BADANIE PODSTAWOWYCH ZABEZPIECZEŃ INSTALACJI … · BADANIE PODSTAWOWYCH ZABEZPIECZEŃ INSTALACJI...
Transcript of BADANIE PODSTAWOWYCH ZABEZPIECZEŃ INSTALACJI … · BADANIE PODSTAWOWYCH ZABEZPIECZEŃ INSTALACJI...
1
ĆWICZENIE NR 1
BADANIE PODSTAWOWYCH ZABEZPIECZEŃ INSTALACJI
NISKIEGO NAPIĘCIA
1. Podstawy teoretyczne
Ochrona przed dotykiem pośrednim przez zastosowanie samoczynnego wyłączenia
zasilania to najbardziej rozpowszechniony sposób ochrony. Ochrona ta polega na
spowodowaniu w określonym czasie samoczynnego wyłączenia chronionego obwodu lub
urządzenia w przypadku uszkodzeń – zwarć miedzy częścią czynna i częścią przewodzącą
dostępną lub przewodem ochronnym tego obwodu albo urządzenia – wywołujących napięcie
dotykowe na częściach przewodzących dostępnych o wartościach niebezpiecznych dla
zdrowia i życia.
Graniczne dopuszczalne długotrwale napięcia dotykowe są równe 50 V dla prądu
przemiennego i 120 V dla prądu stałego nietętniącego, a w warunkach zwiększonego
zagrożenia wynoszą one odpowiednio 25 oraz 60 V.
Samoczynne wyłączenie zasilania jest wymagane wtedy, gdy ze względu na wartość i
czas utrzymywania się napięcia dotykowego w wyniku uszkodzenia izolacji podstawowej,
mogą wystąpić niebezpieczne dla ludzi skutki patofizjologiczne.
W przypadku powstania zwarcia pomiędzy przewodem liniowym a częścią przewodzącą
dostępną lub przewodem ochronnym w obwodzie, urządzenie ochronne powinno
samoczynnie przerwać zasilanie przewodu liniowego lub urządzenia, w wymaganym czasie.
Samoczynne wyłączenie zasilania według PN-HD 60364-4-41 jest środkiem ochrony, w
którym:
ochrona podstawowa jest zapewniona przez podstawową izolację części czynnych
lub przez przegrody lub obudowy oraz
ochrona przy uszkodzeniu jest zapewniona przez ochronne połączenia
wyrównawcze i samoczynne wyłączenie w przypadku uszkodzenia.
Samoczynne wyłączenie jest najczęściej stosowanym środkiem ochrony przy
uszkodzeniu w układach TN, TT i IT. Dla każdego z tych układów obwód prądu
zwarciowego jest inny, dlatego stawiane są inne wymagania dotyczące czasu samoczynnego
wyłączenia zasilania i uziemień przewodów ochronnych.
2
Maksymalny czas wyłączenia w przypadku pojedynczego uszkodzenia w układzie TN i
TT mają różne wartości dla:
a) końcowych obwodów odbiorczych w układach TN i TT, w których prądy nie mogą
przekraczać 32 A,
b) obwodów odbiorczych w układach TN i TT nie wymienionych w p. a,
c) obwodów rozdzielczych w układach TN i TT.
Maksymalne czasy wyłączenia podane w tablicy powinny być stosowane do obwodów
końcowych w układach TN i TT o prądzie nieprzekraczającym 32 A.
Maksymalne czasy wyłączenia
W przypadku gdy samoczynne wyłączenie nie może być uzyskane w czasie
wymaganym, to należy zastosować ochronę uzupełniającą przez zastosowanie dodatkowego
połączenia wyrównawczego lub wyłącznik różnicowoprądowy (RCD) jako urządzenie
wyłączające.
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 przewodu liniowego w wymaganym czasie. Takie połączenie, w
3
przypadku uszkodzenia izolacji podstawowej, tworzy metaliczną pętlę zwarciową (oznaczoną
na rysunku linią przerywaną).
Rys.1. Obwód jednofazowego zwarcia w układzie TN-C-S
Parametry urządzeń ochronnych i impedancja obwodu powinna spełniać następujący
warunek:
Zs x Ia ≤ Uo
gdzie:
Zs– impedancja pętli zwarciowej, w Ω, obejmującej źródło zasilania, przewód liniowy aż do
punktu zwarcia i przewody ochronne między punktem zwarcia a źródłem,
Ia– prąd wyłączający, powodujący samoczynne zadziałanie urządzenia zabezpieczającego w
wymaganym czasie,
Uo- napięcie znamionowe instalacji a.c. lub d.c. przewodu liniowego względem ziemi, w V.
