Badanie skuteczności ochrony przeciwporażeniowej_instrukcja

Szkoła Główna Służby Pożarniczej
Katedra Techniki Pożarniczej
Zakład Elektroenergetyki
Badanie skuteczności ochrony
przeciwporażeniowej
Opracował:
mł. bryg. dr inż. Ryszard Chybowski
mł. bryg. dr inż. Piotr Kustra
Warszawa 2011
1. Cel i zakres ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie ze sposobami ochrony przeciwporażeniowej zarówno
przed dotykiem bezpośrednim (ochrona podstawowa) jak i dotykiem pośrednim (ochrona
dodatkowa).
2. Wprowadzenie ogólne
Prąd elektryczny może wywierać ujemne działanie na organizm człowieka w zależności
od czasu narażenia oraz od wartości jego natężenia.
Przykłady negatywnego wpływu prądu elektrycznego na organizm ludzki to między innymi:
• zaburzenia pracy serca,
• utrata przyjemności,
• zaburzenia czynności organów wywołanych zmianami elektrolitycznymi w płynach
ustrojowych,
• poparzenie skóry i mięśni,
• oślepienia.
Czynniki decydujące o stopniu zagrożenia porażeniem prądem elektrycznym to:
• Natężenie prądu wrażeniowego (przy przepływie przez człowieka prądu o natężeniu
powyżej 12mA i częstotliwości 50 Hz człowiek nie może się sam uwolnić spod
napięcia),
• Rodzaju prądu, dopuszczalna wartość natężenia prądu stałego jest większa niż dla
prądu przemiennego,
• Droga przepływu prądu przez organizm,
• Czas trwania rażenia.
Z porażeniem można mieć do czynienia w dwóch przypadkach, a mianowicie:
• W przypadku dotknięcia metalowej części obwodu elektrycznego w trakcie normalnej
pracy urządzenia,
• W przypadku dotknięcia metalowej obudowy urządzenia, na której pojawiło się
napięcie spowodowane awarią urządzenia (najczęściej z powodu uszkodzenia
izolacji),
Ochrona przeciwporażeniowa obsługi oraz użytkowników urządzeń i instalacji
elektrycznych powinna być realizowana w taki sposób, aby w przypadku różnorodnych
uszkodzeń urządzeń i instalacji oraz błędnych działań i zachowań ludzi nastąpiło:
•
•
Ograniczenie prądów wrażeniowych przepływających przez człowieka do wartości nie
większych niż uznane za bezpieczne w danych warunkach,
Ograniczenie czasu przepływu prądu wrażeniowego przez szybkie wyłączenie
uszkodzonych urządzeń.
2
Ochrona przed porażeniem w trakcie normalnej pracy urządzeń jest nazywana ochroną
przed dotykiem bezpośrednim (ochrona podstawowa), a ochrona w przypadkach awarii nosi
nazwę ochrony przed dotykiem pośrednim (ochrona dodatkowa). W praktyce występuje
ochrona zarówno przed dotykiem bezpośrednim jak i pośrednim, np. zastosowanie bardzo
niskiego napięcia.
Do środków ochrony przed dotykiem bezpośrednim zalicza się:
• Izolację części czynnych obwodów elektrycznych,
• Ogrodzenia, przegrody i obudowy (osłony)
• Bariery (przeszkody),
• Umieszczanie części czynnych poza zasięgiem ręki.
Części czynne (znajdujące się pod napięciem) powinny być całkowicie pokryte izolację,
która może być usunięta tylko przez jej zniszczenie. Rezystancja izolacji nie powinna być
mniejsza niż 1000 Ω na 1V znamionowego napięcia zasilającego. Ochrona przy użyciu
ogrodzenia lub obudowy, które muszą być trwałe, stabilne polega na umieszczeniu części
czynnych urządzenia wewnątrz tych elementów. Obudowy lub ogrodzenia muszą mieć
odpowiedni stopień ochrony uniemożliwiający podłączenie się pod napięcie w sposób
nieuprawniony, np. drutem. Ochrona przy użyciu bariery (przeszkody) polega na
uniemożliwieniu niezamierzonego zbliżenia lub dotknięcia ciałem części urządzenia
będących pod napięciem niebezpiecznym. Części przewodzące jednocześnie dostępne o
różnych potencjałach powinny znajdować się w odległości od siebie większej niż 2,5 m.
