11.1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z powszechnie stosowanymi środkami ochrony przeciwporażeniowej, stosowanymi w instalacjach i urządze-niach elektrycznych.
11.2. Przepływ prądu elektrycznego a organizm człowieka
Począwszy od lat 80. XIX wieku rozpoczęła się elektryfikacja miejscowości na całym świecie. Wykorzystanie prądu elektrycznego wiązało się z nowymi, nigdy wcześniej niespotykanymi możliwościami. Jednak jak to bywa zazwyczaj, podniesienie komfortu życia ludzi wiąże się z powstawaniem nowego rodzaju zagrożeń. Nieumiejętna obsługa urządzeń elektrycznych czy też wadliwe, źle zaprojektowane lub wykonane systemy bezpieczeństwa narażają użytkowników na poważne niebezpieczeństwa. Przepływ prądu elektrycznego przez orga-nizm człowieka może powodować poważne, nieodwracalne skutki dla zdrowia, a w określonych okolicznościach nawet śmierć.Dzięki wielu latom badań wiadomo, że do najpoważniejszych skutków prze-pływu prądu przez ciało człowieka możemy zaliczyć:
a) skurcze mięśni,
b) oparzenia zewnętrzne i wewnętrzne, c) utratę przytomności,
d) trudności lub zatrzymanie oddychania,
e) zakłócenia pracy serca – od migotania komór sercowych, aż po zatrzymanie akcji serca.
Badanie środków ochrony przeciwporażeniowej
11.
a) natężenie prądu rażeniowego (czym wyższe, tym poważniejsze skutki), b) czas przepływu prądu rażeniowego (czym dłuższy, tym większe
konsekwen-cje zdrowotne, większe skutki oddziaływania cieplnego),
c) częstotliwość prądu rażeniowego (najniebezpieczniejsza częstotliwość w zakresie 40 – 60 Hz),
d) droga przepływu prądu przez ciało człowieka (najniebezpieczniejszy jest przepływ prądu w obrębie klatki piersiowej),
e) rezystancja ciała człowieka (zależne od napięcia rażeniowego, wilgotności i temperatury skóry), indywidualne cechy danego organizmu (wiek, płeć, otyłość, choroby),
f) pozostałe warunki danego porażenia (warunki otoczenia, powierzchnia styku z przewodnikiem, siła docisku przewodnika do naskórka, itd.).
W tabeli 11.1 zamieszczono opis typowych reakcji organizmu człowieka na przepływ prądu rażeniowego (przemiennego i stałego) o określonej wartości.
Tabela 11.1. Wpływ prądu rażeniowego na organizm człowieka (wartości uśrednione dla
mężczyzn)
Wartość prądu
[mA] Objawy, skutki (prąd przemienny, częstotliwość 50 – 60 Hz)
0,5 Niewyczuwalny 1 – 1,5 Granica wyczuwalności
1 – 3 Odczuwanie niepowodujące bólu 3 – 6 Odczuwanie bólu oraz skurczy mięśni
10 – 15 Silne skurcze oraz intensywny ból, problemy z oderwaniem rąk od przedmiotów pod napięciem*
15 – 25 Bardzo silne skurcze, samodzielne oderwanie ręki zaciśniętej na przedmiocie pod napięciem niemożliwe, trudności z oddychaniem 30 Możliwa utrata przytomności, poważne problemy z oddychaniem
75 Możliwe migotanie komór sercowych przy czasie rażenia ok. 1 s 250 Przy czasie rażenia powyżej 0,4 s migotanie komór sercowych 4000 Zatrzymanie akcji serca
> 5000 Zwęglanie się tkanek
Objawy, skutki (prąd stały)
5 – 8 Początek odczuwania przepływu prądu 10 – 15 Uczucie ciepła
20 – 25 Skurcze mięśni, intensywne odczuwanie ciepła
11.2. Przepływ prądu elektrycznego a organizm człowieka Na rys. 11.1 przedstawiono zależność pomiędzy czasem przepływu t [ms] oraz natężeniem prądu rażeniowego I [mA] w kontekście wpływu na organizm ludzki. Poszczególne strefy oznaczają:
a) AC-1 – możliwe delikatne odczuwanie przepływu prądu,
b) AC-2 – odczuwalne wartości prądu, powstające mimowolne skurcze, lecz przepływ prądu zwykle nie powoduje patofizjologicznych skutków szkod-liwych dla zdrowia,
c) AC-3 – silne mimowolne skurcze, trudności w oddychaniu, możliwe zakłóce-nia pracy serca, jednak często odwracalne,
d) AC-4 – powyżej krzywej C1 należy się spodziewać skutków patofizjologicz-nych: zatrzymania akcji serca, oddychania, oparzenia, uszkodzenia tkanek; prawdopodobieństwo zaistnienia migotania komór serca jest zależne od wartości natężenia prądu oraz czasu jego przepływu: < 5% w obszarze AC-4.1; < 50 % w obszarze AC-4.2; > 50% w obszarze AC-4.3.
