Biuletyn Internetowy

Stowarzyszenia Elektrotechników Polskich w Republice Czeskiej

BIULETYN SEP – numer 36

Czeski Cieszyn

6 / 2 0 1 5

http://www.coexistentia.cz/SEP/index.html

Zabezpieczenie nadprądowe, bezpiecznik C10 – 10 A, charakterystyka C, do ochrony obwodów elektrycznych, które wywołują przepięcia elektryczne, producent: MOELLER Elektrotechnica s.r.o., Komárovská 2406, 193 00 Praha 9

Zabezpieczenia różnicowoprądowe, ochrona różnicowoprądowa RCD – 300 mA, do ochrony budynków przed pożarem lub wybuchem, producent: OEZ Letohrad s.r.o. Šedická 339, 561 51 Letohrad

Szanowni czytelnicy! W dzisiejszym monotematycznym numerze „Biuletynu internetowego SEP“ prezentuję temat ochrony przeciwporażeniowej w urządzeniach niskiego napięcia na podstawie polskiej normy PN-HD 60364-4-41:2009. Temat był omówiony przez Edwarda Musioła z Politechniki Gdańskiej i zaprezentowany w „INPE – Podręczniku dla elektryków“, zeszyt 52, jaki wydano w kwietniu 2015 r. Ekwiwalentną normą obowiązującą w Republice Czeskiej jest ČSN 33 2000-4-41 ed.2. Na zakończenie zamieściłem wykaz obowiązujących norm dotyczących ochrony przeciwporażeniowej w Polsce i Republice Czeskiej. Inż. Tadeusz Toman, przewodniczący Stowarzyszenia Elektrotechników Polskich w Republice Czeskiej.

Systematyka i filozofia norm bezpieczeństwa

Priorytetowym celem normalizacji IEC jest zapewnienie bezpieczeństwa użytkownikom urządzeń elektrycznych. Opracowane są normy bezpieczeństwa podstawowe, które dotyczą ogółu wyrobów elektrycznych, wchodzące w zakres wielu dziedzin elektryki. Chodzi o normy dotyczące stopni ochrony zapewnianej przez obudowy – PN-EN 60529:2003, koordynacji izolacji PN-EN 60664, czy wspólnych aspektów ochrony przed porażeniem PN-EN 61140:2005. Normy bezpieczeństwa podstawowe są zasadniczo przeznaczone dla komitetów technicznych zajmujących się określonymi dziedzinami elektryki, tzn. dla normalizatorów tworzących normy pochodne. Na ogół nie są one przeznaczone dla producentów ani dla instytucji certyfikujących, a ze względu na ich charakter ogólny i nadrzędny, powinny być jak najrzadziej nowelizowane. Natomiast normy bezpieczeństwa grupowe dotyczą wyrobów wchodzących w zakres kompetencji dwóch lub więcej komitetów technicznych – tj. dziedzin elektryki, przykładem jest norma IEC 60364-4-41. Uzupełnieniem są liczne normy bezpieczeństwa produktowe, obejmujące wszelkie aspekty bezpieczeństwa jednego lub więcej wyrobów wchodzących w zakres kompetencji pojedynczego komitetu technicznego. Między tymi trzema poziomami norm bezpieczeństwa obowiązuje zależność hierarchiczna: dokument niższego szczebla może uszczegółowić lub uzupełnić postanowienia dokumentu wyższego szczebla, ale nie powinien ich w żaden sposób modyfikować.

Podstawowa zasada ochrony przed porażeniem elektrycznym

Zasada ta sformułowana w PN-EN 61140:2005 głosi, że części czynne niebezpieczne nie powinny być dostępne, a części przewodzące dostępne nie powinny być niebezpieczne: ani w warunkach normalnego użytkowania, ani w warunkach pojedynczego uszkodzenia. Za warunki normalnego użytkowania uważa się sytuację, kiedy urządzenie jest używane zgodnie z przeznaczeniem, a wszelkie przewidziane środki ochrony są sprawne. Porażeniom prądem w warunkach normalnego użytkowania ma zapobiegać 1. stopień ochrony – ochrona przeciwporażeniowa podstawowa, wymagana powszechnie, poza nielicznymi wyjątkowymi sytuacjami. Za warunki pojedynczego uszkodzenia uważa się niesprawność jednego ze środków ochrony – z wyłączeniem środka ochrony wzmocnionej – bądź wprowadzające zagrożenie uszkodzenia jakiegokolwiek pojedynczego elementu lub sytuację, kiedy jedno uszkodzenie nieuchronnie wywołuje niesprawność więcej niż jednego elementu. Porażeniom prądem w warunkach pojedynczego uszkodzenia ma zapobiegać 2. stopień ochrony – ochrona przeciwporażeniowa dodatkowa, wymagana powszechnie, poza nielicznymi ściśle określonymi wyjątkami. W określonych przypadkach jest dopuszczalna ochrona wzmocniona, czyli pojedynczy środek ochrony zastępujący zarówno ochronę podstawową, jak i ochronę dodatkową. Natomiast 3. stopień ochrony – ochrona przeciwporażeniowa uzupełniająca ma zapobiegać porażeniom w razie niesprawności bądź pominięcia środków ochrony podstawowej lub ochrony dodatkowej. Stosowanie tej ochrony jest wymagane zwłaszcza w warunkach zwiększonego zagrożenia porażeniem – np. w miejscach wilgotnych lub mokrych oraz w obwodach odbiorczych zasilających urządzenia ręczne.

Norma bezpieczeństwa produktowa powinna zawierać wszelkie postanowienia uwzględniające ryzyko zarówno w warunkach normalnego użytkowania, jak i w warunkach pojedynczego uszkodzenia. Uważa się, że prawdopodobieństwo jednoczesnego wystąpienia dwóch niezależnych uszkodzeń niebezpiecznych jest bardzo małe, na ogół sytuuje się na poziomie nieprzekraczającym akceptowalnego ryzyka szczątkowego.

Normy dotyczą ochrony przed porażeniem prądem elektrycznym ludzi oraz zwierząt hodowlanych.

Poza instalacjami na użytek ogólny, przeznaczony dla laików, zdarzają się, zwłaszcza w przemyśle i laboratoriach elektrycznych, urządzenia technologiczne i stanowiska obsługi, przy których nie sposób zastosować zwykłe rozwiązania ochrony przeciwporażeniowej, bo jest to niewykonalne ze względów technologicznych lub eksploatacyjnych. Wolno wtedy w zamian zastosować dodatkowe ochronne środki techniczne oraz środki organizacyjne, w równoważnym stopniu ograniczające ryzyko porażenia. To odstępstwo może dotyczyć na przykład obwodów głównoprądowych urządzeń do spawania i zgrzewania, urządzeń elektrotermicznych i elektrochemicznych oraz urządzeń laboratoryjnych przeznaczonych do badań, prób i prac strojeniowych.

Ochrona przeciwporażeniowa podstawowa

W warunkach normalnego użytkowania, tzn. kiedy nieuszkodzone, sprawne urządzenie jest używane zgodnie z przeznaczeniem, powinny być spełnione dwa wymagania: 1) części czynne, wchodzące w skład obwodu elektrycznego, mogące znajdować się pod niebezpiecznym dla człowieka napięciem względem ziemi, nie powinny być dostępne dla dotyku, 2) części przewodzące dostępne, jeśli rozpatrywane urządzenie je ma, nie powinny znajdować się pod wyczuwalnym napięciem względem ziemi – co dyktuje pewne warunki odnośnie dopuszczalnej wartości prądu upływowego: prądu w przewodzie ochronnym lub prądu dotykowego, zależnie od obecności bądź braku połączeń ochronnych. Spełnienie obu tych wymagań powinien zapewnić 1. stopień ochrony – ochrona przeciwporażeniowa podstawowa, czyli zespół środków technicznych chroniących przed zetknięciem się człowieka z częściami czynnymi oraz przed udzieleniem się napięcia częściom przewodzącym dostępnym.

