Klasyfikacja i podstawowe parametry wyłączników różnicowoprądowych. Oznaczanie wyłączników i ich charakterystyki działania.
Wyłączniki różnicowoprądowe są powszechnie spotykanym wyposażeniem instalacji elektrycznych niskiego napięcia. W niektórych obwodach stosowanie wyłączników różnicowoprądowych jest obowiązkowe. Podstawową ich zaletą jest to, że umożliwiają wykrywanie prądów doziemnych rzędu miliamperów, co jest nieosiągalne w przypadku zabezpieczeń nadprądowych (wyłączników nadprądowych i bezpieczników). Jest to bardzo istotne, jeżeli człowiek ma być chroniony przed skutkami rażenia spowodowanego bezpośrednim dotknięciem przewodu pod napięciem. Ta korzystna cecha może jednak sprawiać problemy w obwodach z urządzeniami elektronicznymi, w których naturalne prądy doziemne wynikające z przyłączonych filtrów przeciwzakłóceniowych są stosunkowo duże i powodują zbędne zadziałania wyłączników różnicowoprądowych. W instalacjach z wyłącznikami różnicowoprądowymi trzeba kłaść duży nacisk na poprawność wykonania instalacji, ponieważ błędne połączenia, jak np. zamiana przewodu neutralnego N z ochronnym PE czy połączenie przewodów N i PE w obwodzie odbiorczym, uniemożliwią jej poprawne użytkowanie.
Dobór i instalowanie wyłączników różnicowoprądowych wymagają szczególnej rozwagi, gdyż nietrudno doprowadzić do rozwiązania, w którym zainstalowany wyłącznik różnicowoprądowy nie będzie chronił w przypadku zagrożenia porażeniowego, lecz będzie zbędnie wyzwalał, kiedy takiego zagrożenia nie ma.
Rys. 1. Połączenia wewnętrzne wyłącznika różnicowoprądowego; T – przycisk TEST w obwodzie kontrolnym
Podstawowe parametry wyłączników różnicowoprądowych
Wyłączniki różnicowoprądowe występują w najprzeróżniejszych wykonaniach [4, 5, 6], różni producenci stosują odmienne oznaczenia dla określenia tych samych parametrów wyłącznika. Poniżej przedstawiono podział wyłączników różnicowoprądowych, biorąc pod uwagę najistotniejsze parametry.
Napięcie znamionowe Un
Jest związane z napięciem znamionowym izolacji i określa wymagania odnośnie do odstępów izolacyjnych aparatu oraz rezystancji izolacji. Jest również związane obciążalnością zwarciową oraz działaniem członu kontrolnego i nie powinno być znacznie większe (>20%) od napięcia znamionowego sieci.
Znamionowy prąd różnicowy zadziałania IΔn
Zalecane [2, 7, 8] wartości znamionowego prądu różnicowego zadziałania IΔn wyłączników różnicowoprądowych są następujące: 0,006 – 0,01 – 0,03 – 0,1 – 0,2 – 0,3 – 0,5 – 1 – 2 – 3 – 5 – 10 – 20 – 30 A. Dokonując wyboru znamionowego prądu różnicowego zadziałania wyłącznika różnicowoprądowego, należy pogodzić dwa sprzeczne kryteria. Z jednej strony prąd ten powinien być jak najmniejszy, a z drugiej strony nie może dochodzić do zbędnych zadziałań spowodowanych ustalonymi prądami upływowymi.
Znamionowy prąd ciągły In
Jest to największy prąd, jakim wolno wyłącznik długotrwale obciążać w stanie zamkniętym. Znormalizowane wartości są następujące: 6 − 10 − 13 − 16 − 20 − 25 − 32 − 40 − 50 − 63 − 80 − 100 − 125 A; norma [2] podaje ponadto wartości: 160 − 200 − 250 − 400 − 630 A, które dotychczas nie były wykorzystywane przez producentów. Prąd szczytowego obciążenia obwodu nie powinien przekraczać znamionowego prądu ciągłego dobranego wyłącznika różnicowoprądowego.
