że uszkodzona izolacja przewodów fazowych w powiązaniu z dużą
wilgotnością powietrza oraz obecnością ludzi pracujących niejednokrotnie zanurzonych
po kolana w zasolonej wodzie, stwarza ogromne zagrożenie porażeniowe, które może
skutkować tragicznymi wypadkami.
Duża wilgotność względna i podwyższona temperatura mają zasadniczy wpływ
na wartość oporu wypadkowego ciała człowieka i rezystancję przejścia.
Podwyższona temperatura ma wpływ na pocenie się i zasolenie miejsca dotyku,
jak i na zmniejszenie się oporu ciała ludzkiego. Zwiększenie stopnia uczulenia człowieka
na zagrożenie od urządzeń elektrycznych powodują również następujące czynniki:
•
obecność wody zasolonej i zakwaszonej,
•
stały dotyk o dużym nacisku i dużej powierzchni urządzeń,
•
duże prawdopodobieństwo uszkodzeń naskórka,
7
•
możliwość dotyku częściami ciała o dużej czułości prądowej i małym oporze
(skroń, szyja, przedramię, ramiona, plecy) na skutek pracy bez odzieży,
•
słabe oświetlenie,
•
hałas pracujących maszyn.
Agresywne gazy i zanieczyszczenia, wilgoć i pył kopalniany oddziaływają destrukcyjnie
na części przewodzące, izolacyjne i konstrukcyjne urządzeń elektrycznych zwiększając
ich zawodność. Niebezpieczeństwo skutków prawdopodobnych zagrożeń dla ludzi
i otoczenia oraz innych urządzeń technicznych zależy od nasilenia zagrożeń i wrażliwości
środowiska. Do podstawowych czynników sprzyjających nasileniu skutków zagrożeń
można między innymi zaliczyć:
•
obecność zmineralizowanej dobrze przewodzącej wody,
•
powszechność i dużą ilość mas metalowych,
•
dużą wilgotność i podwyższoną temperaturę powietrza,
•
ogólną dostępność urządzeń elektrycznych.
Wpływ wymienionych czynników może być wieloraki. W zasadzie wszystkie z nich
w odpowiednim stopniu przyczyniają się do powiększenia ujemnych skutków możliwych
zagrożeń elektrycznych, które mogą prowadzić do pośredniego lub bezpośredniego
porażenia prądem elektrycznym.
2.2. Wpływ wysiłku, pracy i dyskomfortu cieplnego na zmianę impedancji
ciała człowieka
Praca człowieka w trudnych warunkach klimatycznych powoduje duże zmęczenie
i podatność organizmu na działanie prądu rażenia w wypadkach elektrycznych. Ważną
przyczyną zwiększającą prawdopodobieństwo wystąpienia niebezpiecznych skutków
rażenia prądem elektrycznym jest zmęczenie w wyniku wysiłku fizycznego. Podatność
organizmu człowieka na skutki działania prądu elektrycznego jest zależna od wartości
natężenia prądu uwarunkowanego napięciem elektrycznym i impedancją ciała w chwili
rażenia.
W warunkach klimatycznie trudnych organizm oddaje więcej ciepła do otoczenia, przez
co zwiększa czynność wydzielania w gruczołach potowych, co wpływa na obniżenie
wartości impedancji ciała człowieka.
Człowiek powinien pracować w warunkach komfortu cieplnego, w których odczuwa stan
zadowolenia z klimatu środowiska, a jego gospodarka cieplna przebiega najbardziej
8
ekonomicznie. Niestety warunki pracy w podziemnych wyrobiskach zakładów
górniczych dalekie są od komfortowych. Mikroklimat środowiska jest określony przez
zespół parametrów fizycznych powietrza i otoczenia mających wpływ na samopoczucie
przebywającego w nim człowieka. Szerszym pojęciem od mikroklimatu są tak zwane
klimatyczne warunki pracy w danym środowisku, które oprócz parametrów fizycznych
powietrza i otoczenia uwzględniają wydatek energetyczny organizmu człowieka, zależny
od wysiłku fizycznego spowodowanego wykonywanymi czynnościami. Jak wiadomo,
praca pod ziemią należy do bardzo ciężkich. Mechanizacja i automatyzacja procesu
wydobywczego na obecnym etapie nie jest w stanie wyeliminować fizycznej pracy
górników, która w specyficznych warunkach dołowych jest niezastąpiona. Warunki
mikroklimatu odbiegające od granic komfortu, stają się dla człowieka uciążliwe
i wymagają przeciwdziałania mechanizmów termoregulacyjnych. Praca w warunkach
dyskomfortu cieplnego jest wykonywana dzięki bardzo dużym możliwościom
termoregulacyjnym organizmu człowieka, dostosowującym ilość ciepła wytwarzanego
przez ustrój człowieka do potrzeb bilansu cieplnego w zimnym lub gorącym środowisku.
Podwyższona temperatura otoczenia powoduje podrażnienia termoreceptorów skórnych
oraz rozszerzenie naczyń skórnych i zwiększenie przepływu krwi przez skórę.
Równocześnie następuje pobudzenie ośrodka termoregulacyjnego organizmu człowieka
i zwiększenie czynności gruczołów potowych w skórze człowieka. W warunkach
normalnych człowiek wydziela 0,75÷1 litra potu w ciągu doby. Przy ciężkiej pracy
w ciepłym klimacie organizm może wydzielać ponad 1 litr potu na godzinę. Stała praca
ludzi w termicznie trudnych warunkach przyzwyczaja organizm do zwiększonej ilości
wydzielanego potu.
Intensywne pocenie się powoduje nasączenie zrogowaciałej warstwy naskórka
elektrolitami zawartymi w pocie i obniżenie wartości impedancji ciała. Odparowanie
wody z potu powoduje zasolenie naskórka i zmniejszenie jego rezystancji przejścia
podczas rażenia prądem elektrycznym. Pot może parować i pochłaniać ciepło
z powierzchni ciała, jeżeli otaczające powietrze może wchłaniać parę wodną.
Przy wysokiej wilgotności powietrza proces parowania potu słabnie, a ciało człowieka
staje się mokre i bardzo podatne na skutki rażenia prądem elektrycznym.
Warunki klimatyczne w środowisku w trudnym mikroklimacie są odczuwane przez
różnych ludzi w różny sposób, głównie ze względu na rodzaj czynności, jakie wykonują.
Z rodzajem i intensywnością wykonywanej pracy wiąże się odpowiednia ilość ciepła
9
metabolicznego wytwarzanego przez organizm człowieka w jednostce czasu, czyli
wydatek energetyczny organizmu. Górnicy pracują z różną częstotliwością wysiłkową,
zmieniając swój wydatek energetyczny. Wydatek energetyczny człowieka, zależny
od intensywności pracy, jest miarą stopnia obciążenia energetycznego organizmu.
Intensywne pocenie się powoduje nasączenie zrogowaciałej warstwy naskórka
elektrolitami zawartymi w pocie, co wpływa na zmiany wartości impedancji elektrycznej
ciała człowieka. Określenie klimatycznych warunków pracy wskaźnikiem dyskomfortu
cieplnego oprócz mikroklimatu uwzględnia wydatek energetyczny człowieka zależny
od rodzaju i wysiłku wykonywanej pracy.
Głównymi czynnikami wpływającymi na wartość impedancji ciała człowieka jest
wskaźnik dyskomfortu cieplnego w środowisku pracy oraz wartość napięcia rażeniowego.
Zarówno w klimacie ciepłym, jak i też podczas pracy związanej z dużym wysiłkiem
fizycznym następuje obfite pocenie się, które powoduje napełnienie potem kanalików
potowych w skórze a w konsekwencji obniżenie wartości impedancji ciała człowieka.
3. WYBRANE ZAGADNIENIA OCHRONY PRZECIWPORAŻENIOWEJ
W INSTALACJACH ELEKTRYCZNYCH DO 1kV
Bezpieczeństwo elektryczne w użytkowanych instalacjach elektrycznych sprowadza
się do zapewnienia ochrony przed następującymi zagrożeniami:
•
porażeniem prądem elektrycznym,
•
prądami przeciążeniowymi i zwarciowymi,
•
przepięciami łączeniowymi i pochodzącymi od wyładowań atmosferycznych
•
skutkami cieplnymi.
Skuteczność ochrony przeciwporażeniowej przed wyżej wymienionymi zagrożeniami
zależy od zastosowanych, w instalacjach elektrycznych, rozwiązań i środków
technicznych.
Miarą skuteczności ochrony przeciwporażeniowej jest liczba śmiertelnych wypadków
porażeń prądem elektrycznym oraz liczba pożarów, będących następstwem wad lub
nieprawidłowej eksploatacji instalacji elektrycznych.
Przepisy ochrony przeciwporażeniowej są przede wszystkim odzwierciedleniem
rozpoznania skutków przepływu prądu elektrycznego przez ciało ludzkie, dostępnych
środków ochrony oraz warunków ekonomicznych.
10
3.1. Oddziaływanie prądu na organizm ludzki
Działanie pośrednie, powstające bez przepływu prądu przez ciało człowieka,
powoduje takie urazy, jak:
•
oparzenia
ciała
wskutek
pożarów
wywołanych
zwarciem
elektrycznym,
•
groźne dla życia oparzenia ciała łukiem elektrycznym,
•
uszkodzenia wzroku wskutek dużej jaskrawości łuku elektrycznego,
•
uszkodzenia mechaniczne ciała w wyniku upadku z wysokości.
Działanie bezpośrednie, czyli porażenie elektryczne wskutek przepływu prądu
elektrycznego przez ciało ludzkie może wywołać wiele zmian fizycznych, chemicznych
i biologicznych w organizmie prowadzących nawet śmierci człowieka, poprzez
oddziaływanie na układ nerwowy oraz w wyniku elektrolizy krwi i płynów
fizjologicznych.
Porażenie elektryczne może objawiać się:
•
odczuwaniem przepływu prądu, uczuciem bólu, lekkimi skurczami mięśni,
•
silnymi kurczami mięśni dłoni uniemożliwiającymi samouwolnienie się rażonego,
•
zatrzymaniem oddechu, zaburzeniami krążenia krwi,
•
zaburzeniami wzroku, słuchu i zmysłu równowagi,
•
utratą przytomności,
•
migotaniem komór sercowych, które jest bardzo groźne dla życia człowieka,
•
oparzeniami skóry i wewnętrznych części ciała.
