Prezentacja

Transkrypt

Prezentacja

Stanisław Czapp
[email protected]
Podstawy ochrony przeciwporażeniowej
w instalacjach z przekształtnikami energoelektronicznymi
Gdańsk, 20.01.2016
Normy
1. IEC/TS 60479-1:2005 Effects of current on human beings and livestock. Part 1: General
aspects.
2. IEC/TS 60479-2:2007 Effects of current on human beings and livestock. Part 2: Special
aspects.
3. PN-HD 60364-4-41:2009 – wersja polska. Instalacje elektryczne niskiego napięcia –
Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa – Ochrona przed porażeniem
elektrycznym.
4. PN-EN 61008-1:2013-05E – wersja angielska. Wyłączniki różnicowoprądowe bez
wbudowanego zabezpieczenia nadprądowego do użytku domowego i podobnego
(RCCB) – Część 1: Postanowienia ogólne.
5. PN-EN 62423:2013-06E – wersja angielska. Wyłączniki różnicowoprądowe typu F i typu
B z wbudowanym zabezpieczeniem nadprądowym i bez wbudowanego zabezpieczenia
nadprądowego do użytku domowego i podobnego.
6. PN-EN 50178:2003 – wersja polska. Urządzenia elektroniczne do stosowania
w instalacjach dużej mocy.
7. PN-EN 61800-5-1:2007 – wersja angielska. Elektryczne układy napędowe mocy
o regulowanej prędkości – Część 5-1: Wymagania dotyczące bezpieczeństwa –
Elektryczne, cieplne i energetyczne.
2
Skutki rażenia prądem
Główne czynniki wpływające na skutki rażenia prądem elektrycznym:
• wartość prądu rażeniowego i czas jego przepływu,
• kształt przebiegu i częstotliwość prądu rażeniowego,
• droga przepływu prądu przez ciało człowieka.
Dawniej analizowano skutki rażenia przy dwóch typowych przebiegach prądu:
przemiennym sinusoidalnym (o częstotliwości 50 lub 60 Hz) i stałym
o pomijalnym tętnieniu.
Od kilkunastu lat stosuje się na szeroką skalę przekształtniki energoelektroniczne
i kształt przebiegu prądu ziemnozwarciowego może być rozmaity. Powoduje to
trudności z oceną zagrożenia porażeniowego i skuteczności ochrony
przeciwporażeniowej.
3
Skutki rażenia prądem przemiennym sinusoidalnym
a
c1 c2 c3
b
10000
5000
AC-4.1
AC-4.2
AC-4.3
1000
500
[ms]
Czas przepływu prądu
2000
AC-1
AC-3
AC-2
AC-4
200
100
Pierwotne kryteria bezpieczeństwa przy urządzeniach prądu
przemiennego 15–100 Hz – bezpośrednie skutki rażenia na
drodze lewa ręka – stopy
50
20
10
0,1
0,2
0,5
1
2
5
10
20
50
100 200
500 1000 2000 5000 10000
Prąd rażeniowy
[mA]
Oznaczenie
Granice strefy
strefy
AC-1
do 0,5 mA, linia a
AC-2
0,5 mA do linii b
4
AC-3
linia b do krzywej c1
AC-4
powyżej krzywej c1
AC-4.1
AC-4.2
AC-4.3
c1 – c2
c2 – c3
powyżej krzywej c3
Skutki fizjologiczne
Zwykle brak reakcji.
Zwykle brak szkodliwych skutków fizjologicznych.
Zwykle
brak
uszkodzeń
organicznych
(somatycznych).
Prawdopodobieństwo pojawienia się skurczu mięśni i trudności przy
oddychaniu. Odwracalne zakłócenia pracy serca. Możliwe przejściowe
zatrzymanie akcji serca.
Wzrastające niebezpieczeństwo skutków patofizjologicznych takich jak
zatrzymanie pracy serca, zatrzymanie oddychania, poważne oparzenia.
Prawdopodobieństwo migotania komór serca wzrastające do około 5%.
Prawdopodobieństwo migotania komór serca wzrastające do około 50%.
Prawdopodobieństwo migotania komór serca powyżej 50%.
Skutki rażenia prądem stałym
a
10000
c1 c2 c3
b
5000
DC-4.1
DC-4.2
DC-4.3
1000
500
[ms]
Czas przepływu prądu
2000
DC-1
DC-3
DC-2
DC-4
200
100
50
Pierwotne kryteria bezpieczeństwa przy urządzeniach
prądu stałego – bezpośrednie skutki rażenia na drodze
lewa ręka – stopy, prąd wstępujący
20
10
0,1
0,2
0,5
1
2
5
10
20
50
100 200
500 1000 2000 5000 10000
Prąd rażeniowy
[mA]
Oznaczenie
strefy
5
Granice strefy
DC-1
do 2 mA, linia a
DC-2
2 mA, do linii b
DC-3
linia b do krzywej c1
DC-4
powyżej krzywej c1
DC-4.1
DC-4.2
DC-4.3
c1 – c2
c2 – c3
powyżej krzywej c3
Skutki fizjologiczne
Zwykle brak reakcji. Lekkie kłucie przy załączaniu i wyłączaniu prądu
lub przy szybkiej zmianie wartości prądu.
Zwykle brak szkodliwych skutków fizjologicznych. Skurcz mięśni przy
załączaniu i wyłączaniu prądu.
Zwykle brak uszkodzeń organicznych (somatycznych). Wzrost wraz
z wartością prądu i czasu możliwych, odwracalnych zakłóceń
w powstawaniu i przewodzeniu bodźców w sercu.
Wzrastające niebezpieczeństwo skutków patofizjologicznych takich jak
zatrzymanie pracy serca, zatrzymanie oddychania, poważne oparzenia.