Rys. 2. Oscylogramy prądu ziemnozwarciowego iE(t) przy doziemieniu na zaciskach silnika i widmo amplitudowe tego prądu w zakresie częstotliwości: a) 0–25 kHz; b) 0–5 kHz; częstotliwość użytkowa 50 Hz (znamionowa prędkość obrotowa silnika), częstotliwość PWM 3 kHz
Liczba biegunów
Wyłącznik różnicowoprądowy powinien przerywać wszystkie przewody czynne (L1, L2, L3, N). W związku z tym są potrzebne następujące wyłączniki różnicowoprądowe:
– wyłączniki dwubiegunowe (a nie jednofazowe) – w obwodach jednofazowych,
– wyłączniki czterobiegunowe (a nie trójfazowe) – w obwodach trójfazowych z przewodem neutralnym,
– wyłączniki trójbiegunowe – w obwodach trójfazowych bez przewodu neutralnego.
Dopuszcza się wykorzystanie wyłączników czterobiegunowych w obwodach jednofazowych. Należy przy tym pamiętać, aby przewody L i N instalacji przyłączyć w sposób zapewniający działanie obwodu kontrolnego wyłącznika, tzn. aby reagował on na naciśnięcie przycisku kontrolnego TEST. Na przykład, stosując wyłączniki firmy Schrack, przewody L i N instalacji należy przyłączyć do biegunów wyłącznika oznaczonych numerami 1 i 5 (rys. 1), ponieważ do nich jest przyłączony obwód kontrolny.
Przydatność do wykrywania określonego kształtu przebiegu prądu różnicowego
Właściwy dobór wyłącznika różnicowoprądowego ze względu na ten parametr jest niezwykle istotny, ponieważ źle dobrany wyłącznik może w ogóle nie reagować na prąd różnicowy znacznie przekraczający znamionowy prąd różnicowy wyłącznika [1]. Na przykład na prądy wyprostowane z zasady nie reagują wyłączniki typu AC. W tab. 1 przedstawiono podział wyłączników różnicowoprądowych ze względu na zdolność do wykrywania określonego kształtu przebiegu prądu różnicowego.
Tab. 1. Rodzaje wyłączników różnicowoprądowych ze względu na zakres uczulenia na kształt przebiegu prądu różnicowego [2, 7, 8]
Coraz częściej spotykanym obwodem o niesinusoidalnym prądzie różnicowym jest obwód silnika o prędkości obrotowej regulowanej za pomocą przemiennika częstotliwości. W obwodzie takim widmo prądu różnicowego zależy od zastosowanej częstotliwości PWM (Pulse Width Modulation) przekształtnika oraz aktualnej prędkości obrotowej silnika. Na rys. 2 przedstawiono przykładowy przebieg prądu ziemnozwarciowego i jego widmo przy znamionowej prędkości obrotowej silnika i częstotliwości PWM równej 3 kHz. W przebiegu tym oprócz składowej o częstotliwości 50 Hz jest wiele innych składowych, głównie składowa o częstotliwości PWM (3 kHz). Są też składowe, których częstotliwość jest wielokrotnością częstotliwości PWM. Prądy ziemnozwarciowe (różnicowe) zawierające wyższe harmoniczne, szczególnie te wysokich rzędów, sprawiają, że czułość wyłączników różnicowoprądowych się pogarsza. Może się zdarzyć, że przy odkształconym przebiegu prądu różnicowego wyłącznik różnicowoprądowy o znamionowym prądzie różnicowym zadziałania równym 30 mA zadziała dopiero wtedy, gdy prąd osiągnie wartość 500 mA lub nawet większą. Zdarza się też, że wyłączniki w ogóle nie reagują na silnie odkształcony prąd różnicowy.