Bezpośrednio po rażeniu prądem, czyli po przerwaniu przepływu prądu, może wystąpić
wstrząs elektryczny, objawiający się przerażeniem, bladością, drżeniem ciała lub
kończyn, nadmiernym wydzielaniem potu, stanem apatii lub euforii. Może również
wystąpić obrzęk mózgu i utrata przytomności połączona z zatrzymaniem krążenia krwi i
brakiem oddechu. Skutki te mogą się ujawnić także po pewnym czasie, od kilku minut
nawet do kilku miesięcy od chwili porażenia.
Skutki rażenia prądem elektrycznym zależą od:
11
•
Rodzaju prądu. Badania wykazały, że ludzie są mniej wrażliwi na działanie prądu
stałego (w zależności od kierunku jego przepływu) niż prądu przemiennego
o takiej samej wartości (w zależności od częstotliwości).
•
Czasu przepływu prądu. Czas przepływu prądu rażeniowego przez ciało
człowieka ma istotny wpływ na skutki rażenia prądem elektrycznym, a w
szczególności
na migotanie komór sercowych. Jeżeli czas przepływu nie przekracza 0,1÷0,5
sekundy, to następstwa rażenia są znacznie złagodzone, chociaż w pewnych
warunkach środowiskowych mogą być bardzo groźne.
•
Drogi przepływu prądu przez ciało człowieka. Droga przepływu prądu rażenia
przez ciało człowieka ma istotny wpływ na skutki porażenia prądem
elektrycznym, przy czym największe znaczenie ma to, jaka część prądu przepływa
przez serce i przez układ oddechowy. Przy przepływie prądu na drodze:
a) ręka-ręka przez serce przepływa 3,3% ogólnego prądu rażenia,
b) lewa ręka-nogi przez serce przepływa 3,7% ogólnego prądu rażenia,
c) prawa ręka-nogi przez serce przepływ 6,7% ogólnego prądu rażenia,
d) noga-noga przez serce przepływa 0,4% ogólnego prądu rażenia.
Prawie dwukrotnie większy prąd przepływający przez serce na drodze prawa ręka
- noga tłumaczy się tym, że oś podłużna serca leży właśnie na tej drodze.
•
Wartości natężenia prądu. Wartość progowa prądu samouwolnienia przy prądzie
stałym wynosi 30mA dla mężczyzn i 20mA dla kobiet. Przy tych wartościach
prądów rażeniowych samodzielne uwolnienie się od elektrod mimo bolesnych
skurczów
mięśni
rąk
jeszcze
jest
możliwe.
Wartość
progowa
prądu
samouwolnienia przy prądzie przemiennym, przy której jest tu jeszcze
praktycznie możliwe, wynosi 10mA dla mężczyzn i odpowiednio 6mA dla
kobiet.
•
Kondycji psychofizycznej człowieka. Kondycja psychofizyczna człowieka
ma duży wpływ na bezpieczeństwo porażenia, np. stan podniecenia porażonego
powoduje wydzielanie się potu, a tym samym zmniejszenie rezystancji ciała
i w konsekwencji wzrost natężenia prądu rażenia. Takie stany psychiczne jak:
roztargnienie, zdenerwowanie, zamroczenie alkoholem, zmniejszają zdolność
reagowania porażonego prądem elektrycznym. Stan fizyczny ma również wpływ
na odporność organizmu. Stan osłabienia organizmu lub wyczerpania
12
chorobowego pogarsza odporność człowieka na skutki porażenia prądem
elektrycznym.
3.2. Urazy spowodowane łukiem elektrycznym
Łuk elektryczny albo wyładowanie łukowe jest to wyładowanie elektryczne
w gazie, na przykład w powietrzu, o bardzo dużej wartości gęstości prądu w granicach
od 10A/m2 do 100kA/m2. Łuk elektryczny powoduje jonizację gazu i termoemisję
elektronów. Wskutek tego występuje strumień plazmy o bardzo dużej temperaturze
(10000÷20000K). Powstaje ciśnieniowa fala uderzeniowa, wywołana gwałtownym
nagrzaniem się powietrza wzdłuż łuku, której siła uderzeniowa może osiągać wartość
kilkudziesięciu
kiloniutonów.
Podczas
łuku
elektrycznego
wytwarzane
jest
promieniowanie podczerwone o długości fali 780÷4000nm oraz promieniowanie
nadfioletowe o długości fali 200÷380nm.
Łuk elektryczny może wystąpić podczas zwarć w urządzeniach elektrycznych bądź
wskutek braku ostrożności lub błędów człowieka, np. podczas przerywania obwodów
elektrycznych.
Łuk elektryczny powoduje urazy wskutek:
•
działania fali uderzeniowej,
•
oddziaływania termicznego i termiczno-mechanicznego,
•
promieniowania nadfioletowego i podczerwonego,
•
wystąpienia rażenia skojarzonego.
Łuk elektryczny może powodować następujące urazy:
•
uszkodzenia ciała odłamkami zniszczonych urządzeń elektrycznych lub wskutek
upadku,
•
oparzenia ciała, których rozległość i głębokość są zależne od gęstości energii
cieplnej łuku,
•
uszkodzenia siatkówki oka, z powodu wzrostu temperatury płynu soczewkowego,
•
metalizację nieosłoniętych części ciała oraz uszkodzenia rogówki oka, wywołane
roztopionymi, gorącym cząstkami metali i materiałów izolacyjnych, unoszonymi
gorącym strumieniem gazów,
•
uszkodzenia rogówki oka na skutek promieniowania nadfioletowego,
•
ogrzanie płynu soczewkowego oka na skutek promieniowania podczerwonego,
13
•
rozległe oparzenia, a nawet spalenia kończyn i innych części ciała ludzkiego,
często kończące się śmiercią na skutek rażenia skojarzonego.
Rażenia skojarzone zdarzają się w stacjach elektroenergetycznych wysokiego napięcia,
gdy człowiek zbliży się do urządzenia elektroenergetycznego na odległość, przy której
możliwe jest przebicie warstwy izolacyjnej powietrza. Wtedy następuje wyładowanie
iskrowe, które inicjuje wystąpienie łuku elektrycznego pomiędzy tym urządzeniem
i najbliższą od urządzenia częścią ciała ludzkiego.
3.3. Fibrylacja komór sercowych
Przepływ prądu elektrycznego bezpośrednio przez mięsień sercowy człowieka
może spowodować zatrzymanie obiegu krwi wskutek wystąpienia fibrylacji, inaczej
nazywanej
migotaniem komór sercowych. Podczas fibrylacji komór sercowych ulega
zmianie przebieg elektrokardiogramu i następuje spadek ciśnienia krwi, zamiast
miarowych okresowych skurczów komór serca w ilości 60÷70 na minutę, pojawiają się
niemiarowe nieokresowe skurcze o częstotliwości 6÷10Hz, co odpowiada 400÷600
skurczom na minutę. Jednocześnie ciśnienie krwi gwałtownie maleje i przepływ krwi może
zostać
zatrzymany,
co może spowodować w pierwszej kolejności niedotlenienie mózgu, a po czasie około
dziesięciu sekund utratę przytomności. Jeżeli proces ten trwa dłużej, to po dalszych
dwudziestu sekundach następuje zatrzymanie oddychania i początek śmierci klinicznej.
3.4. Strefy prądowo-czasowe reakcji patologicznych organizmu ludzkiego
przy rażeniu prądem elektrycznym
Reakcje organizmu człowieka przy porażeniu prądem przemiennym są następujące:
•
strefa AC-1: nie występują żadne reakcje patologiczne. Wartość progowa prądu
odczuwania, przy której z małym prawdopodobieństwem występuje odczuwanie
przepływu prądu przez większość mężczyzn, wynosi 0,5mA (dla kobiet wartość
ta wynosi 0,3mA),
•
strefa AC-2: w miarę wzrostu wartości prądu występuje: mrowienie w palcach
drętwienie, skurcze włókien mięśniowych i uczucie bólu (powyżej 3mA).
Im wyższa wartość prądu rażeniowego i dłuższy czas jego przepływu, tym
liczniejsze włókna mięśni dłoni ulegają skurczowi. Przy tężcowym skurczu
mięsni dłoni porażony nie jest już zdolny sam rozewrzeć palców. Wartość
14
progowa prądu samouwolnienia, przy której jest tu jeszcze praktycznie możliwe,
wynosi 10 mA (dla kobiet 6 mA),
•
strefa AC-3: występuje nasilenie bólu, wzrost ciśnienia krwi oraz skurcze
tężcowe mięsni poprzecznie prążkowanych i skurcze mięśni oddechowych
(mięśni płuc - powyżej 20 mA, dla kobiet - 15 mA), co może wywołać
niedotlenienie organizmu,
trudności z oddychaniem, zwiększenie ilości
dwutlenku
węgla
w krwi i zakwaszenie tkanek, skutkiem czego może być sinica skóry oraz błon
śluzowych. Zwykle są to odwracalne skutki fizjologiczne - bez poważniejszych
uszkodzeń organizmu. Pojawiają się także odwracalne zakłócenia w pracy serca
w postaci fibrylacji lub przejściowej blokady. W skrajnych przypadkach mogą
występować skurcze naczyń wieńcowych i w rezultacie zawał mięśnia sercowego,
•
streta AC-4: obserwuje się te same skutki rażenia, co w strefie AC -3, nasilające
się
wraz
ze
wzrostem
natężenia
prądu
i
czasu
jego
przepływu.
Prawdopodobieństwo wystąpienia fibrylacji komór sercowych wzrasta nawet
do około 50%.
Wartości prądów stałych wywołujące wyżej wymienione skutki są mniejsze niż
w przypadku prądów częstotliwości 50Hz. Wyraźnie odczuwalne reakcje organizmu
następują dopiero wtedy, kiedy obwód przepływu prądu stałego zostanie przerwany
(otwarty) i bezpośrednio po tym, ponownie zamknięty. Wartości prądów stałych
wywołujących fibrylację komór sercowych są dla długotrwałych rażeń są nawet
czterokrotnie większe od wartości prądów fibrylacyjnych o częstotliwości 50Hz.