Prąd Ia zapewniający samoczynne zadziałanie urządzenia zabezpieczającego powinien być
wyznaczony na podstawie charakterystyk czasowo-prądowych. Jeżeli jest stosowane
urządzenie ochronne różnicowoprądowe (RCD), prąd Ia jest różnicowym prądem
zadziałania zapewniającym wyłączenie w czasie określonym w PN-HD 60364. Jeżeli
urządzeniem ochronnym jest wyłącznik różnicowoprądowy, to czasy wyłączenia odnoszą się
do przewidywanych różnicowych prądów zwarcia większych niż znamionowy prąd
różnicowy RCD (zwykle 5 IΔn ).
4
2. Wyłączniki instalacyjne i bezpieczniki
Jednym z elementów ochrony przeciwporażeniowej a jednocześnie zabezpieczeń sieci i
urządzeń niskiego napięcia przed przeciążeniami i zwarciami są bezpieczniki topikowe.
Przerwanie obwodu elektrycznego bezpiecznika realizowane jest przez przetopienie się
jednego z jego elementów (wkładki topikowej). Przetopienie elementu topikowego powoduje
zapłon łuku, który jest dalej podtrzymany płynącym prądem awaryjnym. Aby łuk zgasł, a tym
samym nastąpiło przerwanie obwodu, natężenie prądu musi spaść poniżej wartości progowej.
Aby przyspieszyć proces gaszenia łuku, topik zasypany jest piaskiem kwarcowym, piasek
rozprasza i chłodzi łuk. Do gaszenia łuku stosuje się też układy wydmuchiwania łuku oraz
wypełnianie bezpieczników płynem. Główne zastosowanie bezpieczników to:
instalacje domowe (obwody oświetleniowe, gniazda wtykowe). Chronią przewody,
mienie i życie ludzkie przed niebezpiecznymi skutkami działania prądu elektrycznego
– rys. 2a,
zabezpieczenie kabli i przewodów przed prądami przeciążeniowymi i zwarciowymi.
Dzięki charakterystyce pozwalającej na przepływ prądów rozruchowych silników
mogą służyć również do zabezpieczeń obwodów silnikowych, a także jako
zabezpieczenie zwarciowe innych urządzeń w instalacji elektrycznej – rys.2b,
zabezpieczenie przemysłowych instalacji elektroenergetycznych przed skutkami
zwarć i przeciążeń. Wkładki topikowe przemysłowe są mocowane w podstawach
bezpiecznikowych przy pomocy izolacyjnego uchwytu – rys.2c.
a) b) c)
Rys.2. Widok bezpieczników n.n.
5
Kategorie pracy bezpieczników oznacza się dwiema literami. Pierwsza z nich oznacza
klasę działania, a druga chroniony obiekt. Klasy działania określają jednoznacznie, jaki zakres
prądowy może być wyłączony przez zabezpieczenie:
Kategoria pracy g: zabezpieczenie pełnozakresowe. Wkładki bezpiecznikowe,
które przenoszą prądy ciągłe co najmniej do wartości prądu nominalnego obwodu, a
prądy o mniejszej wartości zadziałania mogą wyłączyć do wartości nominalnego
prądu wyłączania (zabezpieczenie przeciw przeciążeniu i zwarciu).
Kategoria działania a: zabezpieczenia niepełno-zakresowe. Wkładki
bezpiecznikowe, które przenoszą ciągle prądy do wartości prądu nominalnego
obwodu, a prądy powyżej pewnej określonej krotności prądu nominalnego obwodu
mogą wyłączyć do nominalnego prądu wyłączenia.
Określone obiekty chronione:
G - zabezpieczenie urządzenia ogólnego przeznaczenia,
L - zabezpieczenie przewodów i kabli,
M - zabezpieczenie silników,
Tr - zabezpieczenie transformatorów,
B - zabezpieczenie urządzeń elektroenergetycznych górniczych,
R - zabezpieczenie elementów energoelektronicznych (tyrystorów, diod).
Podstawową charakterystyką bezpieczników jest charakterystyka czasowo-prądowa
wykreślona w formie logarytmicznej (rys.3). Przy projektowaniu zabezpieczeń instalacji
elektrycznej należy posługiwać się charakterystykami pasmowymi czasowo-prądowymi (t-I)
bezpieczników topikowych, odczytując wartości prądów zadziałania z górnej krzywej,
czyli maksymalne czasy wyłączania (rys.4).
6
Rys.3. Przykładowe (pasmowe) charakterystyki czasowo-prądowe bezpieczników
Rys.4. Sposób odczytywania czasów zadziałania z charakterystyk pasmowych bezpieczników
Wyłączniki instalacyjne (rys.5) są przeznaczone do zasilania i zabezpieczania obwodów
w instalacjach odbiorczych w budynkach. Są konstruowane jako 1, 2, 3 i 4-ro biegunowe.