W przypadku urządzeń przeznaczonych do użytkowania przez laików ochrona podstawowa powinna chronić przed umyślnym (zamierzonym) dotknięciem części czynnych i powinna polegać na zastosowaniu co najmniej jednego z następujących środków: a) izolacja podstawowa w postaci trwałego i całkowitego pokrycia części czynnych materiałem izolacyjnym stałym, dającym się usunąć tylko przez zniszczenie (powłok z emalii, lakieru, tlenku lub materiału włóknistego nie uważa się za izolację podstawową), b) obudowa o stopniu ochrony co najmniej IP2X lub IPXXB, tzn. chroniąca przed umyślnym (zamierzonym) dotknięciem palcem części niebezpiecznych – części czynnych, łatwo dostępne górne poziome powierzchnie obudowy powinny mieć stopień ochrony co najmniej IP4X lub IPXXD. Otwarcie lub usunięcie obudowy nie powinno być możliwe bez użycia klucza lub narzędzia. Rozwiązanie alternatywne polega na zastosowaniu blokady pozwalającej otworzyć lub usunąć obudowę dopiero po wyłączeniu napięcia i pozwalającej ponownie załączyć napięcie dopiero po zamknięciu lub założeniu obudowy.

Jeżeli rzeczywista ochrona przed dostępem do części niebezpiecznych jest wyższa niż to wynika z pierwszej cyfry charakterystycznej kodu IP, to dodaje się oznaczenie literą dodatkową (A = ochrona przed dostępem do części niebezpiecznych – wierzchem ręki, B = palcem, C = narzędziem, D = drutem). Taki wyższy stopień ochrony uzyskuje się za pomocą przegród wewnętrznych, zwiększonych odstępów we wnętrzu lub odpowiedniego ukształtowania otworów.

W przypadku urządzeń instalowanych w pomieszczeniach ruchu elektrycznego, dostępnych tylko dla osób wykwalifikowanych lub poinstruowanych w zakresie elektryki i ewentualnie osób pozostających pod ich nadzorem, dopuszcza się w uzasadnionych przypadkach, by ochrona podstawowa chroniła tylko przed przypadkowym (niezamierzonym) dotknięciem części czynnych. Wobec tego obudowa może dawać się otworzyć lub usunąć bez użycia klucza lub narzędzia, a zamiast izolacji podstawowej albo obudowy można zastosować co najmniej jeden z następujących środków: 1) odgrodzenie (przeszkoda), czyli element konstrukcyjny o stopniu ochrony mniejszej niż IP2X, chroniący przed przypadkowym dotknięciem części czynnych i zbytnim zbliżeniem do nich, np. w postaci poręczy, bariery, taśmy lub nitki, 2) uniedostępnienie, czyli umieszczenie części czynnych poza zasięgiem ręki człowieka znajdującego się na stanowisku dostępnym, tzn. w miejscu, na którym człowiek o przeciętnej sprawności fizycznej może się znaleźć bez korzystania ze środków pomocniczych jak drabina lub słupołazy, ochrona zapobiega przypadkowemu dotknięciu części czynnych. Jeżeli podczas pracy na stanowisku dostępnym mogą być w użyciu wydłużone przedmioty przewodzące, to granice zasięgu ręki należy odpowiednio zwiększyć o długość tych przedmiotów.

Norma nie wspomina o ochronie przez uniedostępnienie poza miejscami ruchu elektrycznego, w przypadku linii napowietrznych, co regulują odrębne dokumenty normatywne. Chodzi zwłaszcza o przyłącza wykonane przewodami gołymi, przebiegające nad łatwo dostępnymi dachami, nad tarasami lub balkonami albo w pobliżu okien. Takie sytuacje będą stopniowo zanikać, bo obecnie używa się tylko przewodów pełnoizolowanych przy budowie nowych i wymianie istniejących przyłączy niskiego napięcia.

Zakres stosowania ochrony przeciwporażeniowej dodatkowej

Stosowanie ochrony dodatkowej (ochrony przy uszkodzeniu) – oprócz ochrony podstawowej – jest wymagane w odniesieniu do wszelkich urządzeń elektrycznych. Od tego obowiązku zwalnia zastosowanie ochrony wzmocnionej, spełniającej jednocześnie wymagania stawiane zarówno ochronie podstawowej, jak i ochronie dodatkowej.

Spośród środków ochrony dodatkowej niektóre są dopuszczone do powszechnego stosowania, również w instalacjach użytkowanych przez laików. Środkiem najtańszym i dlatego najszerzej stosowanym jest samoczynne (automatyczne) wyłączanie zasilania. Jego skuteczność jest uzależniona od warunków zasilania – impedancji pętli zwarciowej oraz od ciągłości i prawidłowości połączeń przewodów ochronnych. Z tych powodów samoczynne wyłączanie zasilania słusznie uchodzi za dość zawodny środek ochrony dodatkowej.

Wspomnianych wad nie mają inne środki ochrony dodatkowej dopuszczone do powszechnego stosowania: izolacja podwójna lub izolacja wzmocniona, separacja obwodu pojedynczego odbiornika oraz obwód napięcia bardzo niskiego (małego) SELV albo PELV zasilany ze źródła bezpiecznego. Ich skuteczność nie zależy od warunków zasilania, ale zakres ich stosowania jest ograniczony. Izolacja podwójna lub izolacja wzmocniona nie w każdym urządzeniu daje się zastosować i nie w każdych warunkach środowiskowych (np. w miejscach mokrych) dopuścić do eksploatacji. Pozostałe dwa środki ochrony, ze względu na koszty, nadają się do stosowania tylko w odniesieniu do nielicznych, wybranych urządzeń.

Są też środki ochrony dodatkowej dopuszczone do stosowania tylko w instalacjach pozostających pod nadzorem osób wykwalifikowanych lub poinstruowanych, bo są szczególnie wrażliwe na niefachowe ingerencje, choćby pozornie niewinne. Chodzi o separację obwodu zasilającego więcej niż jeden odbiornik oraz o izolowanie stanowiska (z nieuziemionymi połączeniami wyrównawczymi miejscowymi lub bez nich).

Spotyka się w urządzeniach elektrycznych i ich osprzęcie części przewodzące dostępne (zwłaszcza trudno dostępne lub trudne do uchwycenia), ze strony których zagrożenie porażeniem jest znikome, a objęcie ich ochroną dodatkową oraz przyłączenie przewodu ochronnego byłoby uciążliwe bądź praktycznie niewykonalne. W takich przypadkach kolejne normy i przepisy zezwalały na odstąpienie od obowiązku stosowania ochrony dodatkowej. W takim kontekście wymienia się następujące części: a) znajdujące się poza zasięgiem ręki metalowe wsporniki izolatorów linii napowietrznych, np. stojaki dachowe i przyścienne, wysięgniki ścienne, b) słupy betonowe, których zbrojenie nie jest dostępne, c) części przewodzące dostępne o małych wymiarach (nie przekraczających 50x50 mm) albo tak umieszczone, że człowiek nie może ich uchwycić ani zetknąć się z nimi większą powierzchnią ciała, a przyłączenie przewodu ochronnego byłoby trudne lub nie zapewniałoby niezawodnego połączenia (np. śruby, nity, tablice informacyjne, uchwyty przewodów), d) metalowe rury i obudowy urządzeń o izolacji podwójnej lub izolacji wzmocnionej.

Nasuwają się dwie uwagi. Po pierwsze, ostatnie wyliczenie jest bezsensowne, bo do części przewodzących dostępnych urządzeń o izolacji podwójnej przewodu ochronnego z zasady przyłączać nie wolno. Po drugie, norma nie wymienia wielu innych części, dla których odstępstwo przewidywały niemal wszystkie wcześniejsze normy, chodzi o następujące części: 1) krótkie odcinki rur metalowych lub innych osłon przewodzących, np. o długości do 2 m, chroniące izolowane przewody od uszkodzeń mechanicznych lub stanowiące przepusty przez ściany i stropy, 2) odcinki rur metolowych lub inne osłony przewodzące chroniące kable wprowadzane na słupy albo inne konstrukcje pionowe, jeśli te słupy albo konstrukcje nie podlegają ochronie dodatkowej, 3) przepusty kablowe z materiału przewodzącego, 4) metalowe obudowy liczników i innych przyrządów taryfowych w instalacjach nieprzemysłowych oraz tablice metalowe, na których są umieszczone tylko te przyrządy, 5), metalowe drzwi wejściowe do pomieszczeń ruchu elektrycznego, osadzone w ścianie z cegły lub betonu, 6) metalowe drzwiczki i osłony złączy kablowych, tablic rozdzielczych i podobnych urządzeń, osadzone w ścianie z cegły lub betonu i nie połączone przewodząco z częściami przewodzącymi dostępnymi znajdującymi się we wnętrzu.

Samoczynne (automatyczne) wyłączenie zasilania – zasady ogólne

Samoczynne (automatyczne) wyłączenie zasilania polega na wyłączeniu obwodu, a przynajmniej tego bieguna obwodu, w którym wystąpiło uszkodzenie izolacji podstawowej, w celu zapewnienia ochrony dodatkowej (ochrony przy uszkodzeniu). Samoczynnego wyłączenia dokonują łączniki zabezpieczeniowe, stosownie do okoliczności: zabezpieczenia nadprądowe (wyłączniki nadprądowe, bezpieczniki) i/lub zabezpieczenia różnicowoprądowe.

