Analiza działania wyłącznika ochronnego różnicowo-prądowego w sieci TN

(1)

ZESZY TY N A U K O W E PO LITEC H NIK I ŚLĄSKIEJ Seria: E L EK TR Y K A z. 174

2000 N r kol. 1472

Karol WOLSKI

ANALIZA DZIAŁANIA WYŁĄCZNIKA OCHRONNEGO RÓŻNICOWOPRĄDOWEGO W SIECI TN

Streszczenie. W artykule przedstaw iono m ożliw ości skuteczniejszego w ykorzystania w yłącznika ochronnego różnicow oprądowego w czasie zakłóceniowej pracy instalacji elektrycznej zasilanej z sieci TN, przez w prow adzenie w obw ód przew odu ochronnego rezystancji ograniczającej prąd jednofazow ego zwarcia.

ANALYSIS OF ANTI-SHOCK RESIDUAL CURRENT CIRCUIT BREAKER OPERATION IN TN NETWORK

Sum m ary. Possibilities o f m ore effective use o f anti-shock circuit breaker during fault state operation o f electric installation supplied from TN network, by insertion o f resistor lim iting single-phase fault current into protective conductor circuit, have been presented in the paper.

1. W PR O W A D ZEN IE

W yłącznik ochronny różnicow oprądow y działa przy prądzie różnicow ym I ^ wyrażanym w m iliam perach, natom iast w obw odach instalacyjnych, zasilanych z sieci TN, przy uszko

dzeniu fazowej izolacji roboczej płynie prąd o wartości wyrażanej w setkach amperów. Prąd ten stw arza zagrożenie dla obw odu w procesie jego przeryw ania i dla środow iska, w którym punktow o, w m iejscach łączeniow ych instalacji, m oże wystąpić niebezpiecznie wysoka tem peratura.

W artykule przedstaw iono m ożliw ość zrealizow ania obw odu jednofazow ego zwarcia, w którym prąd różnicow y / A będzie m niejszy od 1 A przy zachow aniu skutecznego działania ochronnego w yłącznika różnicow oprądowego.

(2)

2. A N A L IZ A D Z IA Ł A N IA Z A B E Z PIE C Z E Ń Z W A R C IO W Y C H W IN STA LA C JA C H EL E K T R Y C Z N Y C H ZA SILA N Y C H Z SIECI TN

2.1. W aru n ki działania zabezpieczeń zw arciow ych w instalacjach elektrycznych zasilanych z sieci TN

Zabezpieczenia zw arciow e stosow ane w instalacjach elektrycznych to:

a) w instalacjach starych - bezpieczniki topikow e, b) w instalacjach now ych - w yłączniki instalacyjne.

A by zabezpieczenie zw arciow e zadziałało skutecznie, prąd jednofazow ego zw arcia I k]

m usi spełniać zależność:

A i * / . . (1)

gdzie

Ia

- najm niejszy, obliczeniow y prąd zadziałania zabezpieczenia w określonym czasie:

I a ^ ^ n.zabezpieczenia ’

gdzie: k - krotność prądu znam ionow ego pow odująca zadziałanie zabezpieczenia; dla bezpie

cznika, czyli zabezpieczenia zw arciow ego zależnego, w instalacjach istniejących w spółczyn

nik k b ył określany dla czasu w yłączenia t k = 5 s , natom iast dla w yłączników instalacyjnych - zabezpieczenia zw arciow ego niezależnego - w spółczynnik k określa krotność prądu znam io

now ego zadziałania w czasie t k < 0,1 s .

2.2. D ziałanie zabezpieczenia zw arciow ego w instalacjach elektrycznych zasilanych z sieci TN

A nalizę działania zabezpieczeń zw arciow ych zobrazow ano na schem acie instalacji oraz na w ykresach liniow ych i czasow ych napięcia dotyku, które przedstaw iono na rys. 1.

