Pomiary ochronne w praktyce

wysokie napiecieRealizacja pomiarów ochronnych jest wynikiem niezaburzonego zdrowego rozsądku i mądrej wyobraźni. Pomiary ochronne są niczym innym, jak badaniem stanu niewidocznej dla oka gęstej sieci żył, przewodów i połączeń elektrycznych oplatających cały Twój dobytek.

Jeżeli nie pracujesz w straży pożarnej, to być może nawet nie zrozumiesz naszej intencji. Zawsze jednak możesz tu poćwiczyć umysł i rozwiązać wspólnie z nami kilka ciekawych problemów oraz zagadnień  z instalacją elektryczną
w Twoim domu związanych.

Miłego dnia !

 

Parametry pętli zwarcia L-PE

DSC_4261`Czy ochrona podstawowa za pomocą samoczynnego wyłączenia zasilania (SWZ) istnieje w przypadku gniazda elektrycznego zabezpieczonego wyłącznikiem nadmiarowoprądowym B-16 i impedancji pętli zwarcia  0,825 Ω (protokół pomiaru 1/060513)?
Typ instalacji (TN-S tj. posiadającej oddzielny przewód neutralny N i przewód ochronny PE).

Rozwiązanie

Samoczynne wyłączenie zasilania  jest bez zarzutu, gdy czas zadziałania zabezpieczenia nadmiarowoprądowego (dla danego typu instalacji i danego napięcia znamionowego) będzie odpowiednio krótki.

Zastosowane zabezpieczenie nadmiarowoprądowe – by w warunkach normalnych w instalacji TN-S zadziałało w czasie nie dłuższym niż 0,4 s (wg PN-IEC 60364-4-41) – wymaga odpowiedniej wartości prądu zwarciowego (Iz), który w czasie zwarcia będzie płynął w obwodzie.

In – prąd znamionowy wkładki bezpiecznikowej lub wyłącznika nadmiarowoprądowego

k – współczynnik liczbowy. Jego wartość odnajdziesz w charakterystyce wyzwalania wyłącznika (wg. DIN VDE 0641 część 11 / 8,92). Dla pracy B-16 w temperaturze 30oC i czasie zadziałania nie wyższym niż 0,4 s przyjęto k = 5

Ia – prąd zapewniający samoczynne zadziałanie urządzenia odłączającego zasilanie w zadanym czasie (patrz: charakterystyka wyzwalania wyłącznika)

    \[ I_a = k\cdot I_n \]

    \[ I_a = 5\cdot 16 = 80 A \]

Żeby prąd zwarcia przy napięciu znamionowym 230 V wyniósł 80 A impedancja pętli zwarcia musi wynosić co najwyżej 2,875 Ω. To jest maksimum.

    \[ Z = \frac{U_n}{I_n} \]

    \[Z = \frac{230}{80} = 2,875 \Omega\]

Każda niższa wartość impedancji pętli zwarcia dla podanych parametrów daje wyższy prąd zwarcia a co za tym idzie, redukuje czas zadziałania zabezpieczenia prądowego.

Norma PN-HD 60364.6 2008 dla pomiarów impedancji pętli zwarcia w niskich temperaturach przy niskich prądach pomiarowych, przewiduje uwzględnianie wzrostu rezystancji przewodów ze wzrostem temperatury spowodowanej przepływem prądu zwarciowego, stosuje następujące wymaganie

    \[Z \leqslant \frac{2}{3}\cdot \frac{U_n}{I_a}\]

    \[Z \leqslant \frac{2}{3}\cdot \frac{230}{80} = 1,917 \Omega\]

gdzie: Z – zmierzona wartość impedancji pętli zwarcia (L-PE); Un- napięcie znamionowe sieci względem ziemi

Ia prąd powodujący samoczynne zadziałanie zabezpieczenia w czasie określonym w tabeli 8.1 PN-HD 60364.6 2008

Fakty są takie, że spodziewany prąd zwarcia wynosi 278,8 A i jest o 3,5 raza większy aniżeli minimalny wymagany tu prąd zwarcia. Jest to wynikiem niskiej impedancji pętli zwarcia (dobra jakość instalacji elektrycznej). To powoduje, że czas zadziałania zabezpieczenia (jak wynika z jego charakterystyki wyzwalania) będzie dla zabezpieczenia nadmiarowoprądowego występującego w tym obwodzie nie dłuższy aniżeli 0,01 s.

    \[I_z=\frac{U_n}{Z_{L-PE}}=\frac{230}{0,825} = 278,8 A \]

Wniosek: Ochrona podstawowa w przypadku tego elementu instalacji jest skuteczna.