Rys. 11.1. Wpływ przepływu prądu (OY) w czasie (OX) na organizm człowieka
Źródło: opracowanie własne na podstawie [11]
Należy także zaznaczyć, iż z obecnością urządzeń elektrycznych w środowi-sku pracy, a dokładniej z niekorzystnymi zjawiskami, do których może dochodzić
Badanie środków ochrony przeciwporażeniowej
11.
Jako napięcie dotykowe definiuje się spadek napięcia (na rezystancji ciała) wzdłuż drogi przepływu prądu przez rażonego człowieka, czyli na drodze ręka – nogi, ręka – noga lub ręka – ręka. O napięciu dotykowym będziemy mówić, kiedy np. użytkownik urządzenia elektrycznego dotknie jego nieuziemionej obudowy, która na skutek uszkodzenia znalazła się pod napięciem. Wówczas, w niesprzy-jających warunkach (buty oraz podłoże niewykazujące odpowiednich własności izolujących), może nastąpić przepływ prądu rażeniowego na drodze ręka – nogi.
Napięciem krokowym określa się spadek napięcia na rezystancji ciała na
drodze przepływu prądu na drodze noga – noga. Warunkiem koniecznym jego wystąpienia jest przyłożenie nóg w dwóch punktach o różnych potencjałach. Przykładem może być wyładowanie atmosferyczne. Wówczas w miejscu ude-rzenia pioruna w ziemię pojawia się wysokie napięcie, którego wartość spada promieniście w miarę wzrostu odległości od miejsca doziemienia. Człowiek stojący w bezpośrednim otoczeniu (np. pod drzewem, w które uderza piorun) będzie miał stopy ustawione w dwóch różnych punktach, które będą miały różne potencjały. Spowoduje to przepływ prądu na drodze noga – noga. Napięcie kro-kowe w tym wypadku może sięgać kilku kV.
11.3. Ochrona przeciwporażeniowa
11.3. Ochrona przeciwporażeniowa
Ochrona przeciwporażeniowa realizowana jest zarówno w obwodach prądu stałego, jak i przemiennego. Powszechność zastosowania prądu przemiennego sprawia jednak, że ok. 75% przypadków porażeń dotyczy użytkowników obwo-dów elektrycznych prądu przemiennego.
11.3.1. K lasy ochronności urządzeń
Urządzenia elektryczne o napięciu znamionowym nie wyższym niż 440 V i napięciu względem ziemi nie wyższym niż 250 V podzielone są na cztery klasy ochronności, w zależności od zastosowanych rozwiązań służących ochronie prze-ciwporażeniowej. Zestawienie przedstawiono w tabeli 11.2.
Ta bela 11.2. Podział urządzeń elektrycznych na klasy ochronności
Klasa Opis Przykłady
0 Zastosowanie jedynie izolacji podstawowej. W przypadku awarii bezpieczeństwo jest zależne od środowiska (otoczenia) pracy (np. izolacja stanowiska, uziemienie konstrukcji, instalacji)
oprawy oświetleniowe, żyrandole I Stosowanie zacisków ochronnych podłączonych do przewodów PE lub PEN, dzięki czemu następuje szybkie zadziałanie
zabezpieczeń układu zasilania
silniki, pralki, kuchenki elektryczne II Zastosowanie podwójnej lub wzmocnionej izolacji, której zniszczenie jest znacznie utrudnione elektronarzędzia, suszarki do włosów III Zastosowanie bardzo niskich napięć zasilających, poniżej wartości dopuszczalnej zabawki, niektóre elektronarzędzia Źródło: opracowanie własne na podstawie [35]
Oznaczenia urządzeń, w których zastosowano rozwiązania techniczne speł-niające wymogi poszczególnych klas ochronności przedstawiono na rys. 11.3.