Zabezpieczenia zw arciow e działają, gdy rezystancja izolacji chronionego odbiornika rów na się zero ( = 0 ) , w ów czas w obw odzie jednofazow ego zw arcia płynie prąd zw arcia I k], w yw ołując spadki napięć, które przedstaw iono na rys. Ib. Rozkład w artości napięcia w po szczególnych punktach obw odu w ynika z jednostkow ej rezystancji przew odów fazowych i ochronnych. D la uproszczenia m ożna przyjąć, że w ystępują dw a przekroje przewodów : jeden w sieci rozdzielczej i drugi w instalacji elektrycznej. Punkt 3 na rys. l a to m iejsce (złącze) połączenia instalacji z siecią rozdzielczą.

Prąd jednofazow ego zw arcia

Iki

- w yrażany w setkach am perów i niebezpieczne napięcie dotyku n a uszkodzonym odbiorniku rów ne połow ie napięcia fazow ego - b ęd ą występować:

- w czasie do 5s w instalacjach starych, w yposażonych w bezpieczniki topikow e (rys. l c l ) , - w czasie do 0 ,ls w instalacjach nowych, wyposażonych w wyłączniki instalacyjne (rys. Ic2).

(3)

Analiza działania w yłącznika ochronnego różnicowoprądowego w sieci T N 57

R y s.l. D ziałanie zabezpieczenia zw arciow ego w sieci TN: a) schem at jednoliniow y obwodu instalacyjnego w czasie zwarcia, b) rozkład napięcia w zdłuż obw odu przy zwarciu jednofazow ym , c) w ykresy czasowe prądu zw arcia i napięcia dotyku dla instalacji

starej i nowej

PE1 - przewód ochronny instalacji elektrycznej; PE2 - przewód ochronny sieci rozdzielczej Fig. 1. O peration o f short circuit protection in TN network: a) single line diagram o f a circuit

during fault state, b) distribution o f voltage along the circuit during single-phase fault, c) tim e diagram s o f the fault current and touch voltage for the old and new installation PEI - protective conductor o f installation; PE2 - protective conductor of distribution network

(4)

N apięcie dotyku na pozostałych, nieuszkodzonych odbiornikach zasilanych z tej samej linii w yprow adzonej ze stacji transform atorow ej będzie proporcjonalnie m niejsze, które m ożna obliczyć z poniższego w yrażenia:

u *2 = U d\ RpE1 . (3)

k PE 1 + n PE 2 gdzie:

RpEi - rezystancja przew odu ochronnego instalacji elektrycznej, Rp£ 2 - rezystancja przew odu ochronnego sieci rozdzielczej.

N apięcie dotyku U d2 w ystąpi n a w szystkich nieuszkodzonych odbiornikach I klasy ochronności, zasilanych z tej samej linii rozdzielczej.

3. A N A L IZ A D Z IA Ł A N IA W Y ŁĄ C ZN IK A O C H RO N N EG O R Ó ŻN IC O W O - PR A D O W E G O W IN STA LA C JI ELEK TR Y C ZN EJ ZA SILA N EJ Z SIECI TN

3.1. W aru n ki d ziałan ia w yłącznika ochronnego różnicow oprądow ego w instalacji elektrycznej zasilanej z sieci TN

W yłącznik ochronny różnicow oprądow y działa przy prądzie w yłączającym I A, zaw iera

jącym się w granicach:

0 , 5 / * , < / * * / * , , (4)

gdzie:

I An -znam ionow y prąd zadziałania w yłącznika ochronnego, I A - prąd w yłączający w yłącznika ochronnego.

R zeczyw ista w artość prądu w yłączającego I A zależy od szybkości obniżania się rezystan

cji izolacji chronionej instalacji (rys. 2). M ogą w tym przypadku w ystąpić dw ie okoliczności:

a) następuje p ow olna zm iana rezystancji izolacji R, ,to znaczy, gdy czas obniżenia się rezy

stancji izolacji At od w artości R, zadziałania do w artości R: = 0Q je st w iększy od czasu tmin w yłącznika różnicow oprądow ego (rys. 3), czyli gdy

At = t i ~ t 2 > tmin, (5)

to

(6)

b) następuje szybka zm iana rezystancji izolacji R: , to znaczy, gdy czas obniżania się rezy

stancji A t od w artości R, zadziałania do R, = 0 Q je st m niejszy od czasu tmin wyłącznika różnicow oprądow ego (rys. 4), czyli gdy

A t = t 3 - t 2 < t min. (7)