Norma PN-HD 60364-4-41:2009 formułuje wymagania odnośnie do największego dopuszczalnego czasu samoczynnego (automatycznego) wyłączania zasilania w sposób bardziej kompletny i jednolity niż poprzednie jej edycje.

TABELA – największy dopuszczalny czas samoczynnego (automatycznego) wyłączania zasilania w obwodach odbiorczych o prądzie znamionowym nieprzekraczającym 32 A dla prądu przemiennego (AC)

Układ	> 50 V	> 120 V	> 230 V	> 400 V
	120 V	230 V	400 V
TN	0,8 s	0,4 s	0,2 s	0,1 s
TT	0,3 s	0,2 s	0,07 s	0,04 s

TABELA – największy dopuszczalny czas samoczynnego (automatycznego) wyłączania zasilania w obwodach odbiorczych o prądzie znamionowym nieprzekraczającym 32 A dla prądu stałego (DC)

Układ	> 50 V	> 120 V	> 230 V	> 400 V
	120 V	230 V	400 V
TN	wyłączenie może być wymagane z innych powodów niż zagrożenie porażeniem	5 s	0,4 s	0,1 s
TT	wyłączenie może być wymagane z innych powodów niż zagrożenie porażeniem	0,4 s	0,2 s	0,1 s

Przedtem brakowało logicznych postanowień co do czasu wyłączania w układzie TT, w którym spodziewane napięcie dotykowe względem ziemi odniesienia (napięcie przy uszkodzeniu) ma wartość zbliżoną do napięcia fazowego układu, a nie parokrotnie mniejszą, jak w układzie TN. Dopuszczono beztrosko czas 5 s. Jeżeli poziom bezpieczeństwa ma być porównywalny, to czas wyłączania zasilania w układzie TT powinien być znacznie krótszy niż w układzie TN. Przy użyciu zabezpieczeń nadprądowych byłoby to niewykonalne, wobec czego dopuszczono pewne odstępstwo, o czym niżej. Uprzednio brakowało też wymagań dla układów prądu stałego (tablice w normie dotyczyły prądu przemiennego, chociaż tego wyraźnie nie napisano). Uzupełniono postanowienia co do czasu wyłączania w układzie TT oraz wymagania dla układów prądu stałego. Oba te mankamenty zostały usunięte.

Ponadto norma wyraźnie stanowi, że podane wartości czasu wyłączania dotyczą też urządzeń różnicowoprądowych, a zatem ich prąd wyłączający może być większy niż znamionowy prąd różnicowy zadziałania. Nie zmieniły się zasady określenia prądu wyłączającego wyłączników nadprądowych i wkładek topikowych.

Zarazem norma stanowi, że niezbędnym uzupełnieniem ochrony przez samoczynne (automatyczne) wyłączenie zasilania są główne połączenia wyrównawcze w każdym budynku, obejmujące: a) żyły ochronne oraz metalowe osłony, powłoki bądź ekrany przewodów instalacji elektrycznych i telekomunikacyjnych, b) części przewodzące obce (metalowe przewody wodne, gazowe, ogrzewcze i klimatyzacyjne, metalowe konstrukcje budowlane, łącznie z dostępnym zbrojeniem betonu).

Główne połączenia wyrównawcze ochronne powinny być wykonane z użyciem głównej szyny wyrównawczej, jak najbliżej miejsca wprowadzenia wszelkich instalacji do budynku. Normy dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej, uzupełniają to zalecając wprowadzenie do budynku wszelkich instalacji w jednym i tym samym miejscu, nazywając to zasadą SEP (single entry point) lub CEP (common entry point). Dzięki temu główne połączenia wyrównawcze są krótkie, a tym samym bardzo niezawodne, a ponadto unika się tworzenia obszernych pętli przewodowych, w których mogą się indukować groźne przepięcia przy bliskich wyładowaniach atmosferycznych.

Czas wyłączania przepisany w TABELI, w niektórych przypadkach bardzo mały, może wydawać się surowym wymaganiem, ale przecież dotyczy on tylko obwodów odbiorczych o niedużym prądzie znamionowym (do 32 A włącznie). Większy czas dopuszcza się w obwodach odbiorczych o większym prądzie znamionowym oraz w obwodach rozdzielczych: 5 s w układzie TN, 1 s w układzie TT. Czas znacznie większy (1 – 4 h) przepisy różnych krajów dopuszczają w sieciach rozdzielczych. Rozwiązaniem są połączenia wyrównawcze miejscowe.

Zastawienie wymagań odnośnie do czasu samoczynnego (automatycznego) wyłączania zasilania w instalacjach prądu przemiennego o napięciu względem ziemi 230 V.

Rodzaj obwodu	Układ	Układ	Układ
	TN	TT	IT
Obwody odbiorcze o prądzie znamionowym do 32 A włącznie	0,4 s	0,2 s	0,4 s lub 0,2 s
Obwody odbiorcze o prądzie znamionowym większym niż 32 A	5 s	1 s	5 s lub 1 s
Obwody rozdzielcze o dowolnym prądzie znamionowym	5 s	1 s	5 s lub 1 s
Obwody sieci rozdzielczej zasilającej instalację oraz główny obwód zasilający budynku, który musi być wykonany z izolacją podwójną lub wzmocnioną	Samoczynne wyłączanie przez poprzedzający bezpiecznik o prądzie znamionowym INF, prąd wyłączający 2 INF (Polska), 1,6 INF (Niemcy)	dtto	dtto
Obwody, w których nie sposób uzyskać samoczynne wyłączanie zasilania w wymaganym czasie	Miejscowe połączenia wyrównawcze ochronne ograniczające długotrwale utrzymujące się napięcie dotykowe na poziomie dopuszczalnym długotrwale	dtto	dtto

Samoczynne wyłączanie zasilania jest środkiem ochrony wymagającym ułożenia przewodu ochronnego w każdym obwodzie. Poza innymi warunkami stawianymi połączeniom ochronnym, jest i to elementarne wymaganie, że wszelkie części jednocześnie dostępne powinny być przyłączone do tego samego uziemienia.

W instalacji przystosowanej do ochrony przez samoczynne wyłączanie zasilania wolno dla wybranych urządzeń odbiorczych bądź rozdzielczych zastosować ochronę w postaci izolacji podwójnej lub izolacji wzmocnionej. Wolno też, wprowadzając transformator separacyjny lub urządzenie równoważne zastosować separację obwodu pojedynczego odbiornika, a wprowadzając transformator bezpieczeństwa lub urządzenie równoważne utworzyć obwód SELV lub PELV.

Samoczynne (automatyczne) wyłączenie zasilania w układzie TN

W układzie TN pętla zwarcia doziemnego L-PE, w następstwie uszkodzenia izolacji podstawowej, jest w całości złożona z przewodów elektroenergetycznych, dzięki czemu prąd przy takim zwarciu jest duży – 50-60% prądu zwarcia trójfazowego. Nawet w niekorzystnych warunkach zasilania znacznie przekracza 115 A (impedancja pętli zwarciowej Z_S < 2 ohmy). To najbardziej wyrazista cecha układu TN, odróżniająca go od innych układów (TT oraz IT). Bezpośredni bądź pośredni pomiar prądu zwarcia L-PE (chociażby poprzez pomiar impedancji pętli zwarciowej Z_S) jest najbardziej wiarygodnym sprawdzianem, czy w konkretnej sytuacji ma się do czynienia z układem TN.

W poprawnie wykonanym układzie TN, z wielokrotnym uziemianiem przewodów ochronnych PE (PEN), znikoma część prądu zwarcia L-PE (nawet znacznie mniej niż 1 %) wraca do źródła poprzez uziemienia i ziemię. Nie wpływa to znacząco na wartość prądu w miejscu zwarcia ani na wynik pomiaru impedancji pętli zwarciowej, ale znacznie obniża wartości napięcia przewodów ochronnych PE (PEN) względem ziemi odniesienia i w następstwie – wartości napięć dotykowych. To między innymi dlatego w normach i przepisach są wymagania bądź zalecenia uziemienia przewodów ochronnych w możliwie licznych miejscach. W budynkach wysokich i wysokościowych podobny efekt uzyskuje się ponawiając co kilka kondygnacji połączenia wyrównawcze przewodu ochronnego z wszelkimi częściami przewodzącymi obcymi, łącznie ze zbrojeniem betonowych konstrukcji budowlanych.