Prawdopodobieństwo migotania komór serca wzrastające do około 5%
Prawdopodobieństwo migotania komór serca wzrastające do około 50%
Prawdopodobieństwo migotania komór serca powyżej 50%
Skutki rażenia prądem odkształconym
Analizowane przebiegi:
• przemienny sinusoidalny o częstotliwości wyższej niż 100 Hz,
• przemienny odkształcony (zawierający wyższe harmoniczne),
• półfalowy,
• wyprostowany dwupołówkowo,
• dwukierunkowy symetryczny o różnym kącie opóźnienia,
• niesymetryczny o różnym kącie opóźnienia.
• superpozycja prądu przemiennego sinusoidalnego i prądu stałego o pomijalnym
tętnieniu.
6
Prąd przemienny sinusoidalny o częstotliwości wyższej niż 100 Hz
Częstotliwość z zakresu 100–1000 Hz
15
Kf
migotania
próg fibrylacji
13
próg odczuwania
11
granica samouwolnienia
9
7
5
3
2
1
50
100
1000
f [Hz]
Zależność od częstotliwości współczynnika przeliczeniowego Kf określającego próg odczuwania
i próg migotania komór serca oraz granicę samouwolnienia
Częstotliwość najmniejszy wpływ ma na granicę samouwolnienia, nieco większy na próg
odczuwania, a najbardziej zmienia się najistotniejszy parametr – próg migotania komór serca.
Jeżeli założyć, że przy częstotliwości 50 Hz lub mniejszej niebezpieczne dla człowieka są
długotrwale płynące prądy o wartości powyżej 30 mA, to przy częstotliwości 1000 Hz próg ten
7
przesuwa
się do wartości około 420 mA.
Prąd przemienny sinusoidalny o częstotliwości wyższej niż 100 Hz
Częstotliwość z zakresu 1–10 kHz
f [kHz]
8
Granica samouwolnienia
Współczynnik przeliczeniowy
Współczynnik przeliczeniowy
Próg odczuwania
f [kHz]
Próg migotania komór serca – dla częstotliwości prądu większych niż 1000 Hz brak jest danych
Wstępnie przyjmuje się, że skutki są takie same jak dla 1000 Hz
Prąd przemienny zawierający wyższe harmoniczne
Wykorzystuje się krzywą z rys. oznaczoną „próg migotania”. Znając udział
poszczególnych harmonicznych w przebiegu prądu, należy dla każdej
składowej określić współczynnik przeliczeniowy Kf. Pozwala to na obliczenie
prądu zastępczego Izast o częstotliwości 50 Hz, równoważnego ze względu
na zagrożenie migotaniem komór serca. Wartość prądu zastępczego
wyznacza się z zależności:
15
 Ih

=
h =1  K f
n
I zast
∑



Kf
2
próg fibrylacji
migotania
13
próg odczuwania
11
9
7
gdzie:
Ih – udział harmonicznej rzędu h,
Kf – współczynnik przeliczeniowy.
5
3
2
1
50
100
1000
f [Hz]
Należy podkreślić, że jest to tylko zgrubne oszacowanie progu migotania
komór serca, ponieważ powyższe obliczenie nie uwzględnia m.in. fazy
początkowej poszczególnych wyższych harmonicznych.
9
Prąd przemienny zawierający wyższe harmoniczne
i
i 1+3
0
10
0,005
0,01
t (s)
φ h1 = 0o
φ h3 = 0o
0,015
0,02
i
i 1+3
0
0,005
0,01
t (s)
φ h1 = 0o
φ h3 = 180o
0,015
0,02
Prąd półfalowy
Oceniając skutki rażenia prądem półfalowym należy brać pod uwagę czas rażenia
odniesiony do cyklu pracy serca. Wyróżnia się dwa przedziały:
•
•
rażenie w czasie krótszym niż 0,75 cyklu pracy serca,
rażenie w czasie dużym niż 1,5 cyklu pracy serca.
Dla każdego z tych przypadków można wyznaczyć zastępczy prąd sinusoidalny
50 Hz, który ze względu na migotanie komór serca wywoła identyczne skutki, co
prąd półfalowy o wartości szczytowej Im.
Izast1,5=
Im
2 2
Im
1I
2 m
Izast0,75=
Im
2
Przy 75 uderzeniach serca na minutę czas cyklu pracy serca wynosi około 0,8 s.
0,75 cyklu pracy serca trwa wtedy 0,6 s, a 1,5 cyklu pracy serca 1,2 s.
11
Prąd półfalowy
Jeżeli rażenie trwa krócej niż 0,75 cyklu pracy serca, to zastępczy prąd sinusoidalny
ma wartość szczytową Im (Izast0,75 na rys.) równą wartości szczytowej prądu
rzeczywiście płynącego. Zatem prąd półfalowy o wartości szczytowej 100 mA
(wartości skutecznej 50 mA) jest równie groźny jak prąd sinusoidalny o wartości
skutecznej I zast0,75 =
100
2
≈ 70 mA .
W przypadku czasów rażenia dłuższych niż 1,5 cyklu pracy serca, zastępczy prąd
sinusoidalny ma wartość szczytową Im/2 (Izast1,5 na rys.). Zatem uznaje się, że prąd
półfalowy o wartości szczytowej 100 mA jest równoważny prądowi sinusoidalnemu
o wartości skutecznej I zast1,5 =
100
2 2
=
50
2
≈ 35 mA .
UWAGA Prąd zastępczy o wartości 70 mA (dla rażenia krótszego niż 0,75 cyklu
pracy serca), może być mniej groźny niż prąd zastępczy o wartości 35 mA (dla
rażenia dłuższego niż 1,5 cyklu pracy serca).
12
Prąd wyprostowany dwupółówkowo
Przy przebiegu wyprostowanym dwupołówkowo obowiązują identyczne zasady, co przy
przebiegu półfalowym.
Dla czasów rażenia krótszych niż 0,75 cyklu pracy serca, prąd wartości szczytowej
100 mA (wartości skutecznej około 70 mA) wyprostowany dwupołówkowo jest
100
równoważny prądowi sinusoidalnemu o wartości skutecznej I zast0,75 = 2 ≈ 70 mA .