Długotrwały przepływ prądu stałego, przy braku odczuwania tego przepływu, może być
przyczyną ciężkich zatruć organizmu, gdyż na skutek elektrolizy może nastąpić rozkład
płynów ustrojowych.
3.5. Skutki termicznego oddziaływania prądu
Skutki termicznego oddziaływania prądu elektrycznego na skórę człowieka zależą
głównie od gęstości prądu i czasu przepływu. Przy gęstości prądu 20÷50 mA/mm2
po czasie trwania rażenia rzędu kilkudziesięciu sekund tworzą się wokół elektrody
pęcherze oparzeniowe. Przy większych gęstościach prądu i dłuższym czasie jego
przepływu może wystąpić zwęglenie skóry, martwica skóry, mięśni, nerwów, a także
15
naczyń krwionośnych. Przy dużych wartościach prądu elektrycznego oparzenia mogą być
tak głębokie, że tkanki skóry a nawet kości mogą ulec zwęgleniu.
3.6. Rodzaje ochron i środków ochrony przeciwporażeniowej
Bezpieczeństwo porażeniowe osób przebywających w pobliżu urządzeń
elektrycznych lub obsługujących te urządzenia zapewnia zastosowanie różnych środków
ochrony. Zastosowane środki powinny tworzyć system ochrony przeciwporażeniowej,
przez który należy rozumieć system współpracujących i skoordynowanych ze sobą
środków ochrony oraz środków uzupełniających.
Środki ochrony przeciwporażeniowej można ogólnie podzielić na:
•
środki organizacyjne,
•
środki techniczne.
Środki organizacyjne ochrony stosowane w celu zapobieżenia porażeniom elektrycznym
obejmują wprowadzone rozporządzenia wykonawcze do ustawy Prawo Energetyczne,
wymagania dotyczące kwalifikacji osób zatrudnionych przy eksploatacji urządzeń
energetycznych oraz wymagania dotyczące organizacji i wykonywania prac związanych z
eksploatacją, konserwacją, naprawą oraz z badaniami odbiorczymi i okresowymi
eksploatacyjnymi urządzeń elektrycznych.
Organizacyjne
środki
ochrony
obejmują
różne
działania
nietechniczne
typu
organizacyjnego, których celem jest zapoznanie szerokiego kręgu użytkowników energii
elektrycznej z potencjalnymi zagrożeniami ze strony tej energii, minimalizacja
możliwości kontaktu człowieka z napięciem oraz minimalizacja skutków wypadków
elektrycznych.
Do działań typu organizacyjnego mających na celu zmniejszenie ryzyka zagrożeń
elektrycznych należą:
•
popularyzacja zasad prawidłowego użytkowania urządzeń elektrycznych,
•
nauczanie zasad udzielania pierwszej pomocy porażonym i poparzonym prądem
elektrycznym,
•
stosowanie środków propagandy wizualnej w postaci plansz i plakatów
popularyzujących zasady bezpiecznego użytkowania urządzeń elektrycznych,
•
obowiązkowe
szkolenie
okresowe
pracowników
zaliczanych
do
grupy
wzmożonego ryzyka porażeniem prądem, głównie elektryków,
16
•
ustawowy
wymóg
posiadania
uprawnień
kwalifikacyjnych
przez
osoby
zatrudnione przy eksploatacji urządzeń i instalacji energetycznych,
•
przestrzeganie zasad i przepisów bezpieczeństwa pracy dotyczących organizacji
prac przy urządzeniach elektrycznych.
Środki techniczne stanowiące właściwą ochronę przeciwporażeniową obejmują w
zasadzie środki ochrony przed dotykiem bezpośrednim (ochrony podstawowej)
stanowiące zabezpieczenie przed porażeniami od napięć roboczych oraz środki ochrony
przy dotyku pośrednim (ochrony przy uszkodzeniu) zabezpieczające przed porażeniami
od napięć dotykowych. Do technicznych środków ochrony zaliczyć należy również
środki ochrony osobistej (sprzęt ochronny) mające zastosowanie głównie przy pracach
konserwacyjno-remontowych, operacjach łączeniowych i czynnościach pomiarowych.
Polska norma zharmonizowana PN-IEC-60364-4-41:2000 przewiduje trzy rodzaje ochron
przeciwporażeniowych:
•
równoczesna ochrona przed dotykiem bezpośrednim i pośrednim,
•
ochrona przed dotykiem bezpośrednim,
•
ochrona przy dotyku pośrednim.
Zestawienie rodzajów ochrony i środków ochrony przeciwporażeniowej zostały
przedstawione w tabeli 1.
17
Tabela nr 1. Rodzaje ochron i środków ochrony przeciwporażeniowej w urządzeniach
niskiego napięcia
Rodzaje ochron
przeciwporażeniowych
Środki ochrony przeciwporażeniowej
1
2
Równoczesna ochrona
przed dotykiem
bezpośrednim i przy
dotyku pośrednim
(równoczesna ochrona
podstawowa i ochrona
przy uszkodzeniu)
Ochrona polegająca na zastosowaniu
bardzo niskiego napięcia SELV i PELV
nie wymagająca ochrony przed dotykiem
bezpośrednim
bez uziemienia
SELV
Ochrona polegająca na zastosowaniu
bardzo niskiego napięcia SELV i PELV
wymagająca ochrony przed dotykiem
bezpośrednim
bez uziemienia
SELV
z uziemieniem
PELV
z uziemieniem
PELV
Ochrona polegająca na izolowaniu części czynnych
Ochrona przy użyciu ogrodzeń lub obudów
Ochrona przed
dotykiem
Ochrona przy użyciu barier
bezpośrednim (ochrona
Ochrona polegająca na umieszczeniu poza zasięgiem ręki
podstawowa)
Ochrona uzupełniająca za pomocą urządzeń
różnicowoprądowych
w układzie TN
Ochrona za pomocą samoczynnego
wyłączania zasilania
w układzie TT
w układzie IT
Ochrona przy dotyku
pośrednim (ochrona
przy uszkodzeniu)
Ochrona polegająca na zastosowaniu urządzenia II klasy
ochronności lub izolacji równoważnej
Ochrona polegająca na izolowaniu stanowiska
Ochrona za pomocą nieuziemionych połączeń wyrównawczych
miejscowych
Ochrona za pomocą separacji elektrycznej
18
3.7. Równoczesna ochrona przed dotykiem bezpośrednim i pośrednim
Równoczesna ochrona przed dotykiem bezpośrednim i pośrednim polega na zastosowaniu
jednego z następujących środków:
•
bardzo niskiego napięcia bezpiecznego SELV (ang. Safety Extra-Low Voltage)
•
bardzo niskiego napięcia ochronnego PELV (ang. Protective Extra-Love
Voltage),
•
bardzo niskiego napięcia funkcjonalnego FELV (ang. Functional Extra-Love
Voltage).
W obwodach SELV instalacja jest całkowicie oddzielona od ziemi i od innych instalacji.
W obwodach PELV określone części czynne mogą być połączone z uziomem ze względu
na wymagania technologiczne. Ochronne obniżenie napięcia roboczego do wartości
bardzo niskiego napięcia bezpiecznego stanowi najskuteczniejszy, lecz w praktyce ze
względów technologicznych rzadko stosowany sposób ochrony.
Tabela 2. Wartości napięć bezpiecznych UL
Napięcie bezpieczne dla warunków środowiskowych
szczególneg
Rodzaj prądu
ekstremalnego zagrożenia
normalnych
o
(zanurzenie w wodzie)
zagrożenia
Przemienny
50 V~
25 V~
12 V~
Stały (nietętniący)
120 V–
60 V–
30 V–
Jako źródło bardzo niskiego napięcia bezpiecznego mogą być stosowane:
•
transformatory ochronne,
•
przetwornice ochronne,
•
źródła elektroniczne,
•
źródła elektrochemiczne (baterie akumulatorów),
•
zespoły prądotwórcze napędzane silnikiem spalinowym.
Wykonanie instalacji na napięcie bezpieczne wymaga spełnienia licznych warunków
dotyczących właściwego doboru źródeł zasilania, układania przewodów instalacji oraz
budowy i użytkowania instalacji.
W szczególności transformatory i przetwornice stanowiące źródło zasilania obwodów
bardzo niskiego napięcia bezpiecznego powinny spełniać wymagania II klasy
19
ochronności, czyli pewnego oddzielenia elektrycznego obwodu pierwotnego od obwodu
wtórnego.
Układy FELV są to układy zasilane napięciem nie przekraczającym wartości bardzo
niskich napięć bezpiecznych, które jednakże nie spełniają wszystkich warunków
zapewniających,
że nie pojawią się w nich napięcia wyższe od bezpiecznego, a odnoszących się zarówno
do źródeł zasilania, elementów instalacji i sposobu jej układania oraz do budowy
odbiorników. Obwody te nie mogą być traktowane jako w pełni bezpieczne i wymagają
ochrony takiej, jaka jest zastosowana w ich obwodach zasilających.
Jeżeli napięcie znamionowe instalacji nie przekracza 25V dla prądu przemiennego lub
60V dla prądu stałego to nie jest potrzebna ochrona przed dotykiem bezpośrednim, o ile
nie występują żadne szczególne warunki środowiskowe, tzn. urządzenie jest użytkowane
w miejscach suchych oraz nie przewiduje się wielkopowierzchniowych dotyków ciała
ludzkiego.
3.8. Ochrona przed dotykiem bezpośrednim
Ochrona podstawowa polega na zastosowaniu jednego z następujących środków:
•
izolowania części czynnych,
•
użycia ogrodzeń (przegród) lub obudów (osłon),
•
użycia barier (przeszkód),
•
umieszczenia poza zasięgiem ręki,
•
uzupełnienia ochrony przy użyciu wysokoczułych urządzeń ochronnych
różnicowoprądowych.
Izolowanie części czynnych polega na pokryciu izolacją części obwodu elektrycznego,
które znajdują się pod napięciem w normalnych warunkach pracy. Izolacja ta powinna
wytrzymywać obciążenia mechaniczne, chemiczne i termiczne, na jakie może być
narażona w warunkach eksploatacji.
