1, Elektryka, elektra

1. WSTĘP

Użytkowanie urządzeń elektrycznych jest związane z ryzykiem porażenia prądem elektrycznym. Aby zapobiegać porażeniom elektrycznym stosuje się różnego rodzaju systemy i środki ochrony przeciwporażeniowej. Tworzy się modele niezawodnościowe systemów ochrony przeciwporażeniowej i sprawdza, czy system jest nadal sprawny, jeżeli występują w nim określone, w miarę prawdopodobne uszkodzenia istotnych elementów. Każdy system ochrony powinien spełniać wymagania minimalne tzw. kryterium (n – 1), single fault condition, które informuje, że ochrona jest skuteczna, mimo wystąpienia jednego, jakiegokolwiek, dość prawdopodobnego uszkodzenia. Jeżeli występuje zwiększone zagrożenie porażeniem, to stawia się wymagania ostrzejsze, czyli kryterium (n – 2), double fault condition, które informuje, że ochrona jest skuteczna, mimo wystąpienia dwóch niezależnych, dość prawdopodobnych uszkodzeń.

Dobór środków ochrony zależy od zagrożenia porażeniowego i prawdopodobieństwa wystąpienia uszkodzenia. W kolejnych punktach artykułu przedstawiono środki ochrony przeciwporażeniowej i kryteria ich doboru.

2. CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA DOBÓR ŚRODKÓW OCHRONY PRZECIWPORAŻENIOWEJ

Wybór zakresu oraz środków ochrony przeciwporażeniowej zależy od kilku czynników [2, 3]. Zalicza się do nich:

– kwalifikacje osób mających styczność z urządzeniami elektrycznymi,

– warunki środowiskowe sprzyjające styczności człowieka z potencjałem ziemi,

– warunki środowiskowe wpływające na zmniejszenie impedancji ciała człowieka.

Wyżej wymienione czynniki określane są za pomocą odpowiednich symboli pozwalających rozpoznać, czy zagrożenie porażeniowe jest duże czy małe, co bezpośrednio jest związane z wyborem środków ochrony przeciwporażeniowej. W tablicy 1 przedstawiono charakterystykę czynników, wpływających na dobór środków ochrony przeciwporażeniowej, związanych z kwalifikacjami osób, natomiast w tablicy 2 ze stycznością człowieka z potencjałem ziemi.

Trzeci z czynników wpływających na zagrożenie porażeniowe i wybór środków ochrony przeciwporażeniowej, to warunki środowiskowe wpływające na zmniejszenie impedancji ciała człowieka, i oznaczany jest on kodem BB. Znaczne zmniejszenie impedancji ciała występuje wskutek zwilżenia naskórka, w pomieszczeniach wilgotnych i mokrych lub na wolnym powietrzu – kod BB3 oraz wskutek zanurzenia ciała w wodzie – kod BB4.

Na wybór i wymiarowanie środków ochrony przeciwporażeniowej wpływ ma również sposób użytkowania odbiorników. Wyróżnia się odbiorniki ręczne, przenośne, stacjonarne i stałe. Największe prawdopodobieństwo groźnego porażenia występuje przy odbiornikach trzymanych podczas pracy w ręku, a najmniejsze przy urządzeniach stacjonarnych lub stałych. Zagrożenie porażeniowe jest większe wówczas, gdy człowiek podczas pracy stoi na metalowym podłożu (kod BC3), niż kiedy będzie obsługiwał urządzenia elektryczne na izolacyjnym stanowisku (kod BC1). Inna będzie impedancja ciała człowieka w pomieszczeniu wilgotnym niż suchym.

Bardzo duże zagrożenie występuje wtedy, gdy człowiek styka się z częściami przewodzącymi inaczej niż poprzez stopy, np. plecami, karkiem, bądź siedzi na stanowisku metalowym (kod BC4). Jeżeli przerwanie kontaktu człowieka z tymi częściami przewodzącymi jest utrudnione, na przykład pracuje on w ciasnym pomieszczeniu, to należy zastosować specjalne środki ochrony przeciwporażeniowej, które opisano w rozdziale 4.

3. ŚRODKI OCHRONY PRZECIWPORA ŻENIOWEJ W INSTALACJACH DO 1 kV

Instalacje elektryczne do 1 kV wykonane są najczęściej na napięcie 3×230/400 V. Należy w nich stosować ochronę przed dotykiem bezpośrednim (ochrona przeciwporażeniowa podstawowa) i ochronę przy dotyku pośrednim (ochrona przeciwporażeniowa dodatkowa).