Badanie środków ochrony przeciwporażeniowej
11.
11.3.2. U kłady sieciowe
Sieci niskonapięciowe zasilane są z układów różnego rodzaju. Ich schematy ideowe przedstawiono na rys. 11.4. W układach zasilania typu TN, jeden z prze-wodów powinien być uziemiony.
Rys. 11.4. Układy zasilania sieci niskonapięciowych
Źródło: opracowanie własne na podstawie [17] Układ TN-C
11.3. Ochrona przeciwporażeniowa (zwanym także zerowym), pełniącym jednocześnie rolę przewodu ochronnego, a zatem oznaczonego symbolem PEN17. W przypadku przebicia, tj. pojawienia się napięcia na części przewodzącej dostępnej (np. obudowie urządzenia), popłynie prąd zwarcia od przewodu fazowego, poprzez obudowę do uziemionego prze-wodu PEN, co poskutkuje zadziałaniem zabezpieczeń instalacji. Układy TN-C były powszechnie stosowane do 1993 roku.
Układ TT
Przewód neutralny jest uziemiony, a wszystkie części przewodzące dostępne powinny być połączone ze sobą przewodami ochronnymi, połączonymi do tego samego uziomu.
Układ TN-C-S
W tym układzie, co najmniej w części sieci, przewód neutralny pełni także rolę przewodu ochronnego. Połączenie przewodu ochronnego i neutralnego powinno być jednak zrealizowane nie po stronie odbiorników, lecz po stronie zasilania. Po wprowadzeniu obowiązku stosowania układu TN-S w nowopowsta-jących i remontowanych budynkach, układ TN-C-S stanowi pewne rozwiązanie przejściowe. Powstaje, jeżeli modernizowana jest jedynie fragmentarycznie instalacja TN-C.
Układ IT
Każde urządzenie ma osobny punkt neutralny, podłączony do ziemi. Jeżeli uzwo-jenie transformatora zasilającego połączone jest inaczej niż w trójkąt, stosuje się punkt neutralny, podłączony przez bezpiecznik iskiernikowy18.
Układ TN-S
W chwili obecnej w obwodach powszechnego użytku obowiązuje układ sieci TN-S, czyli oddzielny przewód neutralny i ochronny. W tym układzie nie ma pojęcia zerowania, z uwagi na fakt łączenia obudowy urządzeń z przewodem ochron-nym i uzyskania prądu zwarcia w przypadku zniszczenia izolacji. Zastosowanie dodatkowego przewodu do instalacji elektrycznej, tzn. przewodu ochronnego, umożliwiło stosowanie wyłączników różnicowoprądowych. Układ ten zwany
transfor-Badanie środków ochrony przeciwporażeniowej
11.
jest układem pięcioprzewodowym, ze względu na rozdzielenie funkcji przewodu neutralnego (roboczego19) i ochronnego (zabezpieczającego20).
11.3.3. Główne założenia ochrony przeciwporażeniowej
Ochrona przeciwporażeniowa polega na niedopuszczeniu do porażenia prą-dem elektrycznym. Jeżeli mimo wszystko nastąpi przepływ prądu przez ciało człowieka, powinno dojść do minimalizacji negatywnych skutków tego zjawiska. Najczęściej jest to realizowane poprzez samoczynne odłączenie zasilania w przy-padku wystąpienia sytuacji awaryjnej.
Stosowane środki ochrony przeciwporażeniowej są zależne od nominalnego napięcia pracy urządzeń, do których są stosowane:
a) urządzenia wysokiego napięcia – zasilane napięciem powyżej 1 kV, do któ-rych dostęp mają jedynie wykwalifikowani pracownicy,
b) urządzenia niskiego napięcia – jednofazowe i trójfazowe, zasilane napięciem poniżej 1 kV.
c) urządzenia o nominalnym napięciu poniżej 50 VAC lub 120 VDC – objęte zazwyczaj ochroną podstawową (przede wszystkim izolacja ochronna)21. Do tej drugiej grupy należy większość urządzeń powszechnego użytku, w tym maszyny elektryczne. Najwięcej przypadków porażenia prądem występuje w tej grupie, a zazwyczaj wynika z niewłaściwego użytkowania lub powstałych stanów awaryjnych urządzeń (także bardzo często w skutek błędów obsługi).