Ogrodzenia lub obudowy powinny zapewniać dla znajdujących się wewnątrz części
czynnych stopień ochrony co najmniej IP2X. Ogrodzenia i obudowy powinny być trwale
zamocowane, a usunięcie ich powinno być możliwe jedynie przy użyciu narzędzi lub
po wyłączeniu napięcia z części czynnych znajdujących się wewnątrz nich.
20
Bariery (przeszkody) mają za zadanie uniemożliwienie przypadkowemu dotknięciu części
czynnych, natomiast nie chroni przed rozmyślnym działaniem.
Bariery mogą być usuwane bez użycia narzędzi, jednak muszą być zabezpieczone przed
niezamierzonym usunięciem. Zwykle stosowane są w pomieszczeniach ruchu
elektrycznego.
Umieszczenie poza zasięgiem ręki podobnie jak bariery, chroni przed przypadkowym
dotknięciem, a nie przed rozmyślnym działaniem.
Stosowanie urządzeń ochronnych różnicowoprądowych o prądzie wyzwalającym nie
większym od 30 mA uważane jest za uzupełnienie ochrony, zarówno w przypadku
nieskuteczności innych środków ochrony przed dotykiem bezpośrednim, jak i w
przypadku nieostrożności użytkowników.
Wyłączniki ochronne różnicowoprądowe lub wyłączniki współpracujące z przekaźnikami
różnicowoprądowymi nie mogą być jedynym środkiem ochrony.
3.9. Ochrona przy dotyku pośrednim
Ochrona przy dotyku pośrednim polega na zastosowaniu jednego z następujących
środków:
•
samoczynnego wyłączenia zasilania,
•
urządzeń II klasy ochronności lub o izolacji równoważnej,
•
izolowania stanowiska,
•
separacji elektrycznej,
•
nieuziemionych połączeń wyrównawczych miejscowych.
Samoczynne
wyłączenie
zasilania
powinno
zapewniać
szybkie
wyłączenie
spodziewanego napięcia dotykowego przekraczającego napięcie bezpieczne, aby nie
wystąpiły żadne niebezpieczne skutki patofizjologiczne w przypadku zwarcia pomiędzy
częścią
czynną
a częścią przewodzącą dostępną lub przewodem ochronnym obwodu.
Ochrona przez samoczynne wyłączenie zasilania polega na utworzeniu pętli zwarciowych
poprzez przewody ochronne łączące dostępne części przewodzące z punktem neutralnym
sieci lub z ziemią (w zależności od układu sieci) oraz zastosowaniu urządzeń ochronnych
zapewniających wyłączenie w odpowiednim, wymaganym przepisami czasie.
21
Jako urządzenia ochronne powodujące wyłączenie odbiornika lub obwodu mogą być
zastosowane:
•
urządzenia przetężeniowe (nadmiarowoprądowe), do których należą wyłączniki
z wyzwalaczami nadprądowymi lub przekaźnikami nadprądowymi oraz
bezpieczniki z wkładami topikowymi,
•
urządzenia
ochronne
różnicowoprądowe,
do
których
należą
wyłączniki
różnicowoprądowe i wyłączniki i styczniki współpracujące z przekaźnikami
różnicowoprądowymi.
Samoczynne szybkie wyłączanie zasilania jest najczęściej stosowanym i najpewniejszym
środkiem ochrony dodatkowej stosowanym w układach sieciowych TN, TT oraz IT.
3.10. Ochrona w układzie TN
W układach sieciowych TN ochronę przez samoczynne wyłączenie zasilania
uzyskuje się poprzez połączenie części przewodzących dostępnych z przewodem
ochronnym PE lub przewodem ochronno-neutralnym PEN, co przy zwarciu części
czynnych powoduje przepływ prądu zwarciowego do dostępnych części przewodzących
i samoczynne odłączenie odbiornika od zasilania.
Maksymalne czasy wyłączenia w układzie TN w zależności od napięcia fazowego oraz
od warunków środowiskowych podano w tabeli 3.
Tabela 3. Maksymalny czas wyłączenia w układzie TN
Napięcie
względem
ziemi
U0 [V]
120
230
277
400
480
580
Maksymalny czas wyłączenia w [s]
dla warunków środowiskowych
normalnych
szczególnych
UL ≤ 50 [V~], UL ≤ 120 [V–] UL ≤ 25 [V~], UL ≤ 60 [V–]
0,8
0,4
0,4
0,2
0,1
0,1
0,35
0,20
0,20
0,05
0,05
0,02
Warunek samoczynnego wyłączenia zasilania zostanie spełniony, jeżeli:
22
Zs · Ia ≤ Uo
gdzie: Zs - impedancja pętli zwarciowej,
Ia - prąd powodujący samoczynne zadziałanie urządzenia zabezpieczającego
w określonym w czasie,
Uo - napięcie znamionowe względem ziemi.
Czas odłączenia napięcia dłuższy od podanego w tabeli nr 3, ale nie przekraczający
5 sekund dopuszcza się:
•
w sieciach rozdzielczych i wewnętrznych liniach zasilających,
•
w obwodach odbiorczych, do których przyłączone są jedynie odbiorniki
stacjonarne.
Przepisy określają warunki niezbędne do spełnienia, gdy z rozdzielnicy zasilane
są odbiorniki, dla których wymagany jest różny czas wyłączania, odnoszący się
do ograniczenia impedancji przewodu ochronnego oraz do stosowania połączeń
wyrównawczych miejscowych.
Prąd Ia zapewniający samoczynne zadziałanie urządzenia zabezpieczającego powinien
być wyznaczony na podstawie ich charakterystyk czasowo-prądowych.
Jeżeli urządzeniem ochronnym jest urządzenie ochronne różnicowoprądowe, prąd Ia jest
znamionowym prądem wyzwalającym IΔn.
3.11. Ochrona w układzie TT
W układzie sieciowym TT ochrona polega na połączeniu części przewodzących
dostępnych chronionych za pomocą urządzeń ochronnych przetężeniowych lub
różnicowoprądowych, z uziomem.
Przy zwarciu części czynnej z częścią przewodzącą dostępną, powinno nastąpić
samoczynne odłączenie odbiornika od sieci w wymaganym czasie lub obniżenie napięcia
dotykowego na częściach przewodzących do wartości bardzo niskiego napięcia
bezpiecznego UL.
W układzie TT powinien być spełniony warunek:
23
RA· Ia ≤ UL
gdzie: RA - suma rezystancji uziomu i przewodu ochronnego łączącego uziom z częścią
przewodzącą dostępną,
Ia - prąd zapewniający samoczynne zadziałanie urządzenia ochronnego,
UL - napięcie dotykowe dopuszczalne długotrwale.
Przy rezystancji uziomu dobranej zgodnie z w/w warunkiem nastąpi szybkie wyłączenie,
gdy prąd zwarciowy IZ ograniczony sumą rezystancji uziomu roboczego punktu
neutralnego transformatora i uziomu ochronnego przekroczy wartość Ia. Jeżeli prąd IZ
będzie mniejszy niż Ia to powinno nastąpić obniżenie napięcia dotykowego do wartości
bezpiecznej UL. W praktyce spełnienie warunku samoczynnego wyłączenia jest
zapewnione przy małych mocach odbiorników lub przy stosowaniu jako urządzeń
ochronnych wyłączników różnicowoprądowych.
3.12. Ochrona w układzie IT
Niskonapięciowe układy sieciowe IT stosuje się w dwóch celach:
•
zapewnienia wysokiej niezawodności zasilania odbiorów (np. zasilanie sal
operacyjnych, zasilanie oświetlenia lotnisk, zasilanie urządzeń pomocniczych
maszyn
wyciągowych
i
wentylatorów
głównego
przewietrzania
kopalń
głębinowych) - dopuszcza się możliwość pracy awaryjnej układu sieciowego po
wystąpieniu pierwszego zwarcia doziemnego,
•
zapewnienia wysokiej skuteczności ochrony przeciwporażeniowej przy dotyku
pośrednim (np. zasilanie wszystkich urządzeń w podziemnych wyrobiskach
kopalń głębinowych) - zasilanie urządzeń jest wyłączane po wystąpieniu
pierwszego zwarcia doziemnego.
Cechami wyróżniającymi ten układ sieciowy są przede wszystkim: izolowany punkt
neutralny transformatora zasilającego oraz układ kontroli stanu izolacji w postaci
zabezpieczenia upływowego, kontrolujący w sposób ciągły rezystancję izolacji całej
galwanicznie połączonej sieci. W układach sieciowych IT występują trzy sposoby
wykonania uziemień ochronnych: indywidualne, grupowe i zbiorowe.
Z tych właśnie różnic wynika bardzo ważny fakt, a mianowicie, droga, jaką zamyka się
ścieżka prądu doziemnego. W przypadku sieci uziemionych następuje to poprzez przewód PE i rezystancję uziemienia, w sieciach IT może nastąpić wyłącznie przez
24
pojemności doziemne całości instalacji. W związku z tym w sieciach IT występują małe,
zależne od ich pojemności, prądy doziemne.
Prąd pojedynczego zwarcia z ziemią ma charakter prądu pojemnościowego i jego
ograniczona wartość (zwykle poniżej 1A) nie wystarcza do spełnienia warunku szybkiego
wyłączenia, ale za to z reguły występuje skuteczne obniżenie napięcia dotykowego
do bezpiecznego w danych warunkach środowiskowych, zwykle 50V lub 25V.
Powyższe wymaganie określone jest wzorem:
RA· Ia ≤ UL
gdzie: RA - suma rezystancji uziomu i przewodu ochronnego łączącego uziom z częścią
przewodzącą dostępną,
Ia - prąd pojedynczego zwarcia między przewodem fazowym a częścią
przewodzącą dostępną (prąd doziemny),
UL - napięcie dotykowe dopuszczalne długotrwale.
Zaleca się, aby pojedyncze zwarcie doziemne było usuwane możliwie szybko, co
zmniejsza prawdopodobieństwo wystąpienia podwójnych zwarć doziemnych. Urządzenie
do kontroli stanu izolacji powinno przy zwarciu doziemnym działać na sygnał
dźwiękowy lub/i świetlny.