 

Parametry pętli zwarcia w obwodzie L-N

Czy istnieje zagrożenie (między innymi pożarowe) oszacowane na podstawie pomiaru impedancji pętli zwarcia w przypadku elementu instalacji elektrycznej – gniazda elektrycznego Typ instalacji (TN-S tj. posiadającej oddzielny przewód neutralny N i przewód ochronny PE).

Wykonany w obwodzie L-N oraz w obwodzie L-PE pomiar daje następujące wartości parametrów pętli zwarcia (protokół pomiaru 1/020513):

1. Impedancja pętli zwarcia L-N: 0,332 Ω

2. Rezystancja pętli zwarcia L-N 0,321 Ω

3. Reaktancja pętli zwarcia L-N 0,086 Ω

oraz

1. Impedancja pętli zwarcia L-PE: 0,344 Ω

2. Rezystancja pętli zwarcia L-PE: 0,332 Ω

3. Reaktancja pętli zwarcia L-PE: 0,090 Ω

Wartości parametrów w przypadku obu obwodów są zbliżone i niskie, co sugeruje zachowanie ciągłości i dobrą jakość połączeń. Nie istnieje zagrożenie wg oszacowania wykonanego tą szybką metodą.

Dopuszczalny błąd graniczny pomiaru impedancji pętli zwarcia wynosi +/- 30% (wg PN-EN 61557).

DSC_4251`

Niskonapięciowy pomiar rezystancji (ciągłości) przewodów ochronnych i połączeń wyrównawczych prądem ± 200 mA

Po kompensacji rezystancji przewodów urządzenia pomiarowego, podłączono je z jednej strony do głównej szyny (zacisku) uziemiającego oraz do części przewodzącej dostępnej w postaci bolca uziemiającego gniazda umieszczonego w kuchni przy zlewie i kuchence gazowej (tj. warunki szczególne). Pomiar rezystancji daje wynik 0,310 Ω. Zastosowano wyłącznik nadmiarowoprądowy B-16. Czy przewód ochronny spełnia wymagania?

    \[R \leqslant \frac{U_c}{I_a} \]

Uc – spodziewane napięcie dotykowe zależne od żądanego czasu zadziałania urządzenia ochronnego (na podstawie: IEC 479-1). Spodziewane napięcie dotykowe dla czasu zadziałania 0,2 s wynosi 210 V a dla 0,4 s 105 V.

Ia – prąd zapewniający samoczynne zadziałanie urządzenia w określonym czasie (dla warunków szczególnych obowiązuje czas zadziałania 0,2 s (wg PN-IEC 60364-4-41).

In – prąd znamionowy wkładki bezpiecznikowej lub wyłącznika nadmiarowoprądowego 16A (ETIMAT 10 B16)

k – współczynnik liczbowy. Jego wartość odnajdziesz w charakterystyce wyzwalania wyłącznika (wg. DIN VDE 0641 część 11 / 8,92). Dla czasu zadziałania nie dłuższego niż 0,2 s  k = 5 (ETIMAT 10 B16)

    \[ I_a = k\cdot I_n \]

    \[ I_a = 5\cdot 16 = 80 A \]

stąd

    \[R \leqslant \frac{210}{80} = 2,625 \Omega\]

W przypadkach budzących wątpliwości co do zapewnienia napięcia bezpiecznego długotrwale sprawdź, czy rezystancja połączeń wyrównawczych (R) między częściami przewodzącymi dostępnymi jednocześnie spełnia warunek

    \[R \leqslant \frac{U_l}{I_a} \]

Ul – dopuszczalne długotrwale napięcie dotyku: w warunkach normalnych 50 V, w warunkach o zwiększonym niebezpieczeństwie porażenia 25 V.

Napięcie bezpieczne dla prądu przemiennego i warunków normalnych wynosi 50 V a dla warunków szczególnych 25 V (PN-IEC 60364)

    \[R \leqslant \frac{25}{80} =0,3125 \Omega \]

Wartość rezystancji przewodu PE jest szczególnie istotna w przypadku powstania zwarcia i przepływu prądu zwarciowego (np. Iz = 692 A), gdyż wówczas na  przewodzących częściach innych urządzeń może pojawić się przez chwilę (0,01 s) napięcie wynoszące:

    \[U = R\cdot I \]

    \[U = 0,31\cdot 692 = 214,52 V\]

Wniosek: Przewód ochronny spełnia wymagania

 

Pomiar rezystancji izolacji

Przy wyłączeniu całej instalacji elektrycznej w mieszkaniu i odłączeniu wszystkich urządzeń elektrycznych wykonano pomiar rezystancji izolacji przez podłączenie przewodów urządzenia pomiarowego do przewodów L oraz N. Przy napięciu probierczym prądu stałego 500 V uzyskano wynik 2,8 MΩ. Jakie jest miesięczne zużycie energii przez samą instalację (będącą pod napięciem)?