11.4. Środki ochrony przeciwporażeniowej
Ochrona podstawowa (przed dotykiem bezpośrednim) będzie realizowana poprzez zastosowanie następujących rozwiązań technicznych:
a) izolację podstawową instalacji i urządzeń, odporną na wpływy oddziaływania chemicznego, mechanicznego, termicznego oraz elektrycznego – w zależno-ści od poszczególnych zastosowań, zgodnie ze szczegółowymi wymaganiami normowymi; rezystancja izolacji nie powinna być mniejsza niż 1000 Ω na każdy 1 V napięcia znamionowego,
19 Tzn., że w warunkach normalnej eksploatacji przez przewód neutralny (N) płynie prąd elektryczny.
11.4. Środki ochrony przeciwporażeniowej b) budowa urządzenia – stosuje się budowę, która uniemożliwia dotknięcie
części czynnych urządzeń i instalacji, czyli takich, które pozostają pod napię-ciem (stopień ochrony IP minimum 2X22); demontaż osłon nie powinien być możliwy bez wykorzystania narzędzi,
c) montaż urządzeń w miejscu pracy w taki sposób, aby części pod napięciem nie były dostępne ze stanowiska pracy, także poprzez ustawianie specjal-nych barier,
d) dodatkowo, jako dopełnienie stosowanych środków ochrony, stosuje się wyłączniki różnicowo – prądowe o wartości prądu wyzwalającego poni-żej 30 mA.
Ochrona dodatkowa (przed dotykiem pośrednim) służy podniesieniu poziomu bezpieczeństwa porażeniowego. Środki ochrony podstawowej mogą bowiem ulec uszkodzeniu – przebiciu, przepaleniu, uszkodzeniu mechanicz-nemu, zawilgoceniu itd. Wówczas dostępne części przewodzące urządzeń mogą znaleźć się pod napięciem (co nie nastąpiłoby w normalnych warunkach pracy). Ten rodzaj ochrony będzie realizowane poprzez zastosowanie następujących roz-wiązań technicznych:
a) zapewnienie samoczynnego wyłączenia zasilania w przypadku zwarcia mię-dzy częścią czynną (pod napięciem w warunkach pracy normalnej) i częścią przewodzącą dostępną (np. obudową, w warunkach pracy normalnej odizo-lowaną od części czynnych); do tego celu stosuje się przewody ochronne, zależne od zastosowanego układu zasilania,
b) zastosowanie urządzeń o II klasie ochronności,
c) izolowanie od ziemi stanowiska pracy, dzięki czemu w przypadku poja-wienia się napięcia na częściach przewodzących urządzenia nie dojdzie do porażenia dzięki braku różnicy potencjałów,
d) zachowanie odpowiednich odległości pomiędzy urządzeniami, co unie-możliwi pracownikowi dotknięcie dwóch urządzeń lub części o różnych potencjałach jednocześnie – minimum 2,5 m,
e) stosowanie połączeń wyrównawczych, czyli połączenie części przewodzą-cych dostępnych oraz obprzewodzą-cych, służące wyrównaniu potencjałów, które mogą się na nich pojawić, przy czym połączenie to nie może być uziemione23, 22 IP2X – cyfra 2 reprezentuje ochronę przed dotknięciem palcem, cyfra w miejscu litery X reprezentuje stopień ochrony przed wpływami wody. Więcej informacji w instrukcji dot. ćwiczenia pt. „Urządzenia przeciwwybuchowe. Badanie transformatora”.
Badanie środków ochrony przeciwporażeniowej
11.
f) separowanie obwodów elektrycznych odbiorczych od obwodów zasilają-cych poprzez zastosowanie np. transformatora separacyjnego; napięcie nie powinno przekraczać 500 V, a obwody tego typu nie powinny być połączone z częściami czynnymi innych obwodów.