O kształcie przebiegu prądu różnicowego decyduje kształt napięcia względem ziemi. Z tego powodu nie wszystkie obwody o odkształconym prądzie obciążenia charakteryzują się odkształconym prądem różnicowym. Silnie odkształcony prąd pobierają niektóre lampy wyładowcze, ale w razie zwarcia doziemnego na ich zaciskach prąd różnicowy jest odkształcony mniej więcej w takim stopniu jak napięcie robocze.
Opóźnienie wyzwalania
Ze względu na opóźnienie wyzwalania wyróżnia się wyłączniki różnicowoprądowe:
– bezzwłoczne – bez określonego czasu przetrzymywania i bez dodatkowych oznaczeń;
– krótkozwłoczne – o gwarantowanym czasie przetrzymywania co najmniej 10 ms, nadające się do obwodów odbiorczych o dużym przejściowym prądzie różnicowym, w zależności od producenta oznaczane: G, VSK, KV, KVP, Hpi, HI;
– zwłoczne (selektywne) – o gwarantowanym czasie przetrzymywania co najmniej 40 ms, zapewniające wybiorczość działania z wyłącznikami bezzwłocznymi bądź krótkozwłocznymi, oznaczane S.
Ponadto produkowane są przekaźniki różnicowoprądowe współpracujące z wyłącznikami nadprądowymi, w których można nastawiać zarówno wartość znamionowego prądu różnicowego zadziałania, np. 0,03 – 0,1 – 0,3 – 1 – 3 – 5 – 10 A, jak i zwłokę zadziałania, np. 0,06 – 0,1 – 0,3 – 1 – 5 s.
Na rys. 3 przedstawiono pasmowe charakterystyki czasowo-prądowe wyłączników różnicowoprądowych:
– bezzwłocznego o I IΔn = 30 mA,
– krótkozwłocznego G o IΔn = 30 mA,
– zwłocznego S o I IΔn = 300 mA.
Obciążalność zwarciowa
Z tego punktu widzenia rozróżnia się następujące rodzaje wyłączników:
1. Wyłączniki różnicowoprądowe bez wyzwalaczy nadprądowych (RCCB – residual current operated circuit-breakrers without integral overcurrent protection) o zdolności wyłączania co najmniej równej 10-krotnej wartości prądu znamionowego ciągłego, ale nie mniejszej niż 500 A. Takie wyłączniki należy dobezpieczyć. Przykładowe oznaczenia wyłączników związane z koniecznością dobezpieczenia podano w ramce obok. Największy dopuszczalny prąd znamionowy wkładki bezpiecznikowej jest związany z wytrzymywanym przez wyłącznik różnicowoprądowy skutkiem cieplnym prądu zwarciowego i wytrzymywaną wartością szczytową prądu zwarciowego. Znajomość tych parametrów jest istotna, jeżeli wyłącznik różnicowoprądowy ma być dobezpieczony nie bezpiecznikiem, lecz wyłącznikiem nadprądowym. Musi on ograniczać wspomniane parametry zwarciowe w stopniu nie gorszym niż bezpiecznik wskazany przez producenta.
2. Wyłączniki różnicowoprądowe z wyzwalaczami nadprądowymi (RCBO – residual current operated circuit-breakrers with integral overcurrent protection) o zdolności wyłączania porównywalnej z wyłącznikami nadprądowymi. Takie wyłączniki mają symbol graficzny, który informuje o znamionowym prądzie zwarciowym umownym, np. oznacza wartość tego prądu równą 6 kA. Wyłączniki takie mają też podobny typ charakterystyki jak wyłączniki nadprądowe, np. B16.