W układach sieciowych IT ochrona przeciwporażeniowa przy dotyku pośrednim może
przebiegać jednostopniowo lub dwustopniowo:
•
jednostopniowo (z niedopuszczeniem do awaryjnej pracy układu sieciowego
z jednofazowym doziemieniem) poprzez:
1) wykonanie wybranego systemu uziemień ochronnych i ograniczeniem wartości
napięcia dotykowego do wartości dopuszczalnej długotrwale,
2) wyłączenie pierwszego zwarcia doziemnego przez wyłączniki
różnicowoprądowe
lub urządzenie kontroli stanu izolacji,
•
dwustopniowo (z czasowym zezwoleniem na awaryjną pracę układu sieciowego
z jednofazowym doziemieniem) poprzez:
I stopień
1) wykonanie wybranego systemu uziemień ochronnych i ograniczeniem
wartości napięcia dotykowego do wartości dopuszczalnej długotrwale,
25
2) sygnalizację pierwszego zwarcia doziemnego przez urządzenie kontroli stanu
izolacji,
3) rozpoczęcie
lokalizacji
i
usunięcie
miejsca
wyłączenie
drugiego
zwarcia
wystąpienia
pierwszego
zwarcia doziemnego,
II stopień
1) samoczynne
doziemnego
(poprzez
sprowadzenie do pojedynczego zwarcia doziemnego) przez zabezpieczenia
nadmiarowo prądowe oraz wyłączniki różnicowoprądowe,
2) ograniczenie wartości napięć dotykowych poprzez wykonanie lokalnych
połączeń wyrównawczych (jako uzupełnienie ochrony).
Należy podkreślić, że po wystąpieniu pierwszego zwarcia doziemnego w sieci IT
i czasowym tolerowaniu tego awaryjnego stanu pracy układu zasilania, nie może dojść
do utraty skuteczności ochrony przeciwporażeniowej.
O tym, że ochrona przeciwporażeniowa może być i wówczas skuteczna, świadczy
przypadek powszechnie spotykanego układu sieciowego TN-S, który jest niczym innym
jak awaryjnym stanem pracy układu sieciowego IT po wystąpieniu pierwszego zwarcia
doziemnego w punkcie neutralnym transformatora.
Warunki wyłączania podwójnego zwarcia z ziemią zależą od sposobu uziemienia części
przewodzących dostępnych i przy uziemieniu:
•
indywidualnym lub grupowym, warunki analogiczne jak dla układu TT,
•
zbiorowym, warunki analogiczne jak dla układu TN.
Aby nastąpiło szybkie wyłączenie powinny być spełnione następujące warunki:
•
dla układu IT bez przewodu neutralnego:
ZS =
•
3 ⋅U0
2 ⋅ Ia
dla układu IT z przewodem neutralnym:
Z S' =
U0
2 ⋅ Ia
gdzie:
ZS - impedancja pętli zwarcia obejmującej przewód fazowy i przewód ochronny obwodu,
26
Z’S - impedancja pętli zwarcia obejmującej przewód neutralny i przewód ochronny
obwodu.
Maksymalne dopuszczalne czasy wyłączenia przy podwójnych zwarciach doziemnych
w układzie IT w zależności od napięcia podano w tabeli 4.
Tabela 4. Maksymalne dopuszczalne czasy wyłączenia w układzie IT (przy podwójnym
zwarciu doziemnym)
Napięcie
znamionowe
instalacji Uf /Up
[V]
120/230
230/400
277/480
400/690
580/1000
Czas wyłączenia w [s] dla napięcia bezpiecznego
w warunkach normalnych
w warunkach szczególnych
UL 50 [V~], UL 120 [V-]
UL 25 [V~], UL 60 [V-]
dla sieci bez
dla sieci z
dla sieci bez
dla sieci z
przewodu
przewodem
przewodu
przewodem
neutralnego
neutralnym
neutralnego
neutralnym
0,8
5,0
0,4
1,0
0,4
0,8
0,2
0,5
0,2
0,4
0,2
0,5
0,2
0,4
0,06
0,2
0,1
0,2
0,02
0,08
4. Zabezpieczenia upływowe i ich rola w kontroli rezystancji izolacji doziemnej
kopalnianych sieci IT
4.1. Podział zabezpieczeń upływowych
Zabezpieczenie upływowe to zespół urządzeń mających na celu ograniczenie zagrożeń
(np. rażenia prądem elektrycznym, powstania pożaru, zainicjowania wybuchu metanu lub
pyłu węglowego), które mogą być wywołane upływem prądu elektrycznego do ziemi,
w wyniku uszkodzenia izolacji doziemnej sieci elektroenergetycznej lub instalacji
elektrycznej.
Ze względu na działanie zabezpieczenia upływowe dzieli się na:
•
centralne zabezpieczenia upływowe,
•
blokujące zabezpieczenia upływowe,
•
centralno-blokujące zabezpieczenia upływowe.
]
Centralne zabezpieczenie upływowe jest to zabezpieczenie upływowe działające
na zasadzie centralnego pomiaru rezystancji izolacji doziemnej sieci lub instalacji
włączonej pod napięcie robocze. Blokujące zabezpieczenie upływowe jest to
zabezpieczenie działające na zasadzie pomiaru rezystancji izolacji doziemnej odcinka
27
sieci
lub
instalacji
wyłączonej
spod
napięcia
roboczego.
Centralno-blokujące
zabezpieczenie upływowe jest to zabezpieczenie łączące w jednym zespole urządzeń
funkcję
centralnego
zabezpieczenia
upływowego
i
blokującego zabezpieczenia
upływowego.
4.2. Wymagania dotyczące centralnych zabezpieczeń upływowych
Centralne zabezpieczenie upływowe powinno zapewniać samoczynny i ciągły
pomiar rezystancji izolacji całej znajdującej się pod napięciem roboczym sieci lub
instalacji oraz zadziałanie elementu wykonawczego zabezpieczenia przy zmniejszeniu się
rezystancji izolacji kontrolowanej sieci poniżej wartości zadziałania, przy czym pomiar
powinien odbywać się we wszystkich torach chronionej sieci lub instalacji.
Rezystancja nastawcza centralnego zabezpieczenia upływowego dla danego napięcia
znamionowego sieci lub instalacji przy uszkodzeniu izolacji doziemnej w jednym
z chronionych torów powinna być równa jednej trzeciej wartości podanej w tabeli nr 5
kolumna 2 dla sieci lub instalacji trójfazowych, lub jednej drugiej wartości podanej
w tabeli nr 5 kolumna 3 dla sieci lub instalacji jednofazowej. Poprzez rezystancję
zadziałania należy rozumieć największą wartość rezystancji izolacji powodującej
zadziałanie zabezpieczenia, a poprzez rezystancję nastawczą należy rozumieć wartość
rezystancji oznaczonej na mechanizmie nastawczym, przy której nastawieniu
zabezpieczenie powinno zadziałać w przypadku uszkodzenia izolacji doziemnej jednego
toru sieci lub instalacji.
Tabela nr 5. Wartości nastawcze centralnych zabezpieczeń upływowych.
Wartość rezystancji [kΩ]
Napięcie znamionowe (U)
Rodzaj sieci lub instalacji
sieci lub instalacji [V]
Trójfazowa
jednofazowa
1
2
3
U≤127
127<U≤230
230<U≤500
500<U≤1000
12
21
45
90
8
14
30
60
Rezystancja zadziałania centralnego zabezpieczenia upływowego przy uszkodzeniu
jednego toru powinna być dobrana tak, aby prąd uszkodzenia płynący przez tę rezystancję
nie przekraczał 25mA (z uwzględnieniem prądu pomiarowego).
28
Rezystancja zadziałania przy uszkodzeniu jednego toru nie powinna się różnić więcej niż
±20% odpowiadającej jej rezystancji nastawczej.
Czas zadziałania centralnego zabezpieczenia upływowego przy rezystancji uszkodzenia
jednego toru o wartości 1kΩ, w zależności od napięcia znamionowego sieci lub instalacji
nie powinien być większy niż podany w tabeli nr 6.
Tabela nr 6. Czas zadziałania centralnych zabezpieczeń upływowych.
Napięcie znamionowe (U) sieci
lub instalacji [V]
Czas zadziałania [s]
U≤42
42<U≤500
500<U≤1000
0,3
0,1
0,07
Centralne zabezpieczenie powinno mieć:
•
miernik elektryczny wyskalowany w kiloomach, pozwalający określić wartość
rezystancji izolacji sieci lub instalacji elektroenergetycznej (wymaganie to nie
dotyczy zabezpieczeń sieci lub instalacji o napięciu znamionowym większym
od 230V),
•
układ do sprawdzania sprawności eksploatacyjnej zabezpieczenia i jego
połączenia
z uziemieniem roboczym przez sztuczne wywołanie jednotorowego uszkodzenia
izolacji sieci lub instalacji o rezystancji uszkodzenia równej 0,8 wartości
rezystancji nastawczej z uwzględnieniem tolerancji -20%,
•
urządzenie pozwalające na plombowanie,
•
sygnalizację i blokadę po zadziałaniu.
Prąd pomiarowy centralnego zabezpieczenia upływowego nie powinien być większy niż
10mA.
4.3. Wymagania dotyczące blokujących zabezpieczeń upływowych
Blokujące zabezpieczenie upływowe powinno zapewniać samoczynny, ciągły
pomiar rezystancji izolacji odcinka sieci lub instalacji wyłączonego spod napięcia
29
roboczego oraz zadziałanie elementu wykonawczego zabezpieczenia przy obniżeniu się
rezystancji izolacji tego odcinka poniżej wartości zadziałania zabezpieczenia, przy czym
pomiar powinien odbywać się we wszystkich torach chronionego odcinka sieci lub
instalacji.
Rezystancja nastawcza blokującego zabezpieczenia upływowego dla danego napięcia
znamionowego powinna być równa wartości podanej w tabeli nr 7. Rezystancja
zadziałania blokującego zabezpieczenia upływowego powinna odpowiadać wartościom
podanym w tabeli nr 7 z odchyłką ±20%.
Tabela nr 7. Wartości nastawcze blokujących zabezpieczeń upływowych.