(5)

Analiza działania wyłącznika ochronnego różnicowoprądowego w sieci TN 59

a f

i

Rys.2. Z m iana rezystancji izolacji fazowej odbiornika: a) szkic odbiornika, b) zm iana rezy

stancji izolacji fazowej

R IU ) -rezystancja izolacji fazowej, gdy prąd upływu jest równy I R if0,si^) - rezy

stancja izolacji fazowej, gdy prąd upływu jest równy 0,51 ^ , tmm - czas własny wyłącznika ochronnego różnicowoprądowego

Fig. 2. V ariation o f phase insulation resistance in a receiver

R i(l j — phase insulation resistance when the leakage current is equal I ^ ~ phase insulation resistance when the leakage current is equal 0,51^ ; i rain - anti-shock circuit brea

ker operating time

(6)

(t

;

W ,I

loic

0

1 t [ s ]

Rys. 3. D ziałanie w yłącznika ochronnego różnicow oprądow ego w sieci TN przy pow olnym obniżaniu się rezystancji izolacji chronionej instalacji, czyli gdy At = t3 - t 2 > tmin:

a) schem at jedno lin io w y obw odu, b) rozkład napięcia w zdłuż obw odu w czasie działa

nia w yłącznika, c) w ykres czasow y prądów w obw odzie i napięcia dotyku

Fig. 3. O peration o f anti-shock residual current circuit breaker in TN netw ork during slow low ering o f resistance o f a receiver, i.e. w hen At = t 2 - t 2 > tmm : a) single line diagram o f a circuit, b) longitudinal voltage distribution during circuit breaker operation, c) ti

m e diagram s o f the current and touch voltage

(7)

° /

Rys. 4. D ziałanie w yłącznika ochronnego różnicow oprądowego w sieci TN przy szybkiej zm ianie rezystancji izolacji chronionej instalacji; a) schem at jednoliniow y instalacji, b) w ykres rozkładu napięcia w zdłuż obw odu instalacyjnego, c) czasowy wykres prą

dów w obw odzie instalacyjnym i napięcia dotyku na uszkadzającym się odbiorniku Fig. 4. O peration o f anti-shock residual current circuit breaker in TN netw ork during quick

variation o f phase insulation resistance in the protected installation: a) single line dia

gram o f a circuit, b) tim e diagram o f the current in the circuit and touch voltage on the getting dam aged receiver

(8)

to

(8) gdzie:

I kl - prąd jednofazow ego zw arcia w chronionej instalacji,

t min - czas od chw ili pow stania prądu zadziałania w w yłączniku ochronnym różnicowo-

prądow ym do chw ili, gdy styki w łącznika utracą galw aniczny kontakt.

3.2. D ziałanie w yłącznika ochronnego przy powolnej zm ianie rezystancji izolacji chronionej instalacji zasilanej z sieci TN

R ezystancja izolacji R, zadziałania w yłącznika zaw iera się w granicach

- rezystancja izolacji, gdy prąd upływ u je st rów ny , R l(osiu ) ~ rezystancja izolacji, gdy prąd upływ u je st rów ny 0 ,5 /^ .

Przy pow olnej zm ianie rezystancji izolacji (rys. 3) prąd upływ u będzie wzrastał. Gdy rezystancja /?, m a w artość w przedziale w edług zależności (9), w tedy popłynie prąd w yłą

czający / A i uszkodzony odbiornik (obwód) zostanie wyłączony. Zatem w obw odzie instala

cyjnym w ystępuje tylko prąd roboczy, który przy uszkadzaniu się izolacji zostaje przez w y

łącznik ochronny w yłączony.

N apięcia dotyku U d] na uszkodzonym odbiorniku i U d2 na odbiorniku sprawnym technicznie są p o m ija ln ie m ałe (rys. 3b i 3c) a m ożna je obliczyć z wyrażeń:

Efektem pow olnej zm iany rezystancji izolacji przy istnieniu w obw odzie wyłącznika ochronnego jest:

- likw idacja jednofazow ego p rądu zw arcia w obw odach chronionych, - likw idacja niebezpiecznych napięć dotykowych.