W układach TN-C bądź TN-S, zawierających przewód PEN, również w warunkach normalnych tor ziemnopowrotny może odgałęziać część prądu przewodu neutralnego, wynikającego z niesymetrii obciążenia i/lub ze zsumowania się harmonicznych potrójnej częstotliwości.

Dzięki temu, że prąd zwarcia L-PE w układzie TN jest duży, do samoczynnego (automatycznego) wyłączania zasilania mogą wystarczyć zabezpieczenia nadprądowe: wyłączniki nadprądowe lub bezpieczniki. To korzystna okoliczność, bo te zabezpieczenia są i tak nieodzowne w każdym obwodzie w celu ograniczenia cieplnych i elektrodynamicznych skutków zwarć. Przypisanie im dodatkowej funkcji na ogół nie pociąga za sobą dodatkowych kosztów.

Warunkiem skuteczności samoczynnego (automatycznego) wyłączania zasilania jest dostatecznie mała impedancja Z_s pętli zwarciowej L-PE. W obwodzie o napięciu względnem ziemi U_o impedancja pętli zwarciowej powinna spełniać warunek:

Z_s < lub = U_o / I_a

przy czym I_a jest prądem wyłączającym zabezpieczenia dokonującego samoczynnego (automatycznego) wyłączania zasilania w wymaganym czasie.

Jeżeli ze względu na wymagania normy i/lub uznane zasady wiedzy technicznej, instaluje się w określonym obwodzie wyłącznik różnicowoprądowy, to jego prąd wyłączający I_a = (1-5)I_Dn jest tak mały, że powyższe wymaganie jest samorzutnie spełnione. Oczywiście pod warunkiem, że jest zachowana ciągłość połączeń ochronnych.

W roli urządzeń dokonujących samoczynnego (automatycznego) wyłączania zasilania norma traktuje na równych prawach zabezpieczenia nadprądowe i zabezpieczenia różnicowoprądowe. Wystarcza, by jedno z tych zabezpieczeń spełniało powyższy warunek. Jeżeli w obwodzie są oba zabezpieczenia: nadprądowe i różnicowoprądowe, to norma nie wymaga, by powyższy warunek spełniało również zabezpieczenie nadprądowe. Natomiast błędnie bywa odczytywany zapis, że zastosowanie RCD do ochrony przeciwporażeniowej dodatkowej (ochrony przy uszkodzeniu) nie zwalnia z obowiązku umieszczenia w obwodzie również zabezpieczenia nadprądowego „zgodnie z IEC 60364-4-43“, czyli w celu zabezpieczenia przed cieplnymi skutkami zwarć i ewentualnie przeciążeń, a nie dla celów ochrony przeciwporażeniowej. Na dobrą sprawę ten zapis jest zbędny, bo przecież bez zabezpieczenia nadprądowego nie istnieje obwód instalacji elektrycznej.

Układ TN jest właściwie jedynym układem, w którym bardziej niezawodne wyłączniki nadprądowe, a zwłaszcza bezpieczniki, mogą – do celów ochrony przeciwporażeniowej dodatkowej – rezerwować znacznie bardziej zawodne wyłączniki różnicowoprądowe. Zatem odpowiedzialny projektant powinien upewnić się, że w razie uszkodzenia wyłącznika różnicowoprądowego zwarcie L-PE u końca obwodu w rozsądnym czasie (niekoniecznie w czasie 0,4 s) wyłączy zabezpieczenie nadprądowe, chodzi o zabezpieczenie rezerwowe, wobec czego można by dopuścić czas wyłączania nawet 5 s.

Układ TN wymaga bezpośredniego uziemienia wybranego punktu uzwojeń źródła zasilania oraz wielokrotnych uziemień przewodu ochronnego wyprowadzonego z tego punktu. W najbardziej rozpowszechnionym trójfazowym układzie TN 230/400 V uziemia się punkt neutralny, połączonego w gwiazdę lub zygzak, uzwojenia wtórnego transformatora albo uzwojenia prądnicy i wyprowadza się z tego punktu przewód PE (PEN) zamykający obwód prądu zwarcia doziemnego L-PE (L-PEN) w głębi sieci lub instalacji. Wielokrotne uziemienia tego przewodu pozwalają zmniejszyć wartości napięć względem ziemi odniesienia i złagodzić skutki ewentualnego przerwania tego przewodu.

Pewnym zagrożeniem w układzie TN może być zwarcie przewodu skrajnego z ziemią, z pominięciem przewodu ochronnego, kiedy prąd zwarciowy w całości płynie torem ziemnopowrotnym, na co układ TN w zasadzie nie jest przygotowany. Napięcie względem ziemi odniesienia nie może wtedy przekraczać 50 V. Oznacza to, że w zasięgu sieci rozdzielczej oraz instalacji odbiorczych wszelkie części przewodzące, o rezystancji uziemienia mniejszej niż wynikająca ze wzoru

R_E > lub = (U_o – 50V) / 50V . R_B

powinny być połączone przewodem ochronnym PE (PEN) układu TN. W przepisowo wykonanych instalacjach budynków ten warunek jest spełniony dzięki połączeniom wyrównawczym głównym. W obrębie sieci rozdzielczych napowietrznych 230/400 V o przewodach gołych przy zerwaniu lub odpadnięciu przewodu na ziemię rezystancja przejścia przewód – ziemia R_E z pewnością spełnia ten powyższy warunek. Warunek ten jest przeto tym bardziej spełniony w razie zwarcia z ziemią w sieciach napowietrznych o przewodach izolowanych i w sieciach kablowych. Jedyne przypadki naprawdę groźne, których nie wolno przeoczyć, to linia napowietrzna przebiegająca nad uziomem naturalnym (metalowy zbiornik, rurociąg, konstrukcja metalowa) o rezystancji uziemienia nie spełniającej warunku dla R_E. Należy albo ten uziom połączyć przewodem PE (PEN) linii, albo zmienić trasę linii, albo skablować linię na odcinku skrzyżowania.

Układ TN wiąże przewodami PEN (PE) liczne uziomy w jeden rozległy układ uziomowy o małej rezystancji uziemienia, podczas gdy w klasycznym układzie TT uziomy te są rozproszone. Dzięki temu układ TN jest bardziej odporny na wszelkie narażenia pochodzące z zewnątrz: przepięcia atmosferyczne oraz skutki zwarć w poprzedzającej sieci wysokiego napięcia. Jeżeli do tego dodać możliwość rezerwowania wyłączników różnicowoprądowych w roli ochrony dodatkowej, oczywista staje się wyższość układu TN nad TT w obrębie sieci rozdzielczej i większości instalacji odbiorczych.

Samoczynne (automatyczne) wyłączenie zasilania w układzie TT

Układ TT ma bezpośrednio uziemiony punkt neutralny źródła zasilania bądź inną część czynną. W razie uszkodzenia izolacji podstawowej w zasilanym urządzeniu, pętla zawarcia doziemnego zamyka się przez ziemię i jest to cecha rozpoznawcza tego układu. Prąd wpływa do ziemi przez uziemienie bądź zespół uziemień przewodu ochronnego i wraca przez jedyne uziemienie robocze układu przy stacji zasilającej. W pętli zwarciowej są dwie szeregowo połączone rezystancje uziemienia, rezystancja pętli zwarciowej wynosi co najmniej kilka ohmów, wskutek czego prąd zwarciowy w instalacji o napięciu 230 V na ogół jest znacznie mniejszy niż 50 A.

Jakie zabezpieczenia nadprądowe mają prąd wyłączający nieprzekraczający 50 A i mogłyby być użyte jako urządzenia do samoczynnego (automatycznego) wyłączania zasilania i to przy korzystaniu z odstępstwa pozwalającego przyjąć czas wyłączania 0,4 s jak w układzie TN? Z trudem można to wskazać: wkładki topikowe zwłoczne 6 A albo szybkie 10 A, wyłącznik nadprądowy instalacyjny B10. W jakich instalacjach to wystarcza? Widać, że do samoczynnego (automatycznego) wyłączania zasilania w układzie TT nadają się tylko wyłączniki różnicowoprądowe RCD. Zważywszy ich zawodność, RCD w obwodach odbiorczych powinny być poprzedzone RCD selektywnym w roli rezerwowego urządzenia wyłączającego.