Jeżeli w pomieszczeniu wykonuje się czynności przy użyciu dużych przedmiotów
przewodzących, odległość ta powinna zostać zwiększona. Jest to ochrona przez umieszczenie
przedmiotów poza zasięgiem ręki. Do najbardziej rozpowszechnionych sposobów ochrony
przed dotykiem pośrednim jest zastosowanie samoczynnego szybkiego wyłączenia.
Urządzenia ochronne powinny w bardzo krótkim czasie samoczynnie wyłączyć zasilanie
obwodu lub urządzenia chronionego przed dotykiem pośrednim, aby w następstwie zwarcia
między elementem pod napięciem a obudową dowolną dostępną częścią przewodzącą,
spodziewane napięcie na części przewodzącej nie spowodowało przepływu prądu
wrażeniowego niebezpiecznego dla człowieka. Najdłuższe dopuszczalne czasy wyłączenia
zależą od napięcia znamionowego względem ziemi i od układu sieci. Układy sieci są
pokazane na rys. 1.
Do roku 1993 w obwodach elektrycznych powszechnego użytku obowiązywał układ
TN-C (rys. 1a). Ochrona przed dotykiem pośrednim w tym układzie polega głównie na
zerowaniu ochronnym. Zerowanie ochronne polega na połączeniu metalowych części
urządzeń elektrycznych, które w warunkach normalnej pracy nie znajdują się pod napięciem
(np. obudów)) z przewodem neutralnym N (zerowym). Zabezpieczenie przed porażeniem za
pomocą zerowania ochronnego jest pokazane na rys. 2.
3
Rys. 1. Schematy stosowanych układów zasilania sieci niskiego napięcia. a) układ sieci TN-C, b)
układ sieci TT, c) układ sieci TN-C-S, d) układ sieci IT, e) układ sieci TN-S, f) układ sieci IT
z zabezpieczeniem iskiernikowym.
Rys. 2. Przykład zabezpieczenia przed porażeniem za pomocą zerowania ochronnego.
4
W przypadku uszkodzenia izolacji obwodu elektrycznego urządzenia (na rys. 2
przebicia izolacji uzwojenia do obudowy silnika) na jego obudowie pojawia się napięcie
względem ziemi. Poprzez zerowanie obwód zwarcia jest zamknięty, w którym zaczyna płynąć
prąd zwarcia Iz o wartości wynikającej z zależności:
=
= + gdzie:
Iz – prąd zwarcia,
Uf – napięcie fazowe
Zp – impedancja pętli zwarciowej (suma impedancji przewodów i uzwojenia wtórnego
transformatora)
Prąd zwarcia powinien w stosunkowo krótkim czasie (0,05 – 0,4 s) spowodować
zadziałanie zabezpieczenia nadmiarowo – prądowego i odłączenie uszkodzonej fazy od sieci
zasilającej. W przypadku zabezpieczeń topikowych następuje przepalenie wkładki topikowej,
natomiast w przypadku bezpiecznika automatycznego – zadziałanie wyzwalacz
elektromagnetycznego. Warunek skuteczności zerowania ochronnego:
≥ = ∙ gdzie:
Iw – prąd wyłączający zabezpieczenia,
Ibn – prąd znamionowy bezpiecznika,
k – współczynnik zależny od rodzaju zabezpieczenia.
Zerowanie ochronne w celu zapewnienia dużej niezawodności musi spełniać jeszcze:
• przewód neutralny (zerowy) powinien być uziemiony w punkcie zasilania (przy
transformatorze) za pomocą uziemienia o rezystancji R ≤ 5Ω,
• przewód zerowy powinien być uziemiony wzdłuż trasy linii,
• w przewodzie zerowym nie może być żadnych zabezpieczeń i aparatów łączeniowych,
• przekrój przewodu zerującego powinien być dostosowany do przewodów fazowych.