3.3. D ziałanie w yłącznika ochronnego różnicow oprądow ego przy szybkiej zm ianie rezystancji izolacji chronionej instalacji zasilanej z sieci TN

Przy szybkiej zm ianie rezystancji izolacji (rys. 4), czyli gdy At = / 3 - f2 < t min(wylącznika), zanim w yłącznik ochronny w yłączy, popłynie prąd zw arcia I k[, który uruchom i również za

bezpieczenie zw arciow e. W tej sytuacji będzie kw estią przypadku, czy w yłączenie prądu zw arcia spow oduje w yłącznik różnicow oprądow y, czy zabezpieczenie zw arciow e. Niemniej

~ R > < R‘(0.5i*)

(9)

gdzie:

U d \ - I * n ( R P E \ + R p E l ) - ( 10)

(11)

(9)

skutki zew nętrzne w yłączenia są takie, ja k gdyby nie było w yłącznika ochronnego różni

cow oprądow ego, bo:

a) prąd w yłączający / A je st rów ny prądowi zw arcia I k l,

b) napięcie dotyku na uszkodzonym odbiorniku je st równe połow ie napięcia fazowego, c) napięcia dotyku n a technicznie spraw nych odbiornikach je st takie samo, ja k w punkcie 2, a

m ożna je obliczyć z w yrażenia (3).

E fektem szybkiej zm iany rezystancji izolacji chronionej instalacji je st sam oczynna li

kw idacja pozytyw nych skutków pracy w yłącznika ochronnego różnicow oprądowego, które przedstaw iono w p unkcie 3.2.

Przyw rócenie w łaściw ej pracy w yłącznika ochronnego je st m ożliw e po zastosowaniu dodatkowej rezystancji w przew odzie ochronnym.

3.4. D ziałanie w yłącznika ochronnego różnicow oprądowego przy zwiększonej do 300 Q rezystancji podłużnej przewodu ochronnego

W m iejscu zainstalow ania w yłącznika ochronnego w chronionej instalacji lub w skrzyn

ce zaciskowej odbiornika, w przew odzie ochronnym stosuje się rezystor R d o rezystancji R d = 300 Q (rys. 5).

Przy szybkiej zm ianie rezystancji izolacji chronionej instalacji, czyli gdy Ar =

= t } - r2 < t ^ m(wyMan;ka), w obw odzie popłynie prąd ograniczony do w artości 70 < 1A, który spow oduje zadziałanie każdego w yłącznika ochronnego.

N apięcie dotyku na uszkodzonym odbiorniku (rys. 5c2) będzie rów ne napięciu fazowemu (U d < U LE), ale czas je g o w ystępow ania będzie krótszy od 0,1 s. N apięcie dotyku na spraw nych technicznie odbiornikach, zasilanych z tej samej linii rozdzielczej, będzie pom ijalnie małe, a m ożna je w yliczyć z wyrażenia:

gdzie: I 0 - prąd ograniczony do 1 A.

Przy powolnej zm ianie rezystancji izolacji instalacji chronionej w yłącznikiem ochron

nym, czyli gdy czas obniżania się rezystancji w ynika z zależności (5), w obw odzie popłynie prąd różnicow y określony z zależności (6), który spowoduje w yłączenie uszkadzającego się odbiornika.

N apięcie dotyku (rys. 5 c l) na uszkodzonym odbiorniku będzie rów ne

N apięcie dotyku n a pozostałych sprawnych technicznie odbiornikach, zasilanych z tej samej linii rozdzielczej ( U d2) je st pom ijalnie m ałe, a m ożna je obliczyć z wyrażenia:

0 R PE2> ( 12)

U di ~ ^ M ^ P E i + ^PE2 + 300 iż). (13)

(14)

(10)

0 /

Rys. 5. D ziałanie w yłącznika ochronnego różnicow oprądow ego po w prow adzeniu w obwód przew odu ochronnego rezystora Rd o rezystancji 300 Q : a) schem at jedno liniowy in

stalacji, b) w ykres rozkładu napięcia w zdłuż obw odu instalacyjnego, c) czasow y w y

kres prądów w obw odzie instalacyjnym i napięcia dotyku n a uszkadzającym się od

biorniku

Fig. 5. O peration o f anti-shock residual current circuit breaker after insertion o f 300 Q resistor into protective conductor circuit: a) single line diagram o f a circuit, b) longitudinal voltage distribution along the circuit, c) tim e diagram o f the current in the circuit and touch voltage o n the getting dam aged receiver

(11)

A naliza działania wyłącznika ochronnego różnicowoprądowego w sieci TN 65

4. W N IO SK I

1. Przy pow olnym obniżaniu się rezystancji izolacji fazowej w yłącznik ochronny różni - cow oprądow y zapew nia całkow ite bezpieczeństw o w korzystaniu z energii elektrycznej.