    \[I_p = \frac{U_n}{R} \]

    \[I_p = \frac{230}{2,8\cdot10^6} = 2,21\cdot10^-5\]

miesiąc liczy średnio 30,5∙24 = 732 h

stąd

    \[E = I_p \cdot U_n \cdot t \]

    \[E = 2,21\cdot10^-5 \cdot 230 \cdot 732 \cdot 0,001 = 0,0138 kWh\]

Wniosek: miesięczne zużycie energii elektrycznej przez instalację jest na poziomie 0,0138 kWh (energia równoważna 21 min świecenia żarówki o mocy 40 W).

 

Wyłącznik różnicowoprądowy

Przeprowadzony pomiar prądu zadziałania wyłącznika (I∆n) RCD AC 2P 25A 30 mA A05-N7-2-25-030 (Bemko) daje wynik I = 27,2 mA; t = 21 ms. Czy myślisz, że ten wyłącznik jest sprawny?

Rozwiązanie:

Zmierzony prąd zadziałania jest niższy aniżeli deklarowany prąd zadziałania → wyłącznik jest sprawny

Czas zwłoki 21 ms jest niższy aniżeli czas zwłoki dla warunków szczególnych tj. 200 ms → wyłącznik jest sprawny

Również budowanie rzetelnej odpowiedzi w świetle zapisów EN 61008 i EN 61009, czyni 300 ms maksymalnym czasem wyłączenie obwodu dla prądu różnicowego w zakresie od 0,5 do 1 I∆n → wyłącznik jest sprawny

Wniosek: Wyłącznik jest sprawny

 

Wyłącznik różnicowoprądowy

Czy wyłącznik różnicowoprądowy z poprzedniego zadania spełnia wymagania normy PN-HD 60364-4-41 ?

Wyłącznik  zwykły/bezzwłoczny o prądzie znamionowym 30 mA reagujący na prąd przemienny RCD AC 2P 25A 30 mA A05-N7-2-25-030 (Bemko) uzyskuje następujące czasy zadziałania: przy prądzie I∆n = 15 mA nie zadziałał, przy prądzie  I∆n = 30 mA zadziałał w czasie 21 ms; przy prądzie  I∆n = 60 mA zadziałał w czasie 5 ms; a przy prądzie  I∆n = 150 mA zadziałał w czasie 7 ms.

Wg PN-HD 60364-4-41 podczas sprawdzania czasu zadziałania RCD obowiązuje pięciokrotność prądu zadziałania wyłącznika (a jego przepływ wymusza czas zadziałania nie dłuższy aniżeli 40 ms).

Wniosek: 7 ms < 40 ms zatem wyłącznik spełnia wymagania normy.

 

 Zadanie: Pożar nie bez przyczyny

Podczas nieobecności domowników, w jednym z podłączonych do instalacji elektrycznej odbiorników, dochodzi do uszkodzenia izolacji na skutek procesów starzenia oraz do pojawienia się dużego prądu przewodzenia o średniej wartości 17 A. Jaka moc oraz ile ciepła wydzieli się na tym uszkodzonym odbiorniku jeżeli w tej części instalacji występuje zabezpieczenie nadmiarowoprądowe CLS6 B-16 (Moeller Eaton). Temperatura otoczenia 26oC ?

Rozwiązanie

Z charakterystyki danego zabezpieczenia nadmiarowoprądowego odczytujesz czas zadziałania zabezpieczenia dla prądu przewodzenia 17 A. Wynosi on 3600 s.

Moc wydzielona

    \[P = I_p \cdot U_n \]

    \[P = 17 \cdot 230 = 3,91 kW \]

Ciepło wydzielone

    \[Q = I_p \cdot U_n \cdot t \]

    \[Q = 17 \cdot 230 \cdot 3600 = 14,08 MJ \]

(Jest to ciepło wystarczające do zagotowania ponad 45,5 l wody)

    \[m = \frac{Q}{C_p \cdot \Delta T} \]

    \[m = \frac{14,08\cdot 10^6}{4189,9 \cdot (100-26)} = 45,4 kg \]

    \[V = \frac{m}{d} \]

    \[V = \frac{45,4}{0,997} = 45,5 dm^3\]

 

Zadanie: Czy Twoje dziecko jest w tym domu bezpieczne?

Jednym z zabezpieczeń instalacji elektrycznej w mieszkaniu jest bezzwłoczny wyłącznik różnicowoprądowy EFI-2 25/0,03 AC (P302) (ETI Polam). Wyłącznik działa poprawnie, na co wskazują wyniki testu. Na skutek chwilowej nieuwagi rodziców dziecko wkłada metalowy przedmiot do wtyku gniazda połączonego z przewodem fazowym. Impedancja dziecka wynosi 1,2 kOhm. W jakim czasie wyłącznik różnicowoprądowy rozłączy obwód zwarcia zamknięty ciałem dziecka?