Dla
czasów
I zast1,5 =
100
2 2
=
rażenia
50
2
dłuższych
niż
1,5
cyklu
pracy
serca
otrzyma
się
≈ 35 mA
Izast1,5=
Im
2 2
Im
1I
2 m
Izast0,75=
Im
2
13
Prąd dwukierunkowy symetryczny o różnym kącie opóźnienia
W przypadku prądu przemiennego symetrycznego o różnym kącie opóźnienia,
istotny jest stosunek czasu rażenia do cyklu pracy serca oraz wartość kąta
opóźnienia. Podobnie jak dla prądu półfalowego, uwzględnia się czasy rażenia
krótsze niż 0,75 cyklu pracy serca oraz dłuższe niż 1,5 cyklu pracy serca.
α = 60o
Przy czasach rażenia krótszych niż 0,75
cyklu pracy serca, zastępczy prąd
sinusoidalny ma tę samą wartość szczytową,
co prąd odkształcony (rys.). Jeżeli płynie
prąd o wartości szczytowej 100 mA i kącie
opóźnienia α ≤ 90°, to zastępczy prąd
sinusoidalny
ma
wartość
skuteczną
α = 150o
Im60
Im150
α
α
I zast0,75 =
100
2
≈ 70 mA .
Przy czasach rażenia dłuższych niż 1,5
cyklu pracy serca, zastępczy prąd
sinusoidalny ma tę samą wartość skuteczną,
co rozpatrywany prąd odkształcony. Zatem
prądowi o wartości szczytowej 100 mA i
kącie
opóźnienia
α = 90° odpowiada
zastępczy prąd sinusoidalny o wartości
skutecznej I zast1,5 =
Izast0,75= Irms przebiegu sinusoidalnego o tej samej wartości szczytowej, co przebieg odkształcony
Izast1,5= Irms przebiegu odkształconego
14
100 1
2
2
=
100
= 50 mA .
2
Dla czasów rażenia od 0,75 do 1,5 cyklu
pracy serca prąd zastępczy przyjmuje
pośrednie wartości.
Prąd niesymetryczny o różnym kącie opóźnienia
Podano sposób obliczania zastępczego prądu sinusoidalnego tylko dla czasów
rażenia krótszych niż 0,75 cyklu pracy serca.
Podobnie jak przy prądzie symetrycznym o różnym kącie opóźnienia, zastępczy prąd
sinusoidalny ma tę samą wartość szczytową, co prąd odkształcony (rys.).
Przy kątach opóźnienia prądu większych od 120°, próg migotania komór serca
przesuwa się w kierunku większych wartości prądu.
α = 150o
α = 60o
Im60
Im150
α
15
α
Izast0,75= Irms przebiegu sinusoidalnego o tej samej wartości szczytowej, co przebieg odkształcony
Superpozycja prądu przemiennego sinusoidalnego i prądu stałego
o pomijalnym tętnieniu
Jeżeli przebieg prądu nie zawiera składowej
stałej, to migotanie może wywołać prąd
sinusoidalny o wartości szczytowej Im
(międzyszczytowej 2Im) Im większy udział
składowej stałej, tym prąd jest bardziej
niesymetryczny względem osi czasu.
Wprawdzie wzrasta wartość szczytowa
jednej półfali, ale równoważny prąd
sinusoidalny,
który
może
wywołać
migotanie,
nadal
charakteryzuje
się
wartością międzyszczytową 2Im (od -Im+IDC
do Im+IDC).
Jeżeli składowa sinusoidalna ma wartość
szczytową Im = 100 mA (wartość skuteczną
100/ 2 ≈ 70 mA), to przy udziale składowej
stałej od 0 do 100 mA wartość zastępczego
prądu sinusoidalnego nie zmienia się i
wynosi około 70 mA.
Prąd wypadkowy (AC+DC) [mA]
O progu migotania komór serca w zasadzie
decyduje składowa sinusoidalna.
2Im
2Im
2Im
0
0
0
2Im
Im + IDC
Im - wartość szczytowa przebiegu
sinusoidalnego
Im
0
Im
IDC - składowa stała
-Im + IDC
0
-Im
Im
2Im
Udział składowej stałej [mA]
Zależności z rys. dotyczą raczej dłuższych czasów rażenia, co najmniej kilka sekund. Dla krótkich czasów
rażenia, mniejszych niż 0,75 cyklu pracy serca, zastępczy prąd sinusoidalny ma tę samą wartość szczytową, co
prąd rozpatrywany.
Przy bardzo dużym udziale składowej stałej i pomijalnym tętnieniu można korzystać z pierwotnych kryteriów
bezpieczeństwa dla prądu stałego.
16
Samoczynne wyłączanie zasilania
17
18
19
Prąd wyłączający
C16
1
Ia = 160 A
C16
30 mA
typ A
2
Ia = 60 mA
gG25
3
M
Ia = 180 A
M
Ia = 100 mA
100 mA
typ AC
gG25
4
20
Prądy stałe
i
i
t
t
i
i
t
t
i
i
t
t
21
Prostowniki
Przebieg prądu różnicowego w obwodach różnych prostowników
Lp.
Rodzaj prostownika
Układ połączeń
1
Przebieg prądu różnicowego
i∆
iB
L
Prostownik jednopulsowy
i∆
t
N
i∆
2
3
Prostownik dwupulsowy
półsterowany
Prostownik jednopulsowy
z filtrem prądu stałego
L
iB
N
i∆
t
i∆
iB
L
αop
i∆
t
N
4
Prostownik dwupulsowy
niesterowany zasilany
napięciem
międzyprzewodowym
i∆
L1
L2
iB
i∆
t
i∆
5
22
Prostownik trójfazowy
sześciopulsowy
niesterowany
L1
L2
L3
iB
iB
iB
i∆
t
Prostowniki
Samoczynne wyłączanie zasilania – wykorzystanie zabezpieczeń nadprądowych
O pobudzeniu wyzwalacza elektromagnetycznego wyłączników nadprądowych
decyduje wartość…
szczytowa prądu. W obwodzie prądu przemiennego
wyłączający wyłącznika nadprądowego C20 wynosi:
sinusoidalnego
prąd
Ia = 10×20 = 200 A (wartość skuteczna).