Ochrona przed dotykiem bezpośrednim jest to zespół środków technicznych chroniących przed zetknięciem się człowieka z częściami czynnymi, czyli będącymi w normalnych warunkach pod napięciem oraz przed udzieleniem się napięcia częściom przewodzącym dostępnym, czyli dostępnym dla dotyku częściom metalowym, np. obudowom odbiorników, które mogą się znaleźć pod napięciem w wyniku uszkodzenia. Wyróżnia się następujące środki ochrony przed dotykiem bezpośrednim [4]:

– izolowanie części czynnych,

– umieszczenie poza zasięgiem ręki,

– ogrodzenia lub obudowy,

– bariery.

Ochronę przy użyciu barier lub umieszczenie poza zasięgiem ręki można stosować w zasadzie w miejscach, do których dostęp mają osoby poinstruowane (kod BA4) lub z kwalifikacjami (kod BA5). Jedynie ochronę przez zastosowanie izolowania części czynnych oraz ochronę przy użyciu ogrodzenia lub obudowy można stosować niezależnie od występujących, omawianych w poprzednim punkcie, czynników środowiskowych.

Ochrona przy dotyku pośrednim jest to zespół środków technicznych, chroniących przed, wynikłymi z uszkodzenia ochrony przed dotykiem bezpośrednim skutkami zetknięcia się człowieka z częściami przewodzącymi dostępnymi i/lub częściami przewodzącymi obcymi. Wyróżnia się następujące środki ochrony przy dotyku pośrednim [4]:

– samoczynne wyłączenie zasilania,

– urządzenia II klasy ochronności lub o izolacji równoważnej,

– izolowanie stanowiska,

– separację elektryczną,

– nieuziemione połączenia wyrównawcze.

Najczęściej stosowanym środkiem ochrony przy dotyku pośrednim jest samoczynne wyłączenie zasilania przez zabezpieczenia nadprądowe i/ lub różnicowoprądowe, gdyż w ten sposób stosunkowo tanio i prosto można zapewnić bezpieczeństwo użytkowania urządzeń elektrycznych.

Urządzenie zabezpieczające powinno samoczynnie wyłączyć zasilanie w taki sposób, aby w następstwie zwarcia między częścią czynną i częścią przewodzącą dostępną lub przewodem ochronnym obwodu lub urządzenia, spodziewane napięcie dotykowe przekraczające 50 V wartości skutecznej prądu przemiennego lub 120 V nietętniącego prądu stałego, było wyłączone tak szybko, żeby nie wystąpiły skutki patofizjologiczne dla człowieka dotykającego w chwili zwarcia części przewodzących jednocześnie dostępnych [4].

Dla zapewnienia prawidłowego działania tego środka ochrony niezbędna jest właściwa koordynacja zabezpieczeń i impedancji pętli zwarciowej lub rezystancji uziemienia, a także zastosowanie połączeń wyrównawczych. Obliczeniowe lub pomiarowe sprawdzanie spełnienia tego wymagania polega na badaniu czułości zabezpieczeń przy zwarciach doziemnych oraz ciągłości połączeń ochronnych. Stawiane wymagania, praktyczna ich realizacja oraz sposoby sprawdzania zależą od zastosowanego układu sieci bądź instalacji.

W najczęściej stosowanym układzie TN [1] zwarcie bezoporowe dowolnego przewodu fazowego z przewodem ochronnym PE (ochronnoneutralnym PEN), powinno wywołać przepływ prądu co najmniej równego prądowi wyłączającemu poprzedzającego zabezpieczenia zwarciowego, najbliższego w kierunku źródła (rys. 1). W określonym czasie powinno zadziałać zabezpieczenie W2 z rysunku 1. Warunek skuteczności ochrony jest wyrażony wzorem:

gdzie:

Uo – napięcie względem ziemi, w [V],

Zs – impedancja pętli zwarcia przewodu fazowego z przewodem ochronnym, w [Ω],

Ia – prąd wyłączający zabezpieczenia, w [A].