Zróżnicowano kryteria skuteczności ochrony przez samoczynne (automatyczne) wyłączanie zasilania w układzie TT. Jeżeli wyłączenie następuje za pomocą urządzenia różnicowoprądowego, to sprawdza się wartość napięcia dotykowego względem ziemi odniesienia. Obowiązuje dotychczasowy warunek dotyczący wymaganej rezystancji uziemienia przewodu ochronnego R_A:

R_A < lub = 50 / I_Dn

W tym miejscu norma przeczy sama sobie, bo zamiast znamionowego prądu różnicowego zadziałania I_Dn we wzorze powinien się znaleźć prąd wyłączający wyłącznika I_a > I_Dn, dobrany stosownie do wymaganego czasu wyłączania.

Natomiast jeżeli wyłączania dokonuje zabezpieczenie nadprądowe (o prądzie wyłączającym I_a), to obowiązuje warunek dotyczący wymaganej impedancji pętli zwarciowej zwarcia doziemnego Z_s w instalacji o napięciu fazowym U_o:

Z_s < lub = U_o / I_a

To drugie wymaganie jest wprawdzie nowością w normie, ale od dawna było wykorzystywane przy badaniu stanu ochrony, również w obwodach chronionych wyłącznikami różnicowoprądowymi. Chodzi zwłaszcza o obiekty w bogato uzbrojonym terenie miejskim i/lub przemysłowym, gdzie poprawny pomiar rezystancji pojedynczego uziemienia jest niewykonalny.

Jeżeli w układzie TT samoczynnego (automatycznego) wyłączania zasilania dokonują zabezpieczenia nadprądowe, a połączeniami wyrównawczymi głównymi są objęte wszelkie części przewodzące obce w zasięgu instalacji, to można przyjąć największy dopuszczalny czas wyłączania, jak dla układu TN. Te połączenia wyrównawcze sprawiają, że człowiek nie jest narażony na działanie napięcia dotykowego względem ziemi odniesienia, lecz na działanie wielokrotnie mniejszego napięcia dotykowego między częściami jednocześnie dostępnymi. Jest ono równe spadkowi napięcia, jaki prąd zwarcia doziemnego, nieduży w układzie TT, wywołuje na określonym odcinku przewodów ochronnych (od miejsca zwarcia do miejsca wykonania najbliższych połączeń wyrównawczych).

Norma milcząco akceptuje układy o bezpośrednim uziemieniu roboczym (TN i TT) również w urządzeniach prądu stałego. Dawniej przestrzegano przed pochopnym stosowaniem takich rozwiązań z obawy przed korozją elektrochemiczną uziomów, zwłaszcza w układzie TN. Obecnie większość układów stałoprądowych niskiego napięcia to niezbyt rozległe obwody w obrębie jednego budynku, zasilane z indywidualnych przekształtników, o metalicznej pętli zwarcia doziemnego, albo złożonej wyłącznie z przewodów (układ TN), albo z udziałem części przewodzących obcych (układ TT). Uszkodzenia w układzie stałoprądowym nie wywołują wtedy przepływu prądu stałego w miejscach styczności uziomów z gruntem.

Samoczynne (automatyczne) wyłączenie zasilania w układzie IT

Układ IT, którego żadna część czynna nie jest uziemiona, cechuje się najmniejszym prądem zwarcia doziemnego w razie uszkodzenia izolacji podstawowej. Obwód prądu zamyka się przez upływności, a w układzie przemienno-prądowym również przez pojemności nieuszkodzonych faz względem ziemi i przewodu PE – w obrębie całej galwanicznie połączonej sieci. Wartość prądu jest bardzo mała i nie zależy od miejsca zwarcia, natomiast zależy od aktualnej konfiguracji sieci.

Do IT zalicza się również układy, których punkt neutralny albo inna część czynna jest uziemiona przez dużą impedancję, na przykład rzędu 1000 Ohm w instalacji 230/400 V. To uziemienie może mieć na celu zwiększenie wartości prądu zwarcia doziemnego, aby ułatwić wykrycie i lokalizację uszkodzenia. Celem tego uziemienia może być też ustalenie potencjału uziemionego punktu układu względem ziemi, aby zapobiec oscylacjom napięcia bądź niekontrolowanemu wzrostowi napięcia przewodów względem ziemi. W układzie IT zasilanym przez transformator z sieci wysokiego napięcia jest pożądane uziemienie otwarte z bezpiecznikiem iskiernikowym w celu ograniczenia skutków zwarcia między uzwojeniami wysokiego napięcia i niskiego napięcia.

Głównym celem wyboru układu IT na ogół jest zwiększenie ciągłości zasilania dzięki temu, że pojedyncze zwarcia doziemne, stanowiące ogromną większość wszelkich zwarć, nie muszą być wyłączane. Jest to możliwe, bo te zwarcia są małoprądowe, bez poważniejszych następstw. Drugim polem zastosowań są sytuacje, kiedy chodzi o ograniczenie zagrożenia pożarowego i/lub wybuchowego dzięki małej mocy cieplnej wydzielanej w miejscu zwarcia doziemnego. Z tych powodów układ IT stosuje się w kombinatach chemicznych, w podziemiach kopalń, na salach operacyjnych i oddziałach intensywnego nadzoru medycznego, a także na statkach i okrętach.

Pierwsze zwarcie doziemne, czy chociażby nadmierne obniżenie rezystancji izolacji doziemnej, łatwo może wykryć urządzenie do ciągłej kontroli stanu izolacji doziemnej IMD, będące zwykłym wyposażeniem takiej instalacji. Trudna jest natomiast lokalizacja miejsca uszkodzenia i jego wybiorcze wyłączanie. Tym niemniej pierwsze uszkodzenie powinno być szybko wykrywane, lokalizowane i usuwane przez obsługę, aby nie dopuścić do kolejnego uszkodzenia, które już wymaga wyłączenia co najmniej jednego z uszkodzonych obwodów. Każda część instalacji sieci oraz instalacji powinna być zatem stale dostępna dla obsługi, co praktycznie eliminuje układ IT z sieci rozdzielczej wspólnej i zasilanych z niej instalacji.

Po wystąpieniu pierwszego zwarcia doziemnego, części przewodzące dostępne o rezystancji uziemienia R_A mają względem ziemi odniesienia napięcie I_d . R_A. Nie powinno ono przekraczać największego dopuszczalnego długotrwale napięcia dotykowego:

I_d . R_A < lub = 50 V (w układzie AC),

I_d . R_A < lub = 120 V (w układzie DC).

To jest warunek skuteczności ochrony przy pierwszym zwarciu doziemnym. Obecność lub brak urządzenia monitorującego IMD ani jego stan nie mają tu nic do rzeczy. Nie jest bowiem urządzeniem zabezpieczającym ani urządzeniem ochronnym żadne z następujących urządzeń: 1) urządzenie do ciągłej kontroli stanu izolacji doziemnej IMD, 2) urządzenie monitorujące różnicowoprądowe RCM, 3) urządzenie do lokalizacji uszkodzeń izolacji doziemnej, chociaż w określonych zastosowaniach są one wymagane bądź zalecane przez normy i inne zasady wiedzy technicznej.

Drugie zwarcie doziemne, w innym przewodzie czynnym, wywołuje zwarcie dwumiejscowe. Pojawia się prąd o wartości groźnej ze względu na cieplne narażenia instalacji oraz zagrożenia porażeniem ludzi i zwierząt hodowlanych. Powinno zatem dojść do samoczynnego (automatycznego) wyłączania zasilania przez właściwe zabezpieczenie.

Jeżeli pętla zwarcia dwumiejscowego zamyka się przez ziemię, to sytuacja jest podobna, jak w układzie TT przy pierwszym uszkodzeniu i do wyłączenia w instalacji prądu przemiennego nadaje się raczej tylko wyłącznik różnicowoprądowy. Obowiązuje największy dopuszczalny czas wyłączania jak w układzie TT o tym samym napięciu względem ziemi. Powinien być spełniony warunek skuteczności ochrony: I_A . R_A < 50 V. Jeżeli pętla zwarcia dwumiejscowego jest w całości złożona z przewodów, to sytuacja jest podobna, jak w układzie TN przy pierwszym uszkodzeniu i wyłączenia mogą dokonywać choćby zabezpieczenia nadprądowe. Obowiązuje największy dopuszczalny czas wyłączania jak w układzie TN o tym samym napięciu nominalnym. W każdym obwodzie układu AC bez przewodu neutralnego bądź układu DC bez przewodu środkowego powinien być spełniony następujący warunek skuteczności ochrony:

Z_s < lub = U / 2.I_a

a w każdym obwodzie układu AC z przewodem neutralnym bądź DC z przewodem środkowym:

Z´_s < lub = U_o / 2.I_a

przy czym U = napięcie nominalne układu, między przewodami skrajnymi (liniowymi), U_o = napięcie między przewodami skrajnymi a przewodem neutralnym lub środkowym, I_a = prąd wyłączający urządzenia zabezpieczającego.