Rys. 3. Charakterystyki czasowo-prądowe wyłączników różnicowoprądowych: a) bezzwłocznego o IΔn = 30 mA; b) krótkozwłocznego o IΔn = 30 mA; c) zwłocznego o IΔn = 300 mA
Dopuszczalny zakres temperatury otoczenia
Ten parametr określa, w jakich temperaturach będzie działał poprawnie układ wyzwalający wyłącznika. Jest to szczególnie ważne, jeśli wyłącznik ma pracować na wolnym powietrzu. Warunki otoczenia silnie wpływają na niezawodność wyłączników różnicowoprądowych [6]. Stosuje się oznaczenia podane w ramce wyżej.
dr hab. inż. Stanisław Czapp
Politechnika Gdańska
Bibliografia
1. S. Czapp, M. Włas, Działanie wyłączników różnicowoprądowych przy doziemieniu silnika zasilanego z przemiennika częstotliwości, „Przegląd Elektrotechniczny” nr 4/2010, s. 296–301.
2. IEC TR 60755:2008 General requirements for residual current operated protective devices, 2nd edition.
3. E. Musiał, List Pana Andrzeja Kasprzaka, miesięcznik SEP „Informacje o normach i przepisach elektrycznych” nr 131/2010, s. 116–118.
4. E. Musiał, S. Czapp, Wyłączniki ochronne różnicowoprądowe. Powstanie, rozwój, przyszłość (1), miesięcznik SEP „Informacje o normach i przepisach elektrycznych” nr 108/2008, s. 3–46.
5. E. Musiał, S. Czapp, Wyłączniki ochronne różnicowoprądowe. Przegląd i charakterystyka współczesnych konstrukcji (2), miesięcznik SEP „Informacje o normach i przepisach elektrycznych” nr 109/2008, s. 3–44.
6. E. Musiał, S. Czapp, Wyłączniki ochronne różnicowoprądowe. Niezawodność (3), miesięcznik SEP „Informacje o normach i przepisach elektrycznych” nr 110-111/2008, s. 3–40.
7. PN-EN 61008-1:2007 Wyłączniki różnicowoprądowe bez wbudowanego zabezpieczenia nadprądowego do użytku domowego i podobnego (RCCB) – Część 1: Postanowienia ogólne.
8. PN-EN 61009-1:2008 Wyłączniki różnicowoprądowe z wbudowanym zabezpieczeniem nadprądowym do użytku domowego i podobnego (RCBO). Część 1: Postanowienia ogólne.
9. PN-EN 61800-5-1:2007 Elektryczne układy napędowe mocy o regulowanej prędkości. Część 5-1: Wymagania dotyczące bezpieczeństwa – elektryczne, cieplne i energetyczne (oryg.).
10. PN-EN 50178:2003 Urządzenia elektroniczne do stosowania w instalacjach dużej mocy.
11. PN-HD 60364-4-41:2009 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przeciwporażeniowa.
12. PN-IEC 60364-4-482:1999 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Dobór środków ochrony w zależności od wpływów zewnętrznych. Ochrona przeciwpożarowa.
13. PN-HD 60364-5-56:2010 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 5-56: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Instalacje bezpieczeństwa (oryg.).
14. PN-HD 60364-7-701:2010 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 7-701: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Pomieszczenia wyposażone w wannę lub prysznic.
15. PN-HD 60364-7-703:2007 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Część 7-703: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Pomieszczenia i kabiny zawierające ogrzewacze sauny.
16. PN-HD 60364-7-704:2010 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 7-704: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Instalacje na terenie budowy i rozbiórki.
17. PN-HD 60364-7-705:2007 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 7-705: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Gospodarstwa rolnicze i ogrodnicze (oryg.).
18. PN-HD 60364-7-706:2007 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 7-706: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Pomieszczenia przewodzące i ograniczające swobodę ruchu (oryg.).
19. PN-IEC 60364-7-714:2003 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Instalacje oświetlenia zewnętrznego.
20. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 marca 2009 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. z 2009 r. Nr 56, poz. 461).
21. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 10 grudnia 2010 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuo-wanie (Dz.U. z 2010 r. Nr 239, poz. 1597).