Stosuje się także równoczesną ochronę przed dotykiem bezpośrednim i pośrednim, poprzez zastosowanie bardzo niskich napięć. Istnieją dwa podsta-wowe rozwiązanie techniczne w tym zakresie:
a) napięcia SELV (ang. Separated or Safety Extra-Low Voltage) w obwodach izo-lowanych od ziemi,
b) napięcia PELV (ang. Protected Extra-Low Voltage) w obwodach z uziemie-niem.
W niektórych urządzeniach stosowane są napięcia FELV (ang. Functional
Extra-Low Voltage), które jednak nie zapewniają pełnej ochrony
przeciwporaże-niowej. Wykorzystywanie tego rozwiązania technicznego wynika ze względów funkcjonalnych – niskie napięcie zasilania jest korzystne lub nawet konieczne ze względów konstrukcyjnych, a stosowanie środków ochrony przeciwporażenio-wej nie jest w danym wypadku konieczne.
11.5. Wyłącznik różnicowo-prądowy
Wyłącznik różnicowo-prądowy stosowany jest w instalacjach elektrycznych w celu ograniczenia skutków porażenia prądem elektrycznym. Najważniejszym jego elementem jest pierścień ferromagnetyczny (zwany przekładnikiem Fer-rantiego). Przez ten pierścień przechodzą wszystkie cztery przewody robocze instalacji (L1, L2, L3, N). W warunkach normalnej eksploatacji, chwilowa suma prądów wpływających i wypływających z obwodu wyniesie zero. Jeżeli do insta-lacji podłączone jest urządzenie (oznaczone na rys. 11.5 literą K), które uległo awarii, tj. pojawiło się przebicie na obudowę (oznaczone symbolem pioruna), napięcie na obudowie wymusi przepływ prądu doziemnego przez przewód ochronny (PE), do którego podłączona jest obudowa urządzenia24. Ponieważ przewód ochronny nie przechodzi przez przekaźnik Ferrantiego, powstanie róż-nica pomiędzy sumą chwilowych prądów w przewodach fazowych i neutralnym.
11.5. Wyłącznik różnicowo-prądowy Przepływ prądu przez przewodnik powoduje powstanie wokół niego pola elektromagnetycznego, którego zwrot i kierunek można wyznaczyć z zasady prawej dłoni. Jeżeli suma prądów przepływających przez przekaźnik Ferran-tiego jest równa zeru (czyli taki sam prąd wpływa, co wypływa z obwodu), wypadkowe natężenie pola elektromagnetycznego także będzie równe zeru. Powstałe zaburzenie (przepływ prądu różnicowego IΔ przez przewód ochronny na skutek pojawienia się napięcia na przewodzącej obudowie; prąd ten płynie z pominięciem przekaźnika Ferrantiego) sprawi, że wypadkowe natężenie pola w przekaźniku nie będzie równe zeru. Pole to, zgodnie z prawem Faradaya, spo-woduje zaindukowanie się siły elektromotorycznej w przekaźniku. Pod wpływem prądu płynącego w cewce przekaźnika Ferrantiego powstanie siła otwierająca styki przekaźnika RCD. Zgodnie z normami, urządzenie powinno pracować w taki sposób, aby rozłączenie nastąpiło w momencie, kiedy prąd różnicowy (który może być prądem rażeniowym, jeżeli obudowy pod napięciem dotknie człowiek) będzie zawierał się w granicach 0,5 ÷1 IΔN, czyli wartości znamionowej danego wyłącznika różnicowoprądowego25.
Dla wyłącznika dwubiegunowego (czyli jednofazowego), w przekaźniku znajdują się przewody: fazowy (L) i neutralny (N). Zasada działania jest analo-giczna, z tą różnicą, iż wypadkowe pole elektromagnetyczne wynika z przepływu prądu przez dwa przewody robocze, a nie przez cztery (jak w powyżej omówio-nym przypadku).