Izolacja ochronna

Izolacja ochronna zapewnia ochronę przeciwporażeniową podstawową oraz ochronę dodatkową (ochronę przy uszkodzeniu). W izolację ochronną urządzenie może być wyposażone fabrycznie albo podczas montażu instalacji i w zależności od tego jest inaczej znakowane i nieco inaczej traktowane.

Izolacja podwójna. Między częściami czynnymi a częściami przewodzącymi dostępnymi są dwa niezależne układy izolacyjne: izolacja podstawowa oraz izolacja dodatkowa. Oba układy izolacyjne powinny być oddzielone od siebie częściami przewodzącymi pośrednimi, aby każdy z nich można zbadać z osobna, np. mierząc rezystancję izolacji lub sprawdzając wytrzymałość elektryczną izolacji. Urządzenie o izolacji podwójnej może mieć części przewodzące dostępne i ma części przewodzące pośrednie, ale nie wolno przyłączać przewodu ochronnego PE ani do jednych, ani do drugich. Przewód ochronny nie ma tu do spełnienia żadnej roli, a mógłby przenieść napięcie dotykowe z innego, uszkodzonego obwodu.

Izolacja wzmocniona. Polega na zastosowaniu pojedynczego układu izolacyjnego o własnościach elektrycznych i mechanicznych równoważnych izolacji podwójnej. Stosowanie izolacji wzmocnionej powinno być ograniczone do urządzeń bądź części urządzeń, wobec których izolacja podwójna jest praktycznie niewykonalna.

Ochronna obudowa izolacyjna. W urządzeniu przygotowanym do pracy wszelkie części czynne oraz części przewodzące, oddzielone od części czynnych tylko izolacją podstawową, powinny znajdować się w obudowie izolacyjnej zapewniającej stopień ochrony co najmniej IP2X lub IPXXB. Obudowa powinna być trwale odporna na wszelkie narażenia elektryczne, mechaniczne, cieplne i inne występujące podczas pracy urządzenia oraz na możliwe narażenia środowiska pracy (tzw. wpływy zewnętrzne). Obudowa izolacyjna nie powinna zawierać żadnych śrub lub innych elementów mocujących z materiału izolacyjnego, które musiałyby lub mogłyby być zdejmowane podczas instalowania i eksploatacji, a których zastąpienie przez śruby lub inne elementy mocujące metalowe mogłoby naruszyć izolacyjność obudowy. Jeżeli przez obudowę izolacyjną muszą przechodzić cięgła lub wałki (np. rękojeści napędowe wbudowanych aparatów), to powinny one być tak wykonane, aby uszkodzenie izolacji podstawowej nie zagrażało porażeniem. Jeśli pokrywy lub drzwiczki obudowy izolacyjnej dają się otworzyć bez użycia narzędzia lub klucza, to wszelkie części przewodzące, które mogłyby być dostępne po ich otwarciu, powinny mieć izolacyjną osłonę o stopniu ochrony co najmniej IP2X lub IPXXB. Zdjęcie tej osłony nie powinno być możliwe bez użycia narzędzia lub klucza.

Do części przewodzących, które są dostępne po otwarciu lub usunięciu obudowy izolacyjnej, nie wolno przyłączać przewodu ochronnego PE. Ten zakaz zawsze obowiązywał, ale jest nagminnie łamany. Widuje się na przykład złącza w ochronnej obudowie izolacyjnej, oznakowane podwójnym kwadratem, we wnętrzu których do metalowych wsporników aparatury jest przyłączony przewód ochronny. Kto to uczynił, ten samowolnie zmienił klasę ochronności złącza z klasy II na klasę I. Jeżeli przez urządzenie znajdujące się w ochronnej obudowie izolacyjnej przechodzi obwód zawierający przewód ochronny PE, to we wnętrzu obudowy przewód ochronny PE i jego zacisk powinny być izolowane jak części czynne.

Zaostrzono wymagania odnośnie do przewodów zasilających urządzenia o izolacji ochronnej. Ich izolacja podstawowa powinna być chroniona od uszkodzeń mechanicznych przez niemetalowe składniki oprzewodowania: integralne warstwy ochronne przewodu lub listwy albo rury ochronne.

Jeżeli izolacja ochronna my być jedynym środkiem ochrony dodatkowej, tj. obwód lub część instalacji ma zawierać tylko wyposażenie o izolacji ochronnej, to ten obwód lub część instalacji powinny być pod stałym fachowym nadzorem wykluczającym przeróbki osłabiające skuteczność ochrony, co można zagwarantować tylko w warunkach przemysłowych. Norma nie wyjaśnia, jak rozumieć stały nadzór. Interpretacja normalizatorów niemieckich jest następująca: chodzi o wykrywanie usterek i ich bezzwłoczne usuwanie zanim dojdzie do wypadku, a więc w odstępach czasu co najmniej kilkakrotnie krótszych niż zwykle przepisane kontrole stanu technicznego urządzeń, w miarę możliwości wspomagane monitorowaniem stanu izolacji (IMD) lub prądu różnicowego (RCM). W takich i tylko takich warunkach dopuszcza się, aby obwody zasilające urządzenia klasy ochronności II nie miały przewodu ochronnego PE.

W przeciwnym razie obwody zawierające i zasilające wyłącznie urządzenia o izolacji ochronnej powinny być zaprojektowane i wykonane przy założeniu, że podczas eksploatacji – bądź stałego nadzoru – dowolne z tych urządzeń i w dowolnej chwili może być wymienione na urządzenie klasy ochronności I. Wobec tego we wszystkich obwodach: a) powinien być ułożony przewód ochronny PE na całej długości oprzewodowania i wprowadzony (bez przyłączania !) do wnętrza urządzeń w nadziei, że kiedyś – w razie instalowania urządzenia klasy ochronności I – elektryk to zauważy i potrafi wykorzystać, b) powinien być spełniony warunek samoczynnego (automatycznego) wyłączania zasilania.

Warto dodać, że w takich instalacjach (o układzie TN i TT) – nawet bez przewodu ochronnego PE – wyłączniki różnicowoprądowe wysokoczułe mogą bez przeszkód pełnić rolę ochrony przeciwporażeniowej uzupełniającej.

Bardzo niskie (małe) napięcie ze źródła bezpiecznego – obwód SELV oraz obwód PELV

Jest to szczególnie niezawodny, ale i kosztowny środek ochrony, który polega na tym, że wybrane urządzenia są zasilane: a) napięciem bardzo niskim (małym), nie wyższym niż 50 V AC lub 120 V DC, czyli napięciem uważanym za napięcie dotykowe dopuszczalne długotrwałe w przewidywanych warunkach środowiskowych, b) napięciem pochodzącym ze źródła bezpiecznego: transformatora bezpieczeństwa, przetwornicy bezpieczeństwa, prądnicy napędzanej silnikiem nieelektrycznym, ogniwa galwanicznego o odpowiednio przyłączonej ładownicy albo zasilacza elektronicznego odpowiedniej konstrukcji, c) z obwodu SELV lub obwodu PELV, który ma ochronne oddzielenie elektryczne od wszelkich innych obwodów, a obwód SELV – ma ponadto zwykłe oddzielenie elektryczne (izolacją podstawową) od ziemi.

Mimo iż napięcie robocze jest bardzo niskie, wymaga się stosowania ochrony podstawowej, jeżeli przekracza ono 25 V AC lub 60 V DC, a także w warunkach ekstremalnego zagrożenia (skóra mokra, człowiek zanurzony w wodzie).

Przewody obwodu SELV i obwodu PELV należy układać oddzielnie od przewodów wszelkich innych obwodów (oddzielenie przestrzenne), a jeśli nie można uniknąć zbliżenia, to obowiązują zaostrzone wymagania co do ich ochronnego oddzielenia elektrycznego (poza izolacją podstawową osłona izolacyjna lub uziemiona osłona metalowa, lub uziemiony ekran metalowy). Podobne wymagania obowiązują w odniesieniu do konstrukcji łączników i innych aparatów, w których elementy obwodu SELV lub PELV powinny mieć ochronne oddzielenie elektryczne od elementów innych obwodów.