Dla spełnienia warunku samoczynnego wyłączania zasilania powinien popłynąć prąd
zwarciowy o wartości skutecznej co najmniej 200 A. Jeżeli ten sam wyłącznik jest
zastosowany w obwodzie prądu stałego o pomijalnym tętnieniu, to dla spełnienia
warunku samoczynnego wyłączania zasilania powinien popłynąć prąd o wartości co
najmniej 2 ×200 ≈ 282 A.
W przypadku bezpieczników zmieniają się czasy łukowe (w odniesieniu do prądu
przemiennego), a to ma wpływ na czas wyłączania zwarcia, który nie powinien być
dłuższy niż to określa norma PN-HD 60364-4-41:2009. Należy więc korzystać
z charakterystyk czasowo-prądowych dla prądu stałego.
23
Prostowniki
Wykorzystanie wyłączników różnicowoprądowych
PE
L1 L2 L3 N
PP
T
Is
Es
RT
UE
I∆ = Ip
Wyłączniki typu AC i typu A
24
Prostowniki
Wykorzystanie wyłączników różnicowoprądowych
a)
b)
+
L1 L2 L3 N
PE
F
I∆
3
2
4
L
1B
1A
If
R
∆U
1B
5
Budowa dwuprzekładnikowego wyłącznika różnicowoprądowego
o wyzwalaniu typu B:
a) układ połączeń; b) układ detekcji prądu stałego o pomijalnym tętnieniu
1A – przekładnik do wykrywania prądów różnicowych przemiennych
i pulsujących stałych, 1B – przekładnik do wykrywania prądów
różnicowych stałych o pomijalnym tętnieniu, 2 – zestyki główne,
3 – zamek, 4 – wyzwalacz różnicowy, 5 – układ elektroniczny
wykrywający prądy różnicowe stałe o pomijalnym tętnieniu
25
Transformacja prądu stałego przez przekładnik sumujący
ip
ip
is
is
t
t
ip
ip
is
is
?
t
t
ip
ip
t
26
is
is
?
t
Podział wyłączników różnicowoprądowych
Przydatność do wykrywania określonego kształtu przebiegu prądu różnicowego
Oznaczenie literowe
i symbol graficzny
Przebieg prądu różnicowego, przy którym jest zapewnione wyzwalanie wyłącznika
AC
− prąd przemienny sinusoidalny (na ogół 50/60 Hz)
A
− prąd przemienny sinusoidalny (na ogół 50/60 Hz),
− prąd pulsujący stały,
− prąd pulsujący stały ze składową wygładzoną 6 mA,
z ew. sterowaniem fazowym i niezależnie od biegunowości.
27
Właściwości przekładników
Przekładnik o pętli histerezy:
- prostokątnej Brem/Bsat > 0,9
- zaokrąglonej Brem/Bsat = 0,6 ÷ 0,7
28
Przekładnik o płaskiej pętli histerezy
Niska wartość Brem
Brem/Bsat < 0,5
29
a)
b)
B
B
∆B
Br
∆B
∆B
H
∆B
Br
Charakterystyczne przebiegi pętli histerezy: a) zaokrąglona; b) płaska.
Linia ciągła – kształt pętli histerezy przy prądzie różnicowym półfalowym
30
H
Wyłączniki różnicowoprądowe – próg zadziałania
a)
b)
150
90
90
c)
60
60
60
I [mA]
90
I [mA]
AC
I [mA]
120
30
30
30
0
0
0
sin
1p
sin
2p
przebieg prądu
sin
2p
60
60
30
0
30
0
sin
1p
przebieg prądu
2p
2p
f)
I [mA]
90
1p
przebieg prądu
e)
90
I [mA]
I [mA]
d)
A
1p
przebieg prądu
sin
1p
2p
700
600
500
400
300
200
100
0
sin
1p
2p
przebieg prądu
przebieg prądu
Prąd zadziałania wybranych wyłączników różnicowoprądowych dla różnych kształtów przebiegu prądu
różnicowego: sin – przemienny sinusoidalny, 1p – półfalowy, 2p – z prostownika dwupulsowego. Dane
wyłączników:
a) I∆n = 30 mA, typ AC, krótkozwłoczny RCD7,
b) I∆n = 30 mA, typ AC, krótkozwłoczny RCD6,
c) I∆n = 30 mA, typ AC, bezzwłoczny RCD5,
d) I∆n = 30 mA, typ A, krótkozwłoczny RCD14,
e) I∆n = 30 mA, typ A, bezzwłoczny RCD18,
f) I∆n = 300 mA, typ A, selektywny, do przemienników częstotliwości RCD38
31
a)
b)
i∆
i∆
α ≥150
o
okres (360 )
α <150o
o
α
o
α
okres (360 )
Przykładowe przebiegi prądu różnicowego w obwodzie prostownika: a) jednopulsowego niesterowanego –
wyłącznik o wyzwalaniu typu A wykrywa; b) dwupulsowego niesterowanego, zasilanego napięciem
międzyprzewodowym – wyłącznik o wyzwalaniu typu A nie wykrywa prądu różnicowego
32
a)
b)
90
120
60
I [mA]
I [mA]
90
60
30
30
0
0
0
0
6 15 30 60 90 150
składowa stała [mA]
c)
I [mA]
I [mA]
30
60
90 150
d)
45
30
15
0
60
30
0
0
6 15 30 60 90 150
0
e)
I [mA]
75
50
25
0
0
6 15 30 60 90 150
f)
100
I [mA]
15
90
60
33
6
6 15 30 60 90 150
300
250
200
150
100
50
0
0
6 15 30 60 90 150
Prąd zadziałania (wartość skuteczna składowej
przemiennej sinusoidalnej) wyłączników
różnicowoprądowych przy prądzie różnicowym
przemiennym sinusoidalnym z nałożoną składową
stałą 0, 6, 15, 30, 60, 90, 150 mA.