Ochrona przez zastosowanie urządzeń II klasy ochronności lub o izolacji równoważnej może być zastosowana w postaci izolacji podwójnej, izolacji wzmocnionej, ochronnej osłony izolacyjnej lub kombinacji dwóch lub trzech wymienionych zasad konstrukcyjnych. Urządzenia wykonane fabrycznie w II klasie ochronności są oznaczone dwoma współśrodkowymi kwadratami o stosunku boków 2:1 (rys. 2a) i nie należy do nich przyłączać przewodu ochronnego. Jeżeli wykonuje się izolację dodatkową lub wzmocnioną w trakcie montażu urządzenia, to należy na nim umieścić znak o zakazie przyłączania przewodu ochronnego (rys. 2b).

Izolowanie stanowiska polega na zastosowaniu wokół urządzenia elektrycznego nieprzewodzących podłóg i ścian lub pokryciu ich warstwą izolacyjną. Materiał zastosowany do uzyskania wymaganej rezystancji powinien być trwale przymocowany do podłoża i mieć trwałe właściwości elektroizolacyjne oraz dobrą odporność na zużycie mechaniczne.

Stosując ten środek ochrony należy tak rozmieścić urządzenia elektryczne z przewodzącymi obudowami, aby w normalnych warunkach człowiek nie mógł dotknąć równocześnie obudów dwóch urządzeń oraz obudowy urządzenia i części przewodzącej obcej, czyli konstrukcji metalowej nie będącej urządzeniem elektrycznym. Na izolowane stanowisko nie należy wprowadzać przewodu ochronnego. Rezystancja izolacji podłóg i ścian dla napięcia sieci 230/400 V na izolowanym stanowisku nie powinna być mniejsza niż 50 kΩ.

Separacja elektryczna ma na celu galwaniczne oddzielenie obwodu odbiorczego od sieci zasilającej. W wyniku tego prąd rażeniowy nie płynie, gdyż nie ma drogi powrotnej (rys. 3).

Aby ten środek był skuteczny, nie można obwodu wtórnego uziemiać ani łączyć z innym obwodem. W zasadzie z transformatora separacyjnego należy zasilać tylko jeden odbiornik. Dopuszcza się zasilanie więcej niż jednego odbiornika z jednego transformatora separacyjnego, ale konieczne są wtedy połączenia wyrównawcze pomiędzy odbiornikami, które mają za zadanie wyrównać potencjały pomiędzy obudowami odbiorników oraz zapewnić zadziałanie zabezpieczeń przy drugim zwarciu doziemnym.

Zaleca się, aby obwód separowany spełniał następujące warunki:

gdzie:

l – łączna długość przewodów obwodu separowanego, w [m],

Un – napięcie znamionowe obwodu separowanego, w [V].

Nieuziemione połączenia wyrównawcze powinny łączyć wszystkie części przewodzące jednocześnie dostępne i części przewodzące obce w celu zapobieżenia pojawieniu się niebezpiecznych napięć dotykowych. Nie powinny mieć one elektrycznego połączenia z ziemią. Ten środek ochrony w zasadzie wspomaga inne środki ochrony przy dotyku pośrednim. Nieuziemione połączenia wyrównawcze stosuje przy separacji elektrycznej, jeżeli z obwodu separowanego zasila się więcej niż jeden odbiornik lub przy zastosowaniu izolowania stanowiska, jeżeli na izolowanym stanowisku znajdują się urządzenia elektryczne z przewodzącymi obudowami i nie są zachowane minimalne odległości pomiędzy odbiornikami, co stwarza możliwość ich jednoczesnego dotknięcia.

Zamiast stosować oddzielnie ochronę przed dotykiem bezpośrednim i ochronę przy dotyku pośrednim, można zastosować równoczesną ochronę przed dotykiem bezpośrednim i pośrednim. Ten rodzaj ochrony realizuje się zasilając urządzenia elektryczne napięciem ochronnie obniżonym ELV (Extra Low Voltage). Źródłem zasilania może być transformator bezpieczeństwa lub inne źródło np. bateria akumulatorów lub zespół prądotwórczy napędzany silnikiem Diesla, które zapewnia stopień bezpieczeństwa równoważny transformatorowi bezpieczeństwa.

Wyróżnia się obwody SELV (Safety Extra Low Voltage), w których żadna część czynna nie jest uziemiona, nie powinny też być celowo uziemiane części przewodzące dostępne – jest to rozwiązanie zalecane, i obwody PELV (Protective Extra Low Voltage), w których występuje uziemienie wybranej części czynnej, np. dla celów ochrony przeciwzakłóceniowej – rozwiązanie stosowane w razie konieczności.