Powszechnie stosowany zakres ich prądów znamionowych to (6 ÷ 32) A, choć produkowane
7
są również wyłączniki instalacyjne o prądach znamionowych spoza tego przedziału: na
wyższe prądy do 125 A, oraz wyłączniki na bardzo niskie prądy rzędu (0,5 ÷ 2) A.
Rys.5. Widok wyłącznika instalacyjnego
Wyłącznik instalacyjny jest przedstawicielem wyłącznika o tzw. budowie modułowej,
czyli wyposażonego w wyzwalacze przetężeniowe o charakterystykach nienastawialnych.
Wyłącznik ma dwa wyzwalacze:
zwarciowy (elektromagnetyczny lub elektroniczny),
przeciążeniowy (termobimetaliczny lub elektroniczny).
Wyłączniki instalacyjne przystosowane są do wielokrotnego zadziałania, a czułość ich
zadziałania jest większa niż powszechnie stosowanych wkładek topikowych. W zależności od
bezzwłocznego zakresu zadziałania wyzwalacza elektromagnesowego, czasowo-prądowe
charakterystyki wyłącznika dzieli się na 3 typy: B, C oraz D (rys.6).
8
Rys.6. Charakterystyka czasowo-prądowa wyłączników instalacyjnych typu B, C i D
3. Wyłączniki różnicowo-prądowe
Wyłącznik różnicowo-prądowy oznaczany powszechnie ogólnym symbolem RCD (ang.
Residual Current protective Device) to urządzenie, które rozłącza obwód, gdy wykryje, że
prąd elektryczny wypływający z obwodu nie jest równy prądowi wpływającemu. Służące do
ochrony ludzi przed porażeniem prądem elektrycznym przy dotyku pośrednim, jak i
bezpośrednim, ogranicza także skutki uszkodzenia urządzeń, w tym wywołanie pożaru.
Obecnie na świecie istnieje wiele rozwiązań wyłączników różnicowoprądowych. Z uwagi na
zasadę działania wyłączników różnicowoprądowych można je podzielić na:
• wyłączniki o działaniu bezpośrednim,
• wyłączniki o działaniu pośrednim.
Wyłączniki o działaniu bezpośrednim są stosowane powszechnie w Europie, natomiast o
działaniu pośrednim w USA i w Kanadzie. Zasadę budowy wyłącznika różnicowoprądowego
i sposób jego przyłączania do sieci przedstawia rys. 7. Podstawowym elementem wyłącznika
różnicowoprądowego jest przekładnik sumujący Ferrantiego 1, przez którego rdzeń
9
magnetyczny (okno Ferrantiego) przeprowadzone są przewody fazowe L i neutralny N. Na
rdzeniu przekładnika Ferrantiego nawinięte jest uzwojenie wtórne zasilające przekaźnik
różnicowoprądowy 2. Układ pomiarowy reaguje na równicę pomiędzy strumieniami
magnetycznymi wywołanymi przepływającymi prądami w przewodach fazowych i
neutralnych. W warunkach normalnej pracy suma geometryczna prądów płynących
przewodami fazowymi i neutralnym wynosi zero:
𝑖𝐿1 + 𝑖𝐿2 + 𝑖𝐿3 + 𝑖𝑁 = 0
W takim przypadku wypadkowy strumień magnetyczny płynący w rdzeniu przekładnika
Ferrantiego wynosi zero. W przypadku wystąpienia w chronionym obwodzie uszkodzenia
izolacji przewodów fazowych lub neutralnego nastąpi przepływ prądu i w przewodzie
ochronnym PE lub do ziemi. Prowadzi to do zakłócenia stanu równowagi strumieni
magnetycznych i pojawienia się w rdzeniu przekładnika Ferrantiego niezerowego strumienia,
który indukuje napięcie w uzwojeniu przekaźnika różnicowoprądowego. Jeżeli prąd
różnicowy przekroczy wartość progową pobudzenia przekaźnika, to nastąpi jego zadziałanie,
prowadzące do odblokowania zamka 3 i otwarcia wyłącznika.
Rys.7. Wyłącznik różnicowoprądowy; a) widok, b) sposób przyłączania do sieci
10
Do sprawdzenia technicznej sprawności członu wyzwalającego wyłącznika służy układ
modelujący uszkodzenie obwodu składający się z przycisku kontrolnego PK i rezystora
ograniczającego wartość zamodelowanego prądu upływnościowego do wartości nieznacznie
przekraczających wartość prądu pobudzenia przekaźnika różnicowoprądowego.