Dane wyłączników:
a) I∆n = 30 mA, typ AC, krótkozwłoczny RCD7,
b) I∆n = 30 mA, typ AC, bezzwłoczny RCD5,
c) I∆n = 30 mA, typ A, krótkozwłoczny RCD14,
d) I∆n = 30 mA, typ A, bezzwłoczny RCD15,
e) I∆n = 100 mA, typ A, selektywny, do
przemienników częstotliwości RCD26,
f) I∆n = 300 mA, typ A, bezzwłoczny RCD34
Podział wyłączników różnicowoprądowych
B
lub
Nowy symbol
graficzny:
lub
34
− prąd przemienny sinusoidalny (na ogół 50/60 Hz),
− prąd przemienny sinusoidalny ze składową wygładzoną o wartości większej
spośród dwóch: 0,4I∆n i 10 mA,
− prąd pulsujący stały ze składową wygładzoną o wartości większej spośród
dwóch: 0,4I∆n i 10 mA,
− prąd stały z układów prostowniczych, tj.:
- z prostownika dwupulsowego zasilanego napięciem międzyprzewodowym
w przypadku wyłączników 2-, 3- i 4-biegunowych,
- z prostownika trójpulsowego (układ gwiazdy) albo z prostownika sześciopulsowego w przypadku wyłączników 3- i 4-biegunowych,
− prąd stały wygładzony,
z ew. sterowaniem fazowym i niezależnie od biegunowości.
W dokumencie z roku 2008 [*] pojawiło się dodatkowe wymaganie:
− prąd przemienny sinusoidalny o częstotliwości nieprzekraczającej 1000 Hz.
W dokumencie z roku 2009 [**] zmieniono symbol graficzny i pojawiło się wymaganie dotyczące działania przy prądzie przemiennym zawierającym harmoniczne
(jak dla wyłączników typu F).
[*] IEC/TR 60755:2008 General requirements for residual current operated protective devices. 2nd edition.
[**] IEC 62423:2009 Type F and type B residual current operated circuit-breakers with and without integral overcurrent protection for household and
similar uses.
Sterowanie fazowe symetryczne – próg zadziałania
wyłączników różnicowoprądowych
a)
b)
i∆
iB
L
i∆
α
t
N
Układ sterowania fazowego symetrycznego (a) i przebieg prądu różnicowego (b); α – kąt opóźnienia
prądu różnicowego
35
Sterowanie fazowe symetryczne – próg zadziałania
wyłączników różnicowoprądowych
a)
b)
IRMS
Imax
IRMS
200
150
50
I [mA]
150
100
I [mA]
I [mA]
c)
IRMS
Imax
100
50
0
0
0
45
90
135
kąt opóźnienia prądu [ o]
0
45
90
135
kąt opóźnienia prądu [o]
Imax
300
250
200
150
100
50
0
0
45
90
135
kąt opóźnienia prądu [ o]
Prąd zadziałania wyłączników różnicowoprądowych 100 mA dla różnych kątów opóźnienia prądu
różnicowego. Dane wyłączników:
a) typu AC, bezzwłoczny RCD22,
b) typu AC, krótkozwłoczny RCD23,
c) typu A, selektywny RCD25
O pobudzeniu wyzwalacza wyłącznika różnicowoprądowego decyduje wartość szczytowa prądu
płynącego przez wyzwalacz. Przy kącie opóźnienia prądu równym 90° lub 135° niektóre
wyłączniki wyzwalają przy wartości skutecznej prądu wyraźnie mniejszej niż 0,5I∆n. Należy mieć
to na uwadze, gdyż poprawnie dobrany wyłącznik różnicowoprądowy do przebiegu
pełnofalowego może zbędnie wyzwalać przy dużym kącie opóźnienia prądu różnicowego.
36
Pośrednie przemienniki częstotliwości
L1
L2
M
I∆ >
L3
dotyk bezpośredni
PE
dotyk pośredni
37
Bezpiecznik jako urządzenie samoczynnie wyłączające zasilanie
L1
L2
prostownik
L3
obwód
pośredniczący
falownik
?
PE
Przy zwarciu doziemnym w obwodzie wyjściowym falownika, w obwodzie
zasilającym płynie prąd symetryczny, nie można więc liczyć na
zadziałanie bezpiecznika
38
M
Ochrona przeciwporażeniowa przez samoczynne wyłączanie zasilania powinna być
realizowana na tych samych zasadach, co w obwodach bez przekształtników, i jest
skuteczna, jeżeli po wystąpieniu zwarcia L-PE:
• następuje wyłączenie zasilania w wymaganym czasie lub
• nie są przekroczone napięcia dotykowe dopuszczalne długotrwale.
Można ewentualnie liczyć na zabezpieczenia wewnątrz przekształtnika, ale...
Zabezpieczenia te są umieszczone po to, aby chronić przed skutkami cieplnymi
i elektrodynamicznymi elementy przekształtnika, a nie dla celów ochrony
przeciwporażeniowej. W razie zwarcia przez niewielką rezystancję następuje
blokowanie zaworów, co skutkuje wyłączeniem napięcia wyjściowego
przekształtnika. Jednakże w odniesieniu do ochrony przy uszkodzeniu stan
blokowania zaworów przekształtnika nie jest uważany za samoczynne wyłączanie
zasilania w rozumieniu normy, bo nie tworzy galwanicznej przerwy w obwodzie.
39
Pozostaje zapewnienie odpowiednio małego napięcia dotykowego. Przy doziemieniu
spadek napięcia na przewodzie ochronnym pomiędzy przekształtnikiem a miejscem
gdzie są wykonane połączenia wyrównawcze nie powinien przekraczać napięcia
dotykowego dopuszczalnego długotrwale:
RPE ⋅ I a ≤ U L
gdzie:
UL – napięcie dotykowe dopuszczalne długotrwale,
Ia
– prąd wyłączający zabezpieczenia nadprądowego,
RPE – rezystancja przewodu ochronnego pomiędzy przekształtnikiem a połączeniami
wyrównawczymi.