Napięcie znamionowe (U) sieci
Wartość rezystancji [kΩ]
lub instalacji [V]
U≤42
7
42<U≤230
15
230<U≤500
25
500<U≤1000
50
Wartość prądu w obwodzie pomiarowym zabezpieczenia przy rezystancji uszkodzenia
równej zero, nie powinna przekraczać 10mA przy prądzie stałym i 6mA przy prądzie
przemiennym (wartość skuteczna).
Wyjściowy obwód pomiarowy blokującego zabezpieczenia upływowego przeznaczonego
do
zabudowania
w
urządzeniu
budowy
przeciwwybuchowej
powinien
być
iskrobezpieczny.
Wartość współczynnika powrotu blokującego zabezpieczenia upływowego nie powinna
być większa niż 1,5.
Blokujące zabezpieczenie upływowe powinno być wyposażone w układ testowy
do przeprowadzania kontroli eksploatacyjnej zabezpieczenia, poprzez sztuczne
wywołanie uszkodzenia izolacji sieci lub instalacji o rezystancji uszkodzenia równej 0,8
wartości rezystancji nastawczej z uwzględnieniem odchyłki -20% oraz sygnalizację
zadziałania.
4.4. Kontrola stanu izolacji doziemnej sieci IT
Wartość rezystancji doziemnej linii i urządzeń sieci w układzie IT ma bardzo duże
znaczenie w profilaktyce przeciwporażeniowej. Wzrost rezystancji izolacji powoduje
30
zwiększenie stopnia bezpieczeństwa w wyniku zmniejszenia się napięcia i prądu rażenia.
Jest to szczególnie wyraźne w sieciach niskiego napięcia i o małej pojemności.
Stosowanie urządzeń automatycznej kontroli stanu izolacji zarówno w stanie
beznapięciowym (blokujących zabezpieczeń upływowych) jak i pod napięciem roboczym
(centralnych zabezpieczeń upływowych) lub/i zabezpieczeń ziemnozwarciowych pozwala
jednocześnie na ograniczenie do minimum możliwości występowania podwójnych zwarć
z ziemią. Umożliwiają one również ograniczenie innych zagrożeń, przede wszystkim
pożarowych i wybuchowych.
Z tych względów centralne zabezpieczenia upływowe stanowią z zasady wyposażenie
kopalnianych
przewoźnych
stacji
transformatorowych,
natomiast
blokujące
zabezpieczenia upływowe są standardowym wyposażeniem poszczególnych odpływów
w zestawach zasilających pompy, wentylatory, maszyny przodkowe itp.
Awaria systemu zasilającego czy też sterowniczego powstaje w wyniku splotu
okoliczności stanowiących elementy ryzyka w całym łańcuchu zdarzeń. Wystarczy często
wyeliminować najsłabsze ogniwo tego łańcucha, aby szkodzie zapobiec.
Stan i jakość izolacji elektrycznej jest takim newralgicznym ogniwem. Konsekwentne
działania konserwacyjne i profilaktyczne zasadniczo wpływają korzystnie na poprawę
parametrów sieci. Podczas eksploatacji, w wyniku działania różnorodnych zagrożeń,
izolacja traci stopniowo swoje właściwości elektryczne i mechaniczne. Do zagrożeń
pochodzenia
częstotliwości,
elektrycznego
udary
należy
piorunowe
(z
zaliczyć
przepięcia,
oczywistych
przetężenia,
przyczyn
zmiany
niewystępujące
w
podziemnych wyrobiskach zakładów górniczych) oraz wpływ pola magnetycznego.
Zagrożeniem mechanicznym związanym z ogólnymi warunkami panującymi w
kopalniach mogą być udary, drgania, zginanie, zgniatanie oraz przedostawanie się ciał
obcych. Wpływ otoczenia poprzez oddziaływanie wilgotności, temperatury, agresywnych
oparów
i zabrudzeń również przyczynia się w znacznym stopniu do degradacji izolacji.
Odzwierciedleniem działania wymienionych zagrożeń jest w praktyce wartość rezystancji
izolacji, która w całym okresie eksploatacji sieci stopniowo maleje. Po osiągnięciu
wartości
krytycznej
lub
po
wystąpieniu
drugiego
doziemienia
odpowiedzią
wyłączających układów ochrony nadprądowej lub różnicowoprądowej jest nagła i
niespodziewana przerwa w zasilaniu. Zadziałanie zabezpieczeń może spowodować
zatrzymanie lub zakłócenie procesu technologicznego, na przykład wyłączenie
31
wentylatorów, oświetlenia lub wyłączenie zasilania maszyn przodkowych, co w
warunkach dołowych skutecznie uniemożliwia prowadzenie prac wydobywczych. Szkody
i koszty osiągają wtedy znaczne rozmiary. Można temu zapobiec dzięki ciągłej kontroli
stanu izolacji i jak najwcześniejszemu wykrywaniu i lokalizowaniu odpływów, w których
zachodzą niekorzystne zmiany.
Jedynie stałe monitorowanie stanu izolacji sieci jest w stanie dać wystarczająco wcześnie
informację ostrzegawczą o zachodzących zmianach, a przez to umożliwić podjęcie
odpowiednio szybko działań zapobiegawczych i niedopuszczenie do osiągnięcia stanu,
przy którym konieczne jest działanie zabezpieczeń i przerwa w dostawie energii.
Ten środek profilaktyczny jest właściwą drogą do osiągnięcia podstawowego celu
ochrony, którym jest wysokie bezpieczeństwo elektryczne ludzi i urządzeń.
4.5. Wpływ rezystancji izolacji doziemnej na prądy i napięcia rażeniowe
W sieci o izolowanym punkcie neutralnym obwód prądu zwarcia z ziemią zamyka
się przez impedancje poszczególnych faz względem ziemi oraz przez rezystancję
uziemienia ochronnego. Na impedancje fazowe składają się fazowa pojemność doziemna
oraz fazowa upływność izolacji przewodów i urządzeń względem ziemi. Traktując dotyk
bezpośredni jednej fazy lub nieuziemionej obudowy, która znalazła się pod napięciem
fazowym jako doziemienie przez rezystancję ciała człowieka w warunkach podziemi
kopalń (rezystancja przejścia równa zeru), można przyjąć, że napięcie rażeniowe jest
równe napięciu względem ziemi. Wtedy wartości napięcia i prądu rażenia oblicza się
według wzorów:
Uf
Ur =
1+
R0i + 6 ⋅ R0i ⋅ Rc
9 ⋅ Rc2 1 + ω 2 ⋅ C02 ⋅ R02i
(
)
oraz
Ir =
Ur
Rc
gdzie:
Uf - napięcie fazowe,
R0i - rezystancja doziemna izolacji,
Rc - rezystancja człowieka,
32
ω - pulsacja,
C0 - fazowa pojemność doziemna.
Dla sieci oddziałowych mało rozległych doziemna reaktancja pojemnościowa może być
znacznie większa od rezystancji doziemnej izolacji, czyli można założyć, że fazowa
pojemność doziemna równa się zero.
Wtedy po przekształceniu wzór przyjmuje postać:
Ur =
Uf
R
1 + 0i
3 ⋅ Rc
oraz
Ir =
Uf
Ri + Rc
W powyższym wzorze Ri jest wypadkową rezystancją izolacji wszystkich faz względem
ziemi mierzoną przez stosowane w górnictwie zabezpieczenie upływowe kontrolujące
stanu izolacji.
Działanie
uziemienia
ochronnego,
przy
dotyku
obudowy
uziemionej,
polega
na „zbocznikowaniu" rezystancji Rc człowieka przez znacznie mniejszą rezystancję
uziemienia Rzu W takim przypadku przez człowieka przepłynie znacznie mniejszy prąd
rażeniowy Irzu o wartości
I rzu =
Uf
2
⎡⎛ 1
⎛ 1
1 ⎞
1 ⎞⎤
+ ⎟⎟ + 6 ⋅ ⎜⎜
+ ⎟⎟⎥
R0i ⎢⎜⎜
⎢⎣⎝ Rzu Rc ⎠
⎝ Rzu Rc ⎠⎥⎦
Rc ⋅ 1 +
9 ⋅ 1 + ω 2 ⋅ C02 ⋅ R02i
(
)
Napięcie uziemionej obudowy względem ziemi Uz (spadek napięcia na rezystancji
uziemienia) będzie równe napięciu rażeniowemu, czyli
U z = I zu ⋅ Rzu ≈ I rzu ⋅ Rc
Ponieważ prąd jednofazowego zwarcia w sieciach IT jest względnie mały (w sieciach
górniczych do 1000 V nie osiąga 1 A), możliwe jest spełnienie warunku
RA ⋅ I a ≤ U L
gdzie: RA - suma rezystancji uziomu i przewodu ochronnego łączącego uziom z częścią
przewodzącą dostępną (rezystancja uziemienia),
33
Ia - prąd pojedynczego zwarcia między przewodem fazowym a częścią
przewodzącą dostępną (prąd ziemnozwarciowy),
UL - napięcie dotykowe dopuszczalne długotrwale.
Warunek ten nie będzie spełniony w przypadku wystąpienia podwójnego zwarcia
z ziemią, na przykład w przypadku uszkodzenia izolacji dwóch różnych faz w dwóch
różnych urządzeniach. W takich przypadkach należy zapewnić odpowiednio szybkie
wyłączenie zasilania przez właściwe zabezpieczenia zwarciowe.
Możliwość występowania podwójnych zwarć z ziemią praktycznie uniemożliwiają
stosowanie w sieci kopalnianej sieci zabezpieczenia upływowe.
4.6. Negatywne skutki doziemień
Pierwsze doziemienie w sieciach pracujących z uziemionym punktem neutralnym
(układ TN) wywołane uszkodzeniem izolacji powoduje przepływ dużego prądu
ograniczonego jedynie rezystancją uziomu i rezystancją miejsca uszkodzenia, jeżeli prąd
ten jest większy od prądu zadziałania bezpiecznika, następuje nagła i nieprzewidziana
przerwa w zasilaniu, czemu zwykle towarzyszą nieplanowane, często znaczne koszty
dodatkowe. Duże prądy doziemieniowe grożą porażeniem ludzi i uszkodzeniem
kosztownych nieraz urządzeń. Z tego powodu w sieci TN stosuje się uziomy o niskiej
rezystancji co, jest kosztownym i często trudnym do realizacji przedsięwzięciem. Z kolei,
jeżeli prąd doziemienia jest ograniczony przez dostatecznie wysoką rezystancję doziemną
i bezpiecznik nie zadziała, pojawia się zagrożenie pożarowe.