W wyłącznikach różnicowoprądowych o działaniu bezpośrednim wyzwalacz wyłącznika
jest pobudzany jedynie prądem różnicowym, bez konieczności obecności napięcia w sieci.
Współczesne konstrukcje wyłączników o działaniu bezpośrednim oparte są praktycznie
wyłącznie o wykorzystanie przekaźników (wyzwalaczy) różnicowoprądowych
spolaryzowanych.
Z uwagi na możliwości wyłączania prądów zwarciowych można podzielić konstrukcje
wyłączników różnicowoprądowych na dwie grupy:
• RCCB – wyłączniki różnicowoprądowe bez wyzwalaczy nadprądowych (ang.
Residual Current operated Circuit Breaker without integral overcurrent protection),
• RCBO – wyłączniki różnicowoprądowe z wyzwalaczami nadprądowymi (ang.
Residual Current operated Circuit Breaker with integral Overcurrent protection), w Polsce
przyjęła się nazwa „wyłącznik zintegrowany”.
Wyłączniki typu RCCB wymagają z reguły dobezpieczenia bezpiecznikiem, co jest
zaznaczone na obudowie wyłącznika symbolem bezpiecznika. Wyłączniki typu RCBO są
wyposażone, podobnie jak wyłączniki instalacyjne, w wyzwalacze nadprądowe
(przeciążeniowe i zwarciowe) o charakterystykach typu B,C. Charakteryzują się one w
porównaniu do wyłączników typu RCCB dłuższymi czasami zadziałania oraz bardziej
złożoną, a wiec tym samym bardziej zawodną konstrukcją.
Z uwagi na kształt przebiegu prądu upływnościowego, na który reagują wyłączniki
różnicowoprądowe, można podzielić ich konstrukcje na 3 rodzaje:
• wyłącznik typu AC działający pod wpływem prądu różnicowego sinusoidalnego,
• wyłącznik typu A działający przy prądzie sinusoidalnie zmiennym i przy prądzie
stałym pulsującym ze składową stałą nie przekraczającą 6 mA,
• wyłącznik typu B działający przy prądzie przemiennym, stałym pulsującym i stałym.
Ze względu na czas działania rozróżnia się generalnie:
• wyłączniki różnicowoprądowe bezzwłoczne,
• wyłączniki zwłoczne (selektywne) typu S do układów wymagających selektywności.
Typ wyłącznika jest oznaczony na jego obudowie odpowiednim symbolem (patrz tabela
poniżej). Wyłączniki różnicowoprądowe produkowane są na różne wartości prądu
znamionowego ciągłego oraz prądu znamionowego różnicowego. Zalecane wartości prądu
11
znamionowego In wynoszą: 6-8-10-13-16-20-25-32-40-50-63-80-100-125 A . Produkowane
są także wyłączniki na prądy 160-200 i 250 A. Wartości znormalizowane prądu
znamionowego różnicowego wynoszą: 6-10-30-100-300-500-1000 mA.
Tabela. Oznaczenia na wyłącznikach różnicowoprądowych
12
4. Przebieg ćwiczenia
wykonać pomiar rezystancji izolacji wskazanego obwodu elektrycznego. Wyniki
porównać z wartościami minimalnymi zawartymi w normie (patrz tabela poniżej)
wykonać pomiar ciągłości przewodu PE.
wykonać badanie impedancji pętli zwarcia i na tej podstawie dobrać najmniejszy
możliwy bezpiecznik i wyłącznik instalacyjny o charakterystyce wskazanej przez
prowadzącego,
wykonać badania wyłącznika różnicowo-prądowego.
Sprawdzenie wartości prądu zadziałania wyłącznika. Odbywa się najczęściej za
pomocą specjalnego miernika (testera) wyłączników różnicowoprądowych.
Większość dostępnych mierników ma możliwość pomiaru przy przebiegu
sinusoidalnym i dlatego nadaje się do badania wyłączników typu AC lub A.
Wartość różnicowego prądu zadziałania o przebiegu sinusoidalnym wyłącznika
różnicowoprądowego powinna się zawierać w przedziale (0,50÷1,0) In. Pomiar
prądu zadziałania wyłączników typu B wymaga zastosowania specjalnych testerów
umożliwiających wymuszenie stałego prądu różnicowego.
Pomiar czasu wyłączenia wyłącznika. Odbywa się za pomocą miernika (testera)
wyłączników różnicowoprądowych. W poniższej tablicy zestawiono
znormalizowane wartości czasów zadziałania wyłączników różnicowoprądowych
13
przy prądach różnicowych równych odpowiednio: In, 2x In, 5x In dla
wyłączników typu AC.