40
Przeciążalność
Falownik 1 kW
5x max prąd roboczy do 1,6 ms
Falownik 500 kVA
3x max prąd roboczy do 4,25 ms
IGBT Module 5SNA 1200E330100
5000 A do 10 µs
GBT (CM400DY- 12H, 400 A / 600 V)
ok. 3x max prąd roboczy, µs
41
Prąd różnicowy (ziemnozwarciowy) w obwodzie wyjściowym przemiennika.
Częstotliwość PWM 3 kHz
Częstotliwość użytkowa 50 Hz
10 ms
10 ms
iEi(t)
E(t)
10 ms
iE(t)
0,5 A
0,5 A
50 Hz
3 kHz
0,1 A
0
2,5
5
7,5
10
12,5
[kHz]
15
17,5
20
22,5
0
25
3 kHz
150 Hz
0,1 A
0,5
1
1,5
10 ms
iE(t)
0,5 A
50 Hz
150 Hz
0,1 A
0
42
50
100
150
200
250 300
[Hz]
350 400
450 500
2
2,5
[kHz]
3
3,5
4
4,5
5
10 ms
iE(t)
10 ms
iE(t)
0,5 A
0,5 A
25 Hz
3 kHz
0,1 A
0
2,5
5
7,5
10
12,5 15
[kHz]
17,5
20
25
22,5
3 kHz
75 Hz
150 Hz
0,1 A
0
0,5
1,5
1
2
2,5
[kHz]
3
3,5
4
4,5
5
4,5
5
10 ms
iE(t)
0,5 A
25 Hz
75 Hz
0,1 A
0
50
100
150 Hz
150
200
250 300
[Hz]
350 400
450
500
43
10 ms
iE(t)
10 ms
iE(t)
0,5 A
0,5 A
3 kHz
0,1 A
1 Hz
150 Hz
0,1 A
0
2,5
5
7,5
10
12,5 15
[kHz]
17,5
20
22,5
0
25
0,5
3 kHz
1
1,5
2
450
500
10 ms
iE(t)
0,5 A
1 Hz
150 Hz
0,1 A
0
44
50
100
150
200
250 300
[Hz]
350 400
2,5
[kHz]
3
3,5
4
IRMS
0,3
0,25
IPWM
I [A]
0,2
IM
0,15
0,1
0,05
I150
0
0
10
20
30
40
50
f [Hz]
Zmiana udziału poszczególnych składowych prądu ziemnozwarciowego przy zwarciu
w obwodzie wyjściowym przemiennika dla różnych częstotliwości użytkowych (od 1 Hz do 50 Hz).
Częstotliwość PWM 3 kHz
45
a)
b)
10 ms
i (t)
10 ms
i (t)
E
E
0,5 A
0,5 A
1,66 kHz
6,66 kHz
0,1 A
0,1 A
0
2,5
5
7,5
10
12,5
[kHz]
15
17,5
20
22,5
25
0
5
10
15
20
25
[kHz]
30
35
40
45
50
Oscylogramy prądu ziemnozwarciowego iE(t) przy doziemieniu na zaciskach silnika i widmo
amplitudowe tego prądu.
Częstotliwość użytkowa 1 Hz, częstotliwość impulsowania: a) 1,66 kHz; b) 6,66 kHz
46
Pośrednie przemienniki częstotliwości – zasilanie jednofazowe
Przykładowy przebieg prądu ziemnozwarciowego przy jednofazowym zasilaniu przemiennika częstotliwości
47
Pośrednie przemienniki częstotliwości a RCD
a)
b)
RCD7
RCD6
RCD8
RCD9
RCD10
RCD19
I [mA]
150
RCD8
RCD9
RCD10
nie
wyzwalają
nawet
przy
5A
120
90
60
30
0
sin50Hz
50Hz+PWM 25Hz+PWM 1Hz+PWM
Przebieg prądu
I [mA]
180
RCD12
RCD18
RCD15
330
300
270
240
210
180
150
120
90
60
30
0
RCD17
RCD18
RCD15
RCD17
nie
wyzwalają
nawet
przy
5A
sin50Hz
50Hz+PWM 25Hz+PWM 1Hz+PWM
Przebieg prądu
Prąd zadziałania wybranych wyłączników różnicowoprądowych przy prądach różnicowych
zawierających wiele wyższych harmonicznych. Wyłączniki: a) 30 mA typu AC, b) 30 mA typu A
48
1000
RCD15
RCD12
RCD8
I [mA]
800
600
400
RCD6
200
RCD7
0
RCD19
0 50 100
200
300
400
500
f [Hz]
600
700
800
900
1000
Charakterystyka prądu zadziałania wyłączników różnicowoprądowych w funkcji częstotliwości.