Zabezpieczenia nadprądowe wykrywają natężenia w granicach kilku, a nawet kilkudziesięciu krotności prądu znamionowego danego urządzenia zabezpieczającego. Np. dla wyłącznika instalacyjnego typu D o prądzie znamio-nowym 16 A26, obwód zostanie rozłączony przy prądzie zwarciowym I ≥ 160 A. Zgodnie z powyższym opisem, wyłącznik różnicowoprądowy (zależnie od typu) zadziała nawet przy 5 mA. Wyraźnie widać, że różnica wynosi aż 5 rzędów wiel-kości. Jest to dowód na to, że przekaźnik Ferrantiego jest urządzeniem o wysokiej czułości. W związku z tym, aby mieć pewność, że stosowane zabezpieczenie przed porażeniem prądem elektrycznym jest sprawne mimo wielu lat jego nieprze-rwanej pracy, producenci montują specjalne obwody kontrolne. Uruchomienie przycisku kontrolnego (PK) spowoduje zasymulowanie sytuacji awaryjnej, czyli przepływ prądu IΔ ≤ IΔN z pominięciem przekaźnika Ferrantiego. Jeżeli wyłącznik 25 Stosuje się wartości prądów znamionowych: 10, 30 (niskoczułe) oraz 100, 500 oraz 1000 mA (wysokoczułe), przy czym dwa ostatnie przypadki chronią daną instalację przed pożarem spowodowanym powstaniem prądów doziemnych i nie są uznawane jako środek ochrony
przeciw-Badanie środków ochrony przeciwporażeniowej
11.
jest sprawny, nastąpi rozłączenie chronionego obwodu. Zaleca się comiesięczne sprawdzenie sprawności wyłącznika.
Należy nadmienić, iż w niektórych wyłącznikach różnicowoprądowych montuje się jednocześnie zabezpieczenia nadprądowe. Pojedyncze urządzenie stanowi wówczas zabezpieczenie zarówno przed nadmiernym natężeniem, jak i przed skutkami porażenia prądem elektrycznym.
1 – przekładnik sumujący (Ferrantiego) – przekrój przez oś symetrii; 2 – przekaźnik różnicowoprądowy; 3 – zamek wyłącznika; Rd – rezystor ograniczający; PK – przycisk kontrolny; K – urządzenie chronione.
Rys. 11.5. Wyłącznik różnicowoprądowy czterobiegunowy; a) zasadnicze elementy
wyłącz-nika; b) sposób przyłączenia;
Źródło: opracowanie własne na podstawie [9]
Ponieważ instalacje i urządzenia elektryczne stosowane są w różnorodnych warunkach otoczenia, ale przede wszystkim przez wiele lat, izolacja części
czyn-11.8. Zagadnienia i pytania kontrolne tiego. Właściwy dobór progu zadziałania wyłącznika różnicowoprądowego jest zatem swojego rodzaju kompromisem pomiędzy skutkami możliwego porażenia, a komfortem (czy nawet możliwością) pracy z instalacjami i urządzeniami elek-trycznymi. Jeżeli na przykład używana będzie kosiarka elektryczna do koszenia wilgotnej trawy, możliwe jest, że zawilgocenie uzwojeń silnika sprawi, że część prądu zasilającego urządzenie nie popłynie z powrotem do źródła zasilania przez przewód roboczy, ale zamknie obwód elektryczny przez ziemię. Zbyt czułe urzą-dzenie różnicowoprądowe utrudniłaby lub wręcz uniemożliwiłoby pracę tego typu urządzeń w innych niż idealne warunkach otoczenia.
11.6. Pomiary laboratoryjne
Podczas ćwiczenia zrealizowane zostaną następujące pomiary: a) pomiar rezystancji uzwojeń wybranego urządzenia elektrycznego, b) pomiar rezystancji uziemienia,
c) pomiar parametrów pętli zwarcia,
d) pomiar czasu i prądu zadziałania wyłącznika różnicowoprądowego.
11.7. Opracowanie wyników pomiarów
a) Przeprowadzić dyskusję wyników.
b) Podać wnioski z przeprowadzonych pomiarów.
11.8. Zagadnienia i pytania kontrolne
a) Jakie skutki w organizmie człowieka może powodować przepływ prądu elektrycznego?
b) Od czego zależą skutki przepływu prądu rażeniowego przez organizm ludzki?
c) Co to jest napięcie dotykowe i krokowe? d) Czym są klasy ochronności urządzeń? e) Narysuj i krótko opisz układ zasilania TN-C f) Narysuj i krótko opisz układ zasilania TN-S