Rozwiązanie

Z oznaczenia wyłącznika RCD istniejącego w instalacji wynika, że prąd różnicowy wynosi 30 mA a wyłącznik jest wrażliwy na prądy impulsowe.

    \[I_n = \frac{U_n}{Z} \]

    \[I_n = \frac{230}{1,2\cdot 10{3}} = 191,67 mA \]

Wartość natężenia prądu, dla której występuje duże prawdopodobieństwo tragicznych skutków określa poziom 50 mA (porażenie mięśni oddechowych oraz zaistnienie fibrylacji komór sercowych w fazie względnej refrakcji pracy serca – repolaryzacja komór odpowiadająca załamkowi T w obrazie EKG wg Wilsona – która trwa od 5 do 90 ms).

Wyłącznik jest w stanie rozłączyć zamknięty obwód elektryczny o prądzie różnicowym 30 mA w czasie od 80 do 300 ms. Przy prądzie różnicowym o wartości 192 mA zadziałanie wyłącznika może nastąpić w czasie od 7 do 40 ms (por. EN 61008 i EN 61009).

Wniosek: Istnieje duże prawdopodobieństwo, że działanie zagrażające w tym przypadku nie będzie niosło żadnych skutków.

 

Przewód instalacji elektrycznej

Czy średnica przewodu w instalacji elektrycznej jest dobrana prawidłowo ze względu na obciążalność prądową długotrwałą?

Przewód elektryczny trzyżyłowy, żyły miedziane, jednodrutowe w izolacji z polwinitu zwykłego, płaskie (YDYp 750 V 3×2,5; NKT-Telefonika) jest obciążony sześcioma urządzeniami o mocy: 1 kW; 0,6 kW; 2,5 kW; 0,3 kW; 0,8 kW; 0,2 kW. Przyjęto współczynnik mocy 0,95.

Z przeprowadzonych oględzin wynika, że instalacja wykonana została sposobem podstawowym A1 (wg PN-IEC 60364-5-523:2001) tj. przewody wielożyłowe bezpośrednio w izolowanych cieplnie ścianach pomieszczeń. Wewnętrzne pokrycie ściany ma przewodność cieplną nie mniejszą niż 10 W/(m2∙K). Przewód w izolacji PVC o dwóch żyłach obciążonych prądem (L – prąd do obciążenia; N – prąd od obciążenia do ziemi).

Wykonany pomiar daje wartość napięcia fazowego 228,7 V

Rozwiązanie

Dla tego sposobu i przewodu obowiązują następujące współczynniki i wykładniki przy obliczaniu  dopuszczalną długotrwałą obciążalność prądową (wg PN-IEC 60364-5-523:2001; Tabl. B.52.1)

A = 11,2; m = 0,6118; B = 0; n = 0

stąd wartość dopuszczalnej długotrwałej obciążalności prądowej

    \[I_z = A \cdot S^m - B \cdot S^n\]

    \[I_z = 11,2 \cdot 2,5^{0,6118} = 19,62 A\]

gdzie S – przekrój znamionowy żyły [mm2]

Określenie wartości prądu obliczeniowego (roboczego)

    \[I_b = \frac{P}{U_{nf}} \cdot cos \phi \]

    \[I_b = \frac{(1+0,6+2,5+0,3+0,8+0,2) \cdot 10^3}{228,7} \cdot 0,95 = 22,43 A \]

Prawidłowo dobrany przekrój przewodu spełnia warunek

    \[I_z > I_b \]

    \[19,62 \not{>} 22,43 \]

Wniosek: Przewód nie został dobrany odpowiednio do istniejącego obciążenia.

_________________________________

c.d.n.

Szukaj tu kolejnych zadań, które pisze dla nas życie z właściwym sobie brakiem pośpiechu i jakby trochę bez świadomości uciekającego czasu.

_________________________________

W interpretacji niektórych zapisów przywoływanych norm wspomógł nas Pan mgr inż. Fryderyk Łasak z Nowohuckiego SEP swoim opracowaniem pt. Wykonywanie pomiarów odbiorczych i okresowych w instalacjach elektrycznych nn. Serdecznie dziękujemy!

oraz w ustaleniu relacji pomiędzy czasem trwania czynnika a efektami fizjologicznymi

Centralny Instytut Ochrony Pracy – Państwowy Instytut Badawczy (Pan dr hab. inż. Włodzimierz Korniluk) Serdecznie dziękujemy!