Wyłączniki 30 mA
typu AC: RCD6, RCD7, RCD8;
typu A: RCD12, RCD15, RCD19
49
Pośrednie przemienniki częstotliwości a próg migotania komór serca
15
Kf
300
270
240
210
180
150
120
90
60
30
0
RCD17
1A
380 mA 550 mA
migotania
próg fibrylacji
13
próg odczuwania
11
9
7
próg migotania
50
40
30
25
20
10
5
brak wyzwalania
5
brak wyzwalania
I [mA]
RCD5
3
2
1
50
100
f [Hz]
1
f M [Hz]
Prąd zadziałania wybranych wyłączników różnicowoprądowych o I∆n = 30 mA przy różnych prędkościach
obrotowych silnika zasilanego z przemiennika częstotliwości; fM – częstotliwość użytkowa silnika. Wyłączniki
różnicowoprądowe: RCD5 – typ AC, RCD17 – typ A
50
1000
Wyłączniki różnicowoprądowe typu F – (norma PN-EN 62423:2013-06)
Oznaczenie
literowe
Przebieg prądu różnicowego, pojawiającego się nagle lub
stopniowo narastającego,
przy którym jest zapewnione wyzwalanie wyłącznika
− jak dla wyłącznika A,
− prąd pulsujący stały ze składową wygładzoną 10 mA,
– prąd przemienny zawierający wyższe harmoniczne
(zasilanie jednofazowe)
Symbol graficzny
F
lub
51
Dane prądu odkształconego, przy którym sprawdza się działanie wyłączników różnicowoprądowych typu F
Początkowa wartość skuteczna liniowo
Przedział, w którym powinien
Składowe prądu
narastającego prądu probierczego
zadziałać wyłącznik
Ifn
I1kHz
IM(10Hz)
I∆r
I∆p
0,138I∆n
0,138I∆n
0,035I∆n
0,2I∆n
(0,5÷1,4)I∆n
Ifn
– składowa harmoniczna o częstotliwości podstawowej (z reguły 50 Hz),
I1kHz – składowa harmoniczna o częstotliwości impulsowania przekształtnika (1 kHz),
IM(10Hz) – składowa harmoniczna o częstotliwości podstawowej odniesienia (silnik zasilany napięciem o częstotliwości 10 Hz),
– prąd znamionowy różnicowy wyłącznika różnicowoprądowego przy częstotliwości znamionowej (z reguły 50 Hz)
I∆n
0,6
i∆ (t )
0,4
0,2
0
0,2
0,4
0,6
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
0,18
0,2
t [s]
Przebieg prądu różnicowego odkształconego zawierający składowe podane w tablicy;
faza początkowa każdej składowej αp = 0°
52
b)
a)
10 ms
i E(t)
10 ms
iE(t)
0,5 A
0,5 A
3 kHz (PWM)
10 Hz
3 kHz (PWM)
30 Hz
150 Hz
0,1 A
0
1
0,5
0,1 A
1,5
2
2,5
[kHz]
3
3,5
4
4,5
0
5
2,5
5
7,5
10
12,5
[kHz]
15
17,5
20
25
22,5
Oscylogramy prądu ziemnozwarciowego iE(t) przy doziemieniu silnika zasilanego z przekształtnika
i składowe harmoniczne tego prądu w zakresie częstotliwości:
a) 0÷5 kHz, b) 0÷25 kHz; częstotliwość napięcia zasilającego silnik: 10 Hz
b)
a)
10 ms
iE(t)
10 ms
10 ms
(t)
i i (t)
EE
0,5 A
0,5 A
50 Hz
3 kHz (PWM)
3 kHz (PWM)
0,1 A
150 Hz
0,1 A
0
0,5
1
1,5
2
2,5
[kHz]
3
3,5
4
4,5
5
0
2,5
5
7,5
10
12,5
[kHz]
15
17,5
20
22,5
25
Oscylogramy prądu ziemnozwarciowego iE(t) przy doziemieniu silnika zasilanego z przekształtnika
i składowe harmoniczne tego prądu w zakresie częstotliwości:
a) 0÷5 kHz, b) 0÷25 kHz; częstotliwość napięcia zasilającego silnik: 50 Hz
53
Wyłączniki różnicowoprądowe typu B+
54
Na podstawie katalogu
Na podstawie katalogu
55
Pośrednie przemienniki częstotliwości – filtr silnikowy
a)
b)
10 ms
0,2 A
0,2 A
0,05 A
0,05 A
0
c)
2,5
5
7,5
10
12,5 15
(kHz)
17,5
20
22,5
25
0,05 A
0
2,5
5
0
2,5
5
7,5
10
12,5 15
(kHz)
17,5
20
22,5
25
10 ms
i PE(t)
0,2 A
56
10 ms
i PE(t)
iPE(t)
7,5
10
12,5 15
(kHz)
17,5
20
22,5
25
Oscylogramy prądu upływowego iPE(t) (brak
doziemienia) i jego widmo amplitudowe; częstotliwość
użytkowa 50 Hz;
a) bez filtru silnikowego,
b) filtr typu „differential mode”,
c) filtr typu „common mode and differential mode”
a)
b)
i E (t)
i E (t)
0,2 A
0,2 A
50 Hz
50 Hz
10 ms
150 Hz
3,3 kHz
10 ms
150 Hz
0,05 A
3,3 kHz
0,05 A
0
c)
0,5
1,5
1
2
2,5
(kHz)
3
4
3,5
5
4,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
(kHz)
3
4
3,5
4,5
5
i E (t)
0,2 A
Oscylogramy prądu ziemnozwarciowego iE(t) przy
doziemieniu na zaciskach silnika i widmo amplitudowe
tego prądu; częstotliwość użytkowa 50 Hz;
a) bez filtru silnikowego,
b) filtr typu „differential mode”,
c) filtr typu „ common mode and differential mode”
50 Hz
10 ms
150 Hz
3,3 kHz
0,05 A
0
0,5
1,5
1
2
57
2,5
(kHz)
3
4
3,5
5
4,5
a)
b)
i E (t)
i E (t)
0,2 A
0,2 A
10 ms
1 Hz
150 Hz
0,1 A
0
0,5
1
3,3 kHz
1,5
2
2,5
[kHz]
3
3,5
4
4,5
5
10 ms
1 Hz
150 Hz
0,1 A
0
0,5
1
1,5
2
2,5
[kHz]
3
3,3 kHz
3,5
4
4,5
5