W sieciach izolowanych (układ IT) przy pierwszym doziemieniu wywołanym
uszkodzeniem izolacji płynie prąd, który jest ograniczony całkowitą pojemnością
aktywnych części sieci względem ziemi, rezystancją miejsca uszkodzenia oraz
rezystancją uziemienia. Wartość pojemności zwykle nie przekracza pojedynczych
mikrofaradów
i tylko w specyficznych warunkach (bardzo rozległe sieci przemysłowe, rozbudowane
instalacje pokładowe dużych jednostek pływających, rozległe sieci kopalniane czy
zastosowanie falowników) może dochodzić do kilkudziesięciu, a nawet kilkuset
mikrofaradów.
Z powodu małej wartości doziemnego prądu pojemnościowego zabezpieczenia
nadprądowe zwykle nie działają i sieć mimo pełnego doziemienia może być nadal
34
eksploatowana. Zagrożenie porażeniowe i pożarowe jest dużo mniejsze niż w sieci TN
i TT, w związku z tym można zastosować uziomy o wyższych wartościach rezystancji.
Po pierwszym doziemieniu sieć IT przekształca się w sieć uziemioną TN lub TT,
a więc drugie doziemienie nieuchronnie prowadzi do wyłączenia sieci z pełnymi tego
faktu konsekwencjami.
4.7. Przykłady sposobów kontroli rezystancji izolacji doziemnej
Urządzenia do kontroli stanu izolacji mogą być budowane jako jednostopniowe
z sygnalizacją lub wyłączaniem sieci uszkodzonej, lub dwustopniowe z sygnalizacją
stanu zagrożenia oraz wyłączaniem sieci uszkodzonej. W podziemiach kopalń stosowane
są urządzenia (centralne zabezpieczenia upływowe) jednostopniowe - powodujące
wyłączenie chronionej sieci przy asymetrycznym lub symetrycznym zmniejszeniu się
rezystancji izolacji doziemnej poniżej nastawionej wartości.
Oprócz zabezpieczeń upływowych centralnych, tzn. kontrolujących stan izolacji całej
sieci połączonej galwanicznie, stosowane są także zabezpieczenia upływowe odcinkowe
reagujące na uszkodzenia izolacji doziemnej w stanie beznapięciowym w zakresie
ograniczonym do jednej części („odcinka") sieci, tzw. blokujące zabezpieczenia
upływowe. Działanie ochronne blokującego zabezpieczenia upływowego polega
na uniemożliwieniu nieświadomego włączenia napięcia roboczego w razie uszkodzenia
izolacji chronionego odpływu. Współpracują one z łącznikami zabezpieczeniowymi
manewrowymi i zwykle stanowią dodatkowy podzespół elektrycznego wyposażenia
łącznika.
Rys. 1. Schemat ideowy zestawu transformatorowego typu ZZT-04 z zabudowanym
centralnym zabezpieczeniem upływowym typu RRgx-04.
Rys. 2. Schemat ideowy zestawu transformatorowego typu ZZT-05 z zabudowanym
centralnym zabezpieczeniem upływowym typu UC-1.1.
Rys. 3. Schemat ideowy zestawu zasilającego typu ZZN-05 z zabudowanym
blokującym zabezpieczeniem upływowym typu UKS-6.1.
4.8. Metody kontroli stanu izolacji
35
Do monitoringu stanu izolacji w sieciach systemu IT wykorzystuje się przekaźniki
kontroli stanu izolacji w postaci centralnych i blokujących zabezpieczeń pływowych.
Ich zadaniem jest ciągły pomiar rezystancji między aktywnymi częściami sieci a ziemią,
który polega na przyłożeniu odpowiedniego napięcia pomiarowego i analizie
wynikającego stąd prądu testującego - jest to tzw. metoda czynna pomiaru. Stosowana
jeszcze do dzisiaj metoda bierna, bazująca na wykrywaniu zmiany symetrii rozkładu
napięć w wyniku doziemienia, jest niewrażliwa na doziemienia symetryczne,
a stosowanie jej nie zapewnia podanie wartości rezystancji izolacji. Dlatego obecne
normy
dopuszczają
stosowanie
jedynie
przekaźników
kontroli
stanu
izolacji
wykorzystujących metodę czynną.
Metody pomiaru polegają głównie na podaniu do połączonego obwodu sygnału
napięciowego. Wymuszony w ten sposób prąd niesie informację o rezystancji izolacji tej
sieci. Główne różnice polegają na rodzaju sygnału napięciowego oraz sposobie
przetwarzania prądu zarejestrowanego jako odpowiedź obwodu.
W urządzeniach automatycznej kontroli stanu izolacji (zabezpieczeniach upływowych)
stosowanych w górniczych sieciach IT wykorzystuje się zazwyczaj zasadę pomiaru
rezystancji metodą techniczną prądem stałym.
Urządzenie kontroli stanu izolacji ze źródłem prądu stałego (zwykle wyprostowanego),
włączane jest do sieci prądu przemiennego przez punkt neutralny (gwiazdowy
transformatora) lub przez sztuczny punkt neutralny. Obwody pomiarowe urządzeń
nadzorujących izolację przyłącza się między określone części czynne sieci izolowanej,
czyli poszczególne przewody, a potencjał ziemi.
O możliwościach zastosowania danego zabezpieczenia upływowego w konkretnej
instalacji decyduje zastosowana metoda pomiarowa. Podczas pomiaru należy uwzględnić
pewne zjawiska zakłócające występujące w kontrolowanej sieci, m.in. składowe stałe
napięć
w
sieci,
Wykorzystywanie
pojemności
doziemne,
przekształtników
zmiany
napięcia
energoelektronicznych
i
częstotliwości.
powoduje
szczególne
nasilenie wymienionych zjawisk. Ich wpływ można wyeliminować stosując odpowiednią
metodę
pomiarową
i wynikający z jej algorytmu kształt napięcia pomiarowego. W najprostszym przypadku
jest to napięcie stałe. Jednak takie rozwiązanie powoduje, że takie zabezpieczenie może
być stosowane jedynie w czystych sieciach prądu przemiennego.
36
W przypadku sieci napięcia przemiennego, najprostszą i najpowszechniej stosowaną
metodą jest dodanie składowej stałej napięcia. W ten sposób, w obwodzie: urządzenie
pomiarowe-sieć IT-ziemia-urządzenie pomiarowe płynie prąd wymuszony przez
tą składową. Prąd ten jest mierzony i po odfiltrowaniu składowych zmiennych, które
mogą się w nim pojawić, jest wykorzystany do wyznaczenia rezystancji izolacji
nadzorowanego obwodu.
Jeżeli do sieci dołączony zostanie prostownik i po stronie stałoprądowej wystąpi
doziemienie, to do sieci przedostanie się składowa stała napięcia, która wpływa
na napięcie pomiarowe. Jeżeli napięcia się zsumują, wtedy doziemienie zostanie
zasygnalizowane zbyt wcześnie, jeżeli się odejmą - zbyt późno lub wcale. Z tego względu
zabezpieczenia upływowe wykorzystujące napięcie pomiarowe stałe nie mają
zastosowania w sieciach prądu stałego, a więc na przykład w typowych sieciach
zabezpieczeniowych stosowanych w energetyce i przemyśle. Także w przetwornicach
częstotliwości energia przekształcana jest za pośrednictwem bloku DC, mogącego,
w przypadku uszkodzenia izolacji, być źródłem napięcia stałego o wysokiej wartości.
Dlatego w instalacjach napędowych zawierających popularne zasadne jest stosowanie
przekaźników kontrolujących stan izolacji, które są niewrażliwe na składowe stałe.
Jeśli w grę wchodzi napięcie stałe sieci, wyprostowane, przemienne ze składową stałą lub
znaczną zawartością wyższych harmonicznych, to najczęściej stosuje się wymuszenie
w postaci impulsów o przeciwnej polaryzacji. Pod wpływem takiego wymuszenia
w obwodzie pomiarowym płynie prąd o wartości wynikającej z nałożenia się napięcia
sieci i napięcia testowego. W bloku obliczeniowym dokonuje się następnie
wyselekcjonowania tej części prądu, która jest odpowiedzią systemu tylko na sygnał
testowy.
Kolejnym zjawiskiem utrudniającym przeprowadzenie pomiaru jest pojemność doziemna
sieci kontrolowanej. Pewna część prądu sieci i prądu pomiarowego przepływa przez
te pojemności. W krajowych zabezpieczeniach upływowych, zgodnie z właściwymi
normami, jako parametr oceny stanu izolacji przyjmuje się wartość rezystancji, a nie całej
impedancji izolacji. Dlatego w czasie pomiaru należy rozpatruje się jedynie część czynną
prądu upływającego przez izolację. Zastosowana metoda pomiarowa powinna w swoim
algorytmie uwzględniać fakt powstawania prądu pojemnościowego i poprawnie zmierzyć
rezystancję izolacji w szerokim zakresie wartość pojemności doziemnej sieci
kontrolowanej. Rozpatrując energoelektroniczne układy przekształtnikowe należy
37
pamiętać, że powszechnie stosowane filtry przeciwzakłóceniowe wykorzystują
kondensatory połączone do ziemi. Dlatego nawet stosunkowo mała sieć z wieloma
przekształtnikami wyposażonymi w filtry może mieć dużą pojemność doziemną.
Czynnikiem zakłócającym pomiar są zmiany napięcia i częstotliwości w sieci
kontrolowanej.