W chwili obecnej w obwodach powszechnego użytku obowiązuje układ sieci TN-S, czyli
oddzielny przewód neutralny i ochronny. W tym układzie nie ma pojęcia zerowania z uwagi
na fakt łączenia obudowy urządzeń z przewodem ochronnym i uzyskania prądu zwarcia w
przypadku zniszczenia izolacji. Zastosowanie dodatkowego przewodu do instalacji
elektrycznej, tzn. przewodu ochronnego, umożliwiło stosowanie wyłączników
różnicowoprądowych. Podstawowym elementem wyłącznika różnicowoprądowego jest
przekładnik sumujący (rys. 3).
5
Rys. 3. Wyłącznik różnicowoprądowy o działaniu bezpośrednim. a) szkic przedstawiający
zasadę budowy, b) sposób instalowania, 1 – przekładnik sumujący, 2 – przekładnik
różnicowoprądowy, 3 – zamek wyłącznika, Rd – opornik ograniczający, PK – przycisk
kontrolny.
W przypadku, gdy w obwodzie odbierającym energię elektryczną nie ma uszkodzenia
to suma geometryczna prądów płynących przez przekładnik jest równa zeru i nie ma sygnału
na wyłączenie. W przypadku uszkodzenia izolacji (popłynie prąd doziemny) suma
geometryczna prądów będzie różna od zera i wystąpi zaindukowanie napięcia w obwodzie
przekładnika i przepływ prądu przez cewkę urządzenia wyłączającego zasilanie odbiornika.
Wyłączniki różnicowoprądowe występują jako jednofazowe i trójfazowe z czułościami
prądowymi 10, 30, 100, 300, 500 mA.
Jako środek ochrony przed dotykiem pośrednim stosuje się obniżenie napięcia
roboczego. Wykorzystuje się w tym celu transformatory bezpieczeństwa z napięciem
znamionowym nieprzekraczającym 50 V. Obudowy urządzeń zasilane napięciem obniżonym
powinny być odizolowane od ziemi i od obwodów innych urządzeń. Przewody i sprzęt
instalacyjny obudów o napięciu obniżonym powinny mieć izolację na napięcie znamionowe,
co najmniej 250 V. Urządzenia elektryczne będą chronione dodatkowo, czyli przed dotykiem
pośrednim zastosowania urządzeń II klasy ochronności. Są to urządzenia o izolacji
podwójnej, fabrycznie w pełni izolowane (oznaczone
).
Ochronę przed dotykiem pośrednim można uzyskać za pomocą izolowania
stanowiska. Ochrona taka jest zapewniona, gdy nie można dotknąć równocześnie dwóch
części przewodzących, co jest spełnione, gdy części te są oddalone od siebie o więcej niż 2 m
lub umieszczone jest między nimi przegroda. Rezystancja ścian i podłóg musi mieć
6
odpowiednią wartość. W przypadku połączenia za pomocą przewodów wszystkich
dostępnych jednocześnie części przewodzących uzyskamy ochronę dodatkową. Ochrona taka
zapobiega powstaniu niebezpiecznej różnicy potencjałów między tymi częściami. Ochronę
można również uzyskać zasilając urządzenie ze źródła separacyjnego (np. transformatora
separacyjnego). Napięcie wyjściowe takiego źródła nie może przekroczyć 500 V, a części
czynne separowanych obwodów nie powinny być połączone w żadnym punkcie z innym
obwodem lub ziemią. Separowane może być jedno urządzenie lub grupa urządzeń.
Opracowanie wyników pomiarów
1. Przeprowadzić dyskusje otrzymanych wyników.
2. Podać wnioski z przeprowadzonych pomiarów.
Zagadnienia i pytania kontrolne
1. Na czym polega ochrona przed dotykiem bezpośrednim?
2. Na czym polega ochrona przed dotykiem pośrednim?
3. Narysuj układ zasilania TN-C.
4. Narysuj układ zasilania TN-S.
5. Budowa i zasada działania wyłącznika różnicowoprądowego.
Literatura
1. Henryk Markiewicz, Instalacje elektryczne, WNT 2005
2. Ryszard Chybowski, Laboratorium profilaktyki pożarowej w elektroenergetyce,
Warszawa 1989
3. Praca zbiorowa, Poradnik inżyniera elektryka, WNT 2007
7