Oscylogramy prądu ziemnozwarciowego iE(t) przy doziemieniu na zaciskach silnika i widmo
amplitudowe tego prądu. Częstotliwość użytkowa 1 Hz, częstotliwość impulsowania 3,3 kHz: a) układ
bez filtru silnikowego, b) układ z filtrem silnikowym (typ filtru: common mode and differential mode)
58
a)
b)
300
Earth fault current (mA)
300
250
no filter
200
150
FT-1 filter
100
FT-2 filter
50
10
20
30
motor frequency (Hz)
40
no filter
150
FT-1 filter
100
FT-2 filter
50
0
0
50
c)
10
20
30
40
50
d)
300
300
200
0
0
250
200
no filter
150
FT-1 filter
100
FT-2 filter
50
0
250
200
no filter
150
FT-1 filter
100
FT-2 filter
50
0
0
59
250
10
20
30
40
50
0
10
20
30
40
50
Składowe prądu ziemnozwarciowego: 50 Hz (a), 150 Hz (b), PWM (c) i wypadkowy prąd ziemnozwarciowy (d) dla różnych
częstotliwości użytkowych silnika;
* bez filtru silnikowego,
** FT-1 filter: „differential mode”,
*** FT-2 filter: „common mode and differential mode”
EquivalentPrąd
50 Hz
earth fault
current (mA)
zastępczy
(mA)
210
no filter
FT-1 filter
FT-2 filter
180
150
120
90
C3
60
C2
30
C1
0
1
5
10
20
25
30
40
50
(Hz) (Hz)
motorużytkowa
frequencysilnika
Częstotliwość
Zastępczy prąd sinusoidalny o częstotliwości 50 a próg migotania komór serca;
c1, c2, c3 – prawdopodobieństwo wystąpienia migotania komór serca
60
Przekształtniki – system komputerowy do ochrony przeciwporażeniowej
system
komputerowy
z LabVIEW
karta
pomiarowa
przekształtnik
odbiornik
wyłącznik
przekładnik
sumujący
iE (t)
61
Prąd połfalowy
62
Prąd przy sterowaniu fazowym symetrycznym
Prąd ziemnozwarciowy w obwodzie
z przemiennikiem częstotliwości;
częsctitliwość użytkowa 50 Hz
Prąd ziemnozwarciowy w obwodzie
z przemiennikiem częstotliwości;
częsctitliwość użytkowa 1 Hz
63
Fotowoltaiczne systemy zasilania
64
65
generator PV
PV+
przekształtnik
T1
T2
T3
T4
RCDPV
UDC
PV-
L
UAC
N
PE
66
PV+
T1
T2
T3
T4
PV+
L
RCDPV
UDC
UAC
PV-
T1
T2
T3
T4
L
RCDPV
UDC
PV-
N
N
i∆
i∆
PE
u, i
UAC
PE
u AC
półfala dodatnia UAC
półfala ujemna UAC
t
i∆
uDC
67
Struktura przekształtnika i drogi przepływu prądu ziemnozwarciowego przy doziemieniu po stronie
stałoprądowej
S"kQ = 120 MVA
15/0,42 kV/kV
250 kVA
ukr = 4,5%
uR = 1,5%
4 x AL 50 mm2
200 m
złącze
kWh
YAKY 4 x 35 mm2
50 m
YLYpżo 5 x 16 mm2
25 m
generator PV
obwody
odbiorcze
gG63
przekształtnik
YDYpżo 3 x 4 mm2
30 m
DC
AC
4 kW
In = 17,4 A
68
gG20
69
Układy przekształtnikowe – zalecenia ogólne
PN-EN 50178:2003 Urządzenia elektroniczne do stosowania w instalacjach dużej mocy.
PN-EN 61800-5-1:2007 Elektryczne układy napędowe mocy o regulowanej prędkości
Urządzenia elektroniczne przenośne o mocy nie większej niż 4 kVA powinny być tak
konstruowane, aby wystarczyły wyłączniki różnicowoprądowe typu A. W przypadku
urządzeń elektronicznych przenośnych o mocy przekraczającej 4 kVA lub zainstalowanych
na stałe, ich konstrukcja może wymuszać konieczność zastosowania wyłącznika
różnicowoprądowego typu B i wymaga to indywidualnej analizy.
i∆
t
RCD
i∆
t
Typ B
Iι
t
RCD
S
Typ A
RCD
Typ A
i∆
t
i∆
RCD
Typ A
70
t
Koordynacja wyłączników różnicowoprądowych,
gdy w części instalacji może pojawić się prąd
stały o pomijalnym tętnieniu
Przydatność wyłączników różnicowoprądowych w obwodach różnych przekształtników
Lp.
Rodzaj przekształtnika
Przydatne
wyłączniki
różnicowoprądowe
Przebieg prądu
różnicowego
Układ połączeń
i∆
iB
L
1
AC, A, B
Bez przekształtnika
i∆
t
N
2
i∆
iB
L
Sterowanie fazowe
symetryczne
AC, A, B
i∆
t
α
N
i∆
iB
L
3
Sterowanie
pełnofalowe
AC, A, B
i∆
t
N
71
4
i∆
iB
L
Prostownik
jednopulsowy
A, B
i∆
t
N
5
Prostownik
dwupulsowy
niesterowany, zasilany
napięciem fazowym
i∆
iB
L
N
A, B
i∆
t
i∆
6
72
Prostownik
dwupulsowy
półsterowany
L
N
iB
i∆
A, B
α
t
7
Prostownik
jednopulsowy z filtrem
prądu stałego
i∆
iB
L
B
i∆
t
N
8
Prostownik
dwupulsowy
niesterowany
i∆
iB
L1
L2
9
trójpulsowy
niesterowany
B
i∆
zasilany napięciem
międzyprzewodowym
i∆
iB
iB
iB
L1
L2
L3
t
B
t
i∆
N
i∆
10
sześciopulsowy
niesterowany
iB
iB
iB
L1
L2
L3
B
i∆
t
i∆
11
Pośredni przemiennik
częstotliwości
L1
L2
L3
iB
iB
iB
PPf
M
i∆
AC*, A*, B*, F, B+
t
* Wyłącznik różnicowoprądowy o znanej charakterystyce działania przy różnych częstotliwościach prądu
różnicowego
73

Prezentacja

Transkrypt

Podobne dokumenty

kirchoffs Prawo napięcia

Prąd elektryczny