Od obwodu SELV obwód PELV różni się tym, że ma uziemioną część czynną i/lub części przewodzące dostępne. Rozwiązaniem zalecanym jest obwód SELV. Obwód PELV powinien być stosowany tylko wtedy, gdy uziemienie robocze jest nieodzowne (np. dla celów ochrony przeciwzakłóceniowej) lub nieuniknione (np. obwód zawiera czujnik pomiarowy nieuchronnie uziemiony).

Ruchome źródła zasilania bezpieczne powinny mieć izolację podwójną lub izolację wzmocnioną lub ochronną obudowę izolacyjną. Wtyczki obwodów SELV i PELV nie powinny pasować do gniazd innych obwodów, a do gniazd obwodów SELV i PELV nie powinny pasować wtyczki urządzeń innych niż urządzenia klasy ochronności III.

Jeżeli chociażby jedno z wymagań stawianych obwodom SELV lub PELV nie może być spełnione, a napięcie bardzo niskie (małe) ELV (nie większe niż 50 V AC lub 120 V DC) jest niezbędne ze względów funkcjonalnych, ale nie jest konieczne ze względów na ochronę przeciwporażeniową, to obwód można zakwalifikować jako obwód FELV.

Dawniejsze normy nie wymagały oddzielenia elektrycznego obwodu FELV od obwodu zasilającego o wyższym napięciu. Obwód FELV mógł być zasilany z autotransformatora lub rezystancyjnego dzielnika napięcia. Nowsze normy wymagają zwykłego oddzielenia elektrycznego, wystarczy zwykły transformator oddzielający LV/ELV, niekoniecznie transformator bezpieczeństwa.

Części przewodzące dostępne obwodu FELV obejmuje się ochroną dodatkową w sposób identyczny jak podobne części w obwodzie pierwotnym. Zwykle jest to samoczynne (automatyczne) wyłączenie zasilania. Przy projektowaniu, a następnie przy sprawdzaniu stanu ochrony, skuteczność samoczynnego (automatycznego) wyłączania zasilania sprawdza się przy założeniu zwarcia między obwodem pierwotnym a obwodem wtórnym źródła zasilania.

Separacja ochronna

Obwód pojedynczego odbiornika o napięciu znamionowym wyższym niż napięcie bardzo niskie (małe) ELV, ale nieprzekraczającym 500 V, zasila się w jeden z następujących sposobów: a) z transformatora lub przetwornicy, których odwód wyjściowy ma zwykłe oddzielenie elektryczne od obwodu wejściowego, b) z prądnicy napędzanej silnikiem nieelektrycznym.

W razie uszkodzenia izolacji podstawowej nie płynie wyczuwalny prąd rażeniowy, bo nie ma dlań drogi powrotnej. Gdyby taka droga się znalazła, ochrona przestaje działać i dlatego a) obwodu wtórnego nie należy uziemiać ani łączyć z jakimkolwiek innym obwodem, b) obwód wtórny należy tak wykonać, aby ograniczyć w niej możliwość zwarć doziemnych.

Separacja przydaje się wówczas, gdy urządzenia ręczne dostępne tylko na napięcie 230 V lub 400 V mają być użytkowane w warunkach szczególnego zagrożenia porażeniem. Zasila się w ten sposób urządzenia na placu budowy, na pochylni stoczniowej, przy pracach w metalowych zbiornikach i rurociągach, również ogrzewanie zwrotnic, chodników, podjazdów i rynien ściekowych. Maleńkie transformatory separacyjne znajdują się w gniazdach wtyczkowych do golarek elektrycznych w łazienkach.

Nowa norma wprowadza tu zamieszanie, bo wymaga tylko zwykłego – a nie ochronnego – oddzielenia elektrycznego w źródle zasilania, co jest nielogiczne. W zgodzie z normą można użyć zwykłego transformatora oddzielającego ogólnego zastosowania, czyli transformatora o osobnych uzwojeniach pierwotnych i wtórnych oddzielonych tylko izolacją podstawową. Nie jest już wymagany transformator separacyjny, będący odmianą transformatora ochronnego o ochronnym oddzieleniu elektrycznym uzwojeń pierwotnego od wtórnego.

Tylko w instalacjach pod fachowym nadzorem dopuszcza się zasilanie więcej niż jednego odbiornika z pojedynczego transformatora separacyjnego lub przetwornicy separacyjnej. Pierwsze zwarcie doziemne nie ujawnia się, a kiedy wystąpi drugie w innym biegunie, wtedy łatwo o porażenie. Aby do niego nie dopuścić, wymagane są nieuziemione połączenia wyrównawcze miejscowe między częściami przewodzącymi dostępnymi wszelkich urządzeń. Te połączenia a) nie dopuszczają do wyczuwalnej różnicy potencjałów między częściami jednocześnie dostępnymi, b) sprawiają, że drugie uszkodzenie izolacji wywołuje zwarcie wielkoprądowe, wyłączane przez zabezpieczenia nadprądowe.

Ochrona przeciwporażeniowa uzupełniająca

W określonych warunkach zwiększonego zagrożenia porażeniem norma wymaga stosowania 3. stopnia ochrony – ochrony przeciwporażeniowej uzupełniającej. Stanowi ona częściową redundancję w stosunku do ochrony podstawowej i/lub ochrony dodatkowej (ochrony przy uszkodzeniu).

Wyłączniki różnicowoprądowe wysokoczułe, o znamionowym prądzie różnicowym zadziałania nieprzekraczającym 30 mA, stanowią uzupełnienie ochrony podstawowej w obwodach prądu przemiennego. Mogą uratować życie, kiedy ochrona podstawowa zostanie ominięta lub zawiedzie, a ochrona podstawowa nie zapobiega porażeniu.

Jeśli w chronionym obwodzie człowiek dotyka części czynnej, to płynie prąd rażeniowy o wartości wynikającej z parametrów obwodu rażeniowego, a niezależnej od czułości wyłącznika. Albo ten prąd przekracza prąd zadziałania wyłącznika i następuje samoczynne (automatyczne) wyłączenie zasilania, albo nie przekracza i może płynąć długotrwale, ale przecież nie wywołuje on: a) ani migotania komór serca w przypadku dowolnego wyłącznika wysokoczułego (o znamionowym prądzie różnicowym zadziałania do 30 mA), b) ani nawet skurczu mięsni ręki, uniemożliwiającego samouwolnienie, w przypadku wyłączników 6 i 10 mA, których stosowania norma nie wymaga.

Ten sam wyłącznik różnicowoprądowy wysokoczuły może być wykorzystany dla celów ochrony dodatkowej oraz dla celów ochrony uzupełniającej. Nie ma potrzeby stosowania dwóch osobnych aparatów. Jeżeli wyłącznik różnicowoprądowy wysokoczuły służy tylko do ochrony uzupełniającej, to – formalnie biorąc – nie dotyczą go wymagania o największych dopuszczalnych czasach samoczynnego wyłączania zasilania w obwodach odbiorczych o prądzie znamionowym nieprzekraczającym 32 A. Wystarczy, aby wyłącznik spełniał w tym zakresie wymagania normy produktowej.

Wyłącznik różnicowoprądowy w roli ochrony uzupełniającej wyzwala dopiero w wyniku przepływu prądu przez ciało człowieka, natomiast w roli ochrony dodatkowej wyzwala natychmiast po wystąpieniu uszkodzenia izolacji.

Jeśli w jakichkolwiek warunkach norma wymaga stosowania wyłącznika różnicowoprądowego wysokoczułego, to znaczy, że wymaga w tych warunkach ochrony uzupełniającej na wypadek dotknięcia przez człowieka części czynnej niebezpiecznej. Wymaga niejako uzupełnienia ochrony podstawowej. Dotyczy to następujących sytuacji: 1) urządzenia ruchome o prądzie znamionowym nieprzekraczającym 32 A przeznaczone do używania na wolnym powietrzu, 2) inne urządzenia użytkowane w warunkach szczególnego zagrożenia, 3) obwody gniazd wtyczkowych powszechnego użytku, o prądzie znamionowym nieprzekraczającym 20 A, przeznaczone do używania przez laików.

Od ostatniego wymagania wprawdzie można odstąpić w przypadku gniazd wtyczkowych będących pod nadzorem osób wykwalifikowanych albo osób poinstruowanych, np. w obiektach handlowych lub przemysłowych, ale lepiej tego odstępstwa nie nadużywać.

Skuteczność wyłącznika różnicowoprądowego wysokoczułego w roli ochrony uzupełniającej nie ma związku z obecnością, ani stanem przewodu ochronnego PE. Urządzenia klasy ochronności II, w tym narzędzia ręczne bez żyły ochronnej w przewodzie zasilającym, mogą być na równi z innymi objęte ochroną uzupełniającą. Jest to wręcz wymagane w warunkach ekstremalnego zagrożenia porażeniem, np. w ograniczonych przestrzeniach przewodzących.