Przewody obwodu SELV lub PELV powinny być prowadzone oddzielnie od obwodów o napięciu 230/ 400 V. Gniazda wtyczkowe i wtyczki nie powinny pasować do obwodów na inne napięcia i nie powinny mieć styku ochronnego. Napięcie obwodów ELV nie może przekraczać 50 V prądu przemiennego i 120 V prądu stałego.

4. OCHRONA PRZECIWPORAŻENIOWA PRZY EKSTREMALNYM ZAGROŻENIU PORAŻENIOWYM

Jeżeli urządzenia elektryczne znajdują się w ciasnym pomieszczeniu budynku lub ciasnym wnętrzu innego obiektu technicznego o podłożu, ścianach i/lub innych dużych częściach przewodzących, z którymi człowiek może się stykać znaczną powierzchnią ciała i ma ograniczoną możliwość przerwania tej styczności, to takie pomieszczenie jest nazywane, z punktu widzenia ochrony przeciwporażeniowej, ograniczoną przestrzenią przewodzącą. Przykładem takiego pomieszczenia może być wnętrze metalowego zbiornika, rurociągu czy komory chłodniczej. W takich pomieszczeniach należy stosować tylko wybrane środki ochrony przeciwporażeniowej, które charakteryzują się wyjątkową skutecznością i niezawodnością [5].

Zastosowanie odpowiednich środków ochrony przeciwporażeniowej zależy od sposobu użytkowania odbiorników elektrycznych.

Do zasilania narzędzi ręcznych i przenośnych urządzeń pomiarowych należy stosować obwody SELV lub separację elektryczną, przy czym do jednego uzwojenia wtórnego transformatora separacyjnego może być przyłączony tylko jeden odbiornik.

Zaleca się stosowanie wyposażenia elektrycznego wykonanego w II klasie ochronności. Dopuszcza się stosowanie urządzeń wykonanych w I klasie ochronności (z zaciskiem ochronnym), ale urządzenie to powinno mieć co najmniej rękojeść wykonaną z materiału izolacyjnego lub pokrytą materiałem izolacyjnym.

Lampy ręczne należy zasilać z obwodu SELV. Dopuszcza się oprawy świetlówkowe zawierające, zasilany napięciem bardzo niskim, transformator podwyższający napięcie.

W odniesieniu do urządzeń stałych dopuszcza się następujące środki ochrony:

– samoczynne wyłączenie zasilania, przy czym części przewodzące dostępne urządzeń stałych i części przewodzące obce powinny być objęte połączeniami wyrównawczymi dodatkowymi,

– obwody SELV,

– separację elektryczną z zastrzeżeniem, że z jednego uzwojenia wtórnego transformatora separacyjnego będzie zasilany tylko jeden odbiornik.

W ograniczonych przestrzeniach przewodzących nie dopuszcza się stosowania barier oraz umieszczenia poza zasięgiem ręki, jako środków ochrony przed dotykiem bezpośrednim.

Źródło napięcia dla obwodu SELV lub obwodu separowanego powinno się znajdować poza ograniczoną przestrzenią przewodzącą, chyba że jest to oprawa oświetleniowa z wbudowanym transformatorem.

Jeżeli urządzenia stałe, takie jak np. aparaty pomiarowe i sterownicze wymagają uziemienia roboczego, to wszystkie części przewodzące dostępne i części przewodzące obce w obrębie ograniczonej przestrzeni przewodzącej, wraz z tym uziemieniem roboczym, powinny być objęte połączeniami wyrównawczymi.

5. WNIOSKI

W instalacjach elektrycznych należy stosować środki ochrony przed dotykiem bezpośrednim i przy dotyku pośrednim. Wybór środków ochrony zależy od kwalifikacji osób mających styczność z urządzeniami elektrycznymi, warunków środowiskowych sprzyjających styczności człowieka z potencjałem ziemi oraz warunków środowiskowych wpływających na zmniejszenie impedancji ciała człowieka.

O ile w wielu przypadkach nie ma ograniczeń co do stosowania wszystkich dostępnych środków ochrony przeciwporażeniowej, to jeżeli urządzenia elektryczne mają być obsługiwane w ciasnych pomieszczeniach o przewodzących ścianach i/lub podłożu, a przerwanie styczności z potencjałem ziemi jest utrudnione – co może mieć miejsce w chłodniach – należy stosować tylko wybrane środki ochrony, szczególnie skuteczne i niezawodne przy ekstremalnym zagrożeniu porażeniowym.

Autor: dr inż. Stanisław CZAPP