Zjawisko
to
jest
istotne
zwłaszcza
w
przypadku
układów
przekształtnikowych, wprowadzających szczególnie dużo zakłóceń do sieci. Wpływają
one niekorzystnie na układy pomiarowe zabezpieczeń upływowych i wymagają
filtrowania prądu pomiarowego, zwykle mającego niewielką wartość. Istotne są
zwłaszcza zakłócenia o wysokich częstotliwościach lub częstotliwościach bardzo niskich
na poziomie kilku herców. Wymaganie odporności zabezpieczenia upływowego
na składową stałą i niezależność pomiaru od pojemności doziemnej sieci najłatwiej
uzyskać stosując zmienne napięcie pomiarowe. Może się jednak okazać, że okresowe
wahania napięcia sieci mogą mieć tę samą częstotliwość, co zmienne napięcie
pomiarowe, powodując zjawisko rezonansu i, co za tym idzie, błędne odczyty. Algorytm
pomiarowy takiego zabezpieczenia upływowego musi uwzględniać mechanizmy „obrony" przed takimi sytuacjami.
5.
Przegląd i analiza porównawcza wybranych zabezpieczeń upływowych
5.1. Centralne zabezpieczenie upływowe typu RRgx produkcji EMAG - Katowice
(opis, dane techniczne, fotografia, schemat aplikacyjny)
5.2. Przekaźnik kontrolno sterujący typu UKS-6.1 produkcji ELEKS - Głogów
(opis, dane techniczne, fotografia, schemat aplikacyjny)
5.3. Przekaźnik typu PM-2 produkcji INVERTIM – Warszawa
(opis, dane techniczne, fotografia, schemat aplikacyjny)
5.4. Centralne zabezpieczenie upływowe typu RRgx produkcji ZEG - Tychy
(opis, dane techniczne, fotografia, schemat aplikacyjny)
5.5. Centralne zabezpieczenie upływowe typu UC-1.1. produkcji ELEKS - Głogów
(opis, dane techniczne, fotografia, schemat aplikacyjny)
5.6. Przekaźnik typu (….) produkcji Alfa Remont - Lubin
(opis, dane techniczne, fotografia, schemat aplikacyjny)
6.
Dydaktyczne stanowisko laboratoryjne do przeprowadzania badań blokującego
zabezpieczenia upływowego typu UKS-6.1. (do uzupełnienie)
7.
Koncepcja ćwiczenia laboratoryjnego (do uzupełnienia)
PODSUMOWANIE
38
Jedną z charakterystycznych cech współczesnych zakładów górniczych jest
nagromadzenie różnego rodzaju złożonych urządzeń technicznych, w tym elektrycznych,
stosowanych w procesach bezpośrednio produkcyjnych oraz innych procesach i ogniwach
struktury kopalni. Istotnym czynnikiem, decydującym zwykle o wydobyciu, jest rozwój
mechanizacji, co wiąże się ściśle ze wzrostem zapotrzebowania mocy i energii. Wzrost
ten obejmuje zarówno urządzenia i maszyny na powierzchni, jak i w podziemiach kopalń.
Podstawową postacią energii stosowanej do zasilania urządzeń kopalnianych jest energia
elektryczna. Energia powietrza sprężonego oraz energia hydrauliczna, użytkowane
w ograniczonym zakresie i do celów specjalnych, są postaciami uzyskiwanymi z
urządzeń
o napędzie elektrycznym.
W odróżnieniu od większości sieci powierzchniowych w podziemnych wyrobiskach
zakładów górniczych szerokie zastosowanie znajduje sieć typu IT. Niskonapięciowe
układy sieciowe IT stosuje się w dwóch celach:
•
zapewnienia wysokiej niezawodności zasilania odbiorów - warunkowo dopuszcza
się możliwość pracy awaryjnej układu sieciowego po wystąpieniu pierwszego
zwarcia doziemnego,
•
zapewnienia wysokiej skuteczności ochrony przeciwporażeniowej przy dotyku
pośrednim - zasilanie urządzeń jest wyłączane po wystąpieniu pierwszego zwarcia
doziemnego, a przy dodatkowym zastosowaniu blokujących zabezpieczeń
upływowych wykluczone jest załączenie odcinków sieci o pogorszonym stanie
izolacji.
Cechami wyróżniającymi ten układ sieciowy są przede wszystkim: izolowany punkt
neutralny transformatora zasilającego oraz układ kontroli stanu izolacji kontrolujący
w sposób ciągły rezystancję izolacji całej galwanicznie połączonej sieci.
Podstawowa różnica między sieciami uziemionymi (TN i TT) a sieciami izolowanymi
(IT) polega na relacji między siecią a ziemią. W sieciach TN i TT jeden punkt jest
połączony z ziemią (najczęściej jest to punkt neutralny), natomiast w sieci IT wszystkie
aktywne części są od ziemi odizolowane lub jeden punkt połączony jest z ziemią przez
impedancję.
Z tych właśnie różnic wynika bardzo ważny fakt, a mianowicie, droga, jaką zamyka się
ścieżka prądu doziemnego. W przypadku sieci uziemionych następuje to poprzez prze39
wód PE i rezystancję uziemienia, w sieciach IT może nastąpić wyłącznie przez
pojemności doziemne całości instalacji. W związku z tym w sieciach IT występują małe,
zależne
od ich pojemności, prądy doziemne, których wartości przy jednofazowych zwarciach
doziemnych nie powodują zadziałania zabezpieczeń przetężeniowych. Wynika z tego,
że w sieci IT jednofazowe zwarcie doziemne mogłoby pozostać niezauważone, co jest
stanem bardzo niepożądanym.
W celu eliminacji takich sytuacji ogromną rolę odgrywają zabezpieczenia upływowe,
które znalazły szerokie zastosowanie w kopalnianych sieciach IT.
Większość awarii w instalacjach elektrycznych rozpoczyna się od pogorszenia stanu
izolacji. Czasami jest to zjawisko nagłe, powstałe w wyniku pojedynczego, chwilowego
zdarzenia, jednak w znakomitej większości wypadków jest to wynik długotrwałego
oddziaływania wielu czynników stale pogarszających stan izolacji, a awaria występuje
dopiero po przekroczeniu jej dopuszczalnego poziomu. Sprzymierzeńcem służb
utrzymania ruchu są wtedy środki służące monitorowaniu zbliżającego się zagrożenia,
czyli wszelkie urządzenia i systemy monitorujące stan izolacji w czasie normalnej pracy
sieci.
W zależności od rodzaju sieci stosuje się różne kryteria oceny stanu izolacji. W sieciach
z izolowanym punktem neutralnym to kryterium jest naturalne - jest nim rezystancja
izolacji. Ponieważ sieć pracująca w systemie IT nie powinna mieć żadnych punktów
wspólnych z ziemią, wykrycie jakichkolwiek połączeń tego rodzaju wskazuje
jednoznacznie na pogorszenie stanu izolacji. Do tej oceny służą zabezpieczenia
upływowe. Ich zadaniem jest ciągły pomiar rezystancji izolacji w stanie pod napięciem
oraz wyłączenie lub sygnalizacja przy spadku jej wartości poniżej nastawionej dla
centralnych zabezpieczeń upływowych i pomiar rezystancji izolacji w stanie
beznapięciowym i blokowanie załączenia przy spadku wartości rezystancji izolacji
poniżej nastawionej dla blokujących zabezpieczeń upływowych.
Rola zabezpieczeń upływowych w funkcjonowaniu „kopalnianego krwioobiegu” jak
można nazwać niskonapięciową sieć IT, jest nieoceniona. W obecnej rzeczywistości
trudno wyobrazić sobie funkcjonowanie kopalń bez tych aparatów.
W ramach niniejszej pracy dyplomowej dodatkowo zostało opracowane i
wykonane dydaktyczne stanowisko laboratoryjne do przeprowadzania badań przekaźnika
40
kontrolno-sterującego typu UKS-6.1. Umożliwia ono przeprowadzenie ćwiczenia
laboratoryjnego, które pozwala na zapoznanie się z działaniem, podstawowymi funkcjami
oraz sposobem przeprowadzania prób wybranego zabezpieczenia upływowego.
Na stanowisku możliwe jest symulowanie doziemień oraz braku ciągłości obwodu
ochronnego, które spowodują zadziałanie poszczególnych członów zabezpieczeniowych.
Jednocześnie z uwagi na ograniczony czas przeprowadzania ćwiczenia, czynności
łączeniowe związane z podłączeniem i przygotowaniem stanowiska do pracy zostały
ograniczone do niezbędnego minimum, nie są bowiem potrzebne dodatkowe przyrządy
pomiarowe. Pozwala to w pełni skupić uwagę na wykonywanym ćwiczeniu, bez potrzeby
czasochłonnej analizy schematu elektrycznego. Stanowisko jest również bezpieczne
dzięki
zastosowaniu
transformatora
o
napięciu
wtórnym
24V,
eliminującym
niebezpieczeństwo porażenia użytkowników prądem elektrycznym. Przejrzysta i zwarta
budowa oraz stosunkowo niewielkie rozmiary czynią ze stanowiska mobilną i wygodną
pomoc dydaktyczną, która wymaga jedynie biurka i napięcia zasilającego, co
niewątpliwie stanowi ogromną zaletę. Czytelne przyciski sterownicze i elementy
sygnalizacyjne oraz wręcz intuicyjne zasady obsługi szczegółowo opisane w niniejszej
pracy sprawiają, że stanowisko nie powinno sprawiać większego kłopotu użytkownikom.
Opracowana koncepcja ćwiczenia laboratoryjnego z wykorzystaniem stanowiska pozwala
na przeprowadzenie szeregu prób i pomiarów, które w praktyczny sposób pomogą
zaznajomić się z zagadnieniami kontroli stanu izolacji realizowanej przez zabezpieczenie
upływowe. Pozytywne wyniki wszystkich badań testowych przeprowadzonych na
wykonanym stanowisku świadczą o poprawności jego działania i pełnej jego
przydatności do celów dydaktycznych.
Dyplomant wyraża nadzieję, że wykonane stanowisko laboratoryjne będzie stanowiło
wartościową pomoc dydaktyczną umożliwiającą uzupełnienie wiedzy teoretycznej w
zakresie automatyki zabezpieczeniowej i które w praktyczny sposób pozwoli na
pełniejsze zrozumienie tak ważnego zagadnienia jakim jest skuteczna kontrola stanu
izolacji w kopalnianych sieciach IT z izolowanym punktem neutralnym transformatora.
41