Norma nie wspomina, że w układzie IT ochrona uzupełniająca stoi pod wielkim znakiem zapytania, nie można jej zagwarantować. Dotyczy to sytuacji, kiedy znaczna część prądu rażeniowego wraca do źródła zasilania przez wyłącznik różnicowoprądowy, któremu naiwnie przypisuje się funkcję ochronną.

Miejscowe połączenia wyrównawcze ochronne stanowią uzupełnienie ochrony podstawowej (ochrony przy uszkodzeniu), zwłaszcza w odniesieniu do urządzeń elektrycznych klasy ochronności I. Polegają na połączeniu ze sobą wszelkich części przewodzących dostępnych i części przewodzących obcych, które człowiek może jednocześnie dotknąć, w celu wyrównania ich potencjału.

Połączenia wyrównawcze miejscowe są wymagane w pomieszczeniach kąpielowych (z wanną lub natryskiem), w saunach, przy zelektryfikowanych basenach i fontannach, w kotłowniach i pompowniach, w pomieszczeniach hodowlanych i podobnych miejscach mokrych bądź wilgotnych, gdzie są jednocześnie dostępne różne części przewodzące. Można je wykonywać również bez użycia miejscowej szyny wyrównawczej. Jeśli miejscowa szyna wyrównawcza jest, to nie wymaga się, aby każda ze wspomnianych części była do niej przyłączona osobnym przewodem.

W sytuacjach, kiedy dotrzymanie wymaganego czasu samoczynnego (automatycznego) wyłączenia zasilania nie jest możliwe, połączenia wyrównawcze miejscowe mogą okazać się prostym sposobem obniżenia spodziewanego napięcia dotykowego poniżej wartości dopuszczalnej długotrwale. Wprawdzie nie dochodzi do samoczynnego (automatycznego) wyłączenia w wymaganym czasie, ale utrzymujące się napięcie dotykowe nie przekracza wartości dopuszczalnej długotrwale. Napięciem dotykowym jest wtedy spadek napięcia, jaki prąd wyłączający zabezpieczenia obwodu wywołuje na rezystancji przewodu ochronnego PE od punktu obliczeniowego do miejsca najbliższego połączenia wyrównawczego.

Normy techniczne – czeskie

ČSN 33 2000-4-41 ed.2:2007 Elektrické instalace nízkého napětí – Část 4-41: Ochranná opatření pro zajištění bezpečnosti. Ochrana před úrazem elektrickým proudem (Instalacje elektryczne niskiego napięcia – Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym).

ČSN 33 2000-5-54 ed.3:2012 Elektrické instalace nízkého napětí – Část 5-54: Výběr a stavba elektrických zařízení. Uzemnění a ochranné vodiče (Instalacje elektryczne niskiego napięcia – Część 5-54: Dobór i montaż urządzeń elektrycznych. Uziemienia i przewody ochronne).

ČSN EN 60529:1993 Stupně ochrany krytem. Krytí – IP kód (Stopnie ochrony zapewnianej przez obudowy. Osłona – IP kod).

ČSN EN 60071-1:2000 Elektrotechnické předpisy. Koordinace izolace – Část 1: Definice, principy a pravidla (Przepisy elektrotechniczne. Koordynacja izolacji – Część 1: Definicje, zasady i reguły).

ČSN EN 60071-2:2000 Elektrotechnické předpisy. Koordinace izolace – Část 2: Pravidla pro použití (Przepisy elektrotechniczne. Koordynacja izolacji – Część 2: Reguły stosowania).

ČSN EN 61140 ed.2:2003 Ochrana před úrazem elektrickým proudem. Společná hlediska pro instalaci a zařízení (Ochrona przed porażeniem elektrycznym. Wymagania ogólne dla instalacji i urządzeń).

ČSN EN 60742:1998 Oddělovací ochranné a bezpečnostní ochranné transformátory – Požadavky (Transformatory oddzielające i transformatory separacyjne – Wymagania).

ČSN EN 61558-2-2 ed.2:2007 Bezpečnost výkonových transformátorů, napájecích zdrojů, tlumivek a podobných výrobků – Část 2-2: Zvláštní požadavky a zkoušky pro regulační transformátory a pro napájací zdroje obsahující regulační transformátory (Bezpieczeństwo użytkowania transformatorów siłowych, zasilaczy, dławików i podobnych produktów – Część 2-2: Wymagania szczegółowe i badania dotyczące transformatorów regulacyjnych i zasilaczy z transformatorami regulacyjnymi).

ČSN EN 61558-2-4:1999 Bezpečnost výkonových transformátorů, napájecích zdrojů a podobně – Část 2-4: Zvláštní požadavky pro oddělovací ochranné transformátory pro všeobecné použití (Bezpieczeństwo użytkowania transformatorów siłowych, zasilaczy i tym podobnie – Część 2-4: Wymagania szczegółowe dotyczące transformatorów separacyjnych dla wykorzystania ogólnego).

Normy techniczne – polskie

PN-IEC 60364-4-41:2000 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przeciwporażeniowa.

PN-HD 60364-4-41:2009 Instalacje elektryczne niskiego napięcia – Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym.

PN-HD 60364-5-54:2010 Instalacje elektryczne niskiego napięcia – Część 5-54: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Uziemienia, przewody ochronne i przewody połączeń ochronnych.

PN-EN 60664 Koordynacja izolacji urządzeń elektrycznych w układach niskiego napięcia. Norma wieloarkuszowa.

PN-EN 60529:2003 Stopnie ochrony zapewnianej przez obudowy. Kod IP.

PN-EN 61140:2005 Ochrona przed porażeniem prądem elektrycznym. Wspólne aspekty instalacji urządzeń.

PN-EN 61558-2-1:2010 Bezpieczeństwo użytkowania transformatorów, zasilaczy, dławików i podobnych urządzeń – Część 2-1: Wymagania szczegółowe i badania dotyczące transformatorów oddzielających i zasilaczy z transformatorami oddzielającymi do ogólnego stosowania.

PN-EN 61558-2-4:2009 Bezpieczeństwo użytkowania transformatorów, zasilaczy, dławików i podobnych urządzeń o napięciach zasilających do 1100 V – Część 2-4: Wymagania szczegółowe i badania dotyczące transformatorów separacyjnych i zasilaczy z transformatorami separacyjnymi.

Skutki zwarcia przewodu skrajnego z ziemią L-PE w układzie TN

Napięcie dotykowe spodziewane U_T przy uszkodzeniu izolacji podstawowej w układzie TT

Zwarcie doziemne L-PE w układzie IT

Spis treści

Szanowni czytelnicy! 2

Systematyka i filozofia norm bezpieczeństwa 2

Podstawowa zasada ochrony przed porażeniem elektrycznym 2

Ochrony przeciwporażeniowa podstawowa 3

Zakres stosowania ochrony przeciwporażeniowej dodatkowej 4

Samoczynne wyłączenie zasilania – zasady ogólne 5

Samoczynne wyłączenie zasilania w układzie TN 8

Samoczynne wyłączenie zasilania w układzie TT 10

Samoczynne wyłączenie zasilania w układzie IT 12

Izolacja ochronna 13

Bardzo niskie (małe) napięcie ze źródła bezpiecznego – SELV, PELV 14

Separacja ochronna 15

Ochrona przeciwporażeniowa uzupełniająca 16

Załącznik: normy techniczne czeskie 17

Załącznik: normy techniczne polskie 18

Okładka

Zabezpieczenie nadprądowe 1

Zabezpieczenie różnicowoprądowe 1

Skutki zwarcia przewodu skrajnego z ziemią w układzie TN 19

Napięcie dotykowe spodziewane przy uszkodzeniu izolacji podstawowej

w układzie TT 19

Zwarcie doziemne w układzie IT 20

„Biuletyn Internetowy SEP“ – BIULETYN SEP numer 36, wydawca: Sdružení polských elektrotechniků v České republice / Stowarzyszenie Elektrotechników Polskich w Republice Czeskiej (SEP), zamknięcie numeru: 24.7.2015 r., adres wydawnictwa: 737 01 Český Těšín / Czeski Cieszyn, ul. Střelniční / Strzelnicza 28/209, redaktor: inż.Tadeusz Toman, 737 01 Třinec-Konská / Trzyniec-Końska 49, wydano na www.coexistentia.cz/SEP/strona4.htm w formie zeszytu gratis dla członków SEP