2. Przy szybkich zm ianach rezystancji izolacji fazowej skuteczność działania w yłącznika ochronnego różnicow oprądow ego m ożna zachować przez w prow adzenie do przewodu ochronnego rezystora Rd o rezystancji 300 Q . Rezystor R d m ożna usytuow ać w miejscu zainstalow ania indyw idualnego w yłącznika ochronnego lub w skrzynce zaciskowej każ

dego odbiornika I klasy ochronności dla centralnego w yłącznika ochronnego różni

cow oprądow ego .

L ITER ATU RA

1. M arkiew icz H.: Instalacje elektryczne. W NT, W arszawa 1996.

2. M arkiew icz H.: B ezpieczeństw o w elektroenergetyce. W NT, W arszaw a 1999.

3. R ogoń A.: O chrona od porażeń w instalacjach elektrycznych . Poradnik, wyd. II, COSIW SEP, W arszawa.

4. W olski K., G em balski J.: Sposób w ykorzystania w yłącznika przeciw porażeniow ego różni

cow oprądow ego do ograniczania jednofazow ego prądu zw arcia w instalacjach elektry

cznych zasilanych z sieci TN. Zgłoszenie patentu: P326873 - B iuletyn U rzędu Patento

w ego RP N r 26/99 z dnia 20 grudnia 1999.

5. W olski K.: O cena zerow ania jako środka dodatkowej ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach elektrycznych niskiego napięcia. Z N Pol. Śląskiej, ser. „Elektryka”, z. 127, G liw ice 1992.

Recenzent: Prof, dr hab. inż. Gerhard Bartodziej

W płynęło do R edakcji dnia 2 m aja 2000 r.

A bstract

A n analysis o f short circuit protection operation has been pictured on schem e o f in

stallation and diagram s o f the touch voltage (Fig. 1).

Short circuit protection operates w hen a phase insulation resistance o f the protected receiver (Fig. 2) is equal nought; then a fault current I kl flows through the single phase short circuit loop bringing about voltage drops shown in Fig. lb . A single phase fault current I k]- w hich can am ount hundreds am peres and a dangerous touch voltage reaches a h a lf o f the phase voltage - w ill happen:

- w ithin the period to 5 s in old installations equipped w ith sw itch-fuses (Fig. l c l ) ,

- w ithin the period to 0 . 5 s in new installations equipped w ith installation circuit breakers (Fig. Ic2).

(12)

O peration o f the anti-shock circuit breaker depend on speed o f insulation resistance varia

tions o f the protected receiver (Fig. 2). A leakage current increases w hen phase insulation resistance variation is slow (Fig. 3). W hen resistance R t is placed w ithin the interval after dependence (9) then a breaking current flows and the failed receiver (circuit) w ill be cut off.

So in the installation circuit only w orking current appears w hich is cut o ff by the protective circuit breaker w hen insulation goes w orsened. Touch voltage values Udi on the failed re

ceiver and U a on the healthy one are negligible little (Fig. 3b, c) and can be com puted with expressions (1 0) and (1 1).

W hen phase insulation resistance variation is quick (Fig. 4) then - before the protective circuit breaker operation - a fault current I ki flows w hich also activates short circuit protec

tion. In such a situation it w ill be a random question w hether sw itch-off is realised by the protective circuit breaker or by short circuit protection. N evertheless external results o f sw i

tching o f f are the sam e like the anti-shock circuit breaker does not exist.

It is possible to restore a proper operation o f the protective circuit breaker w hen an addi

tional resistor in the protective conductor is applied. In the place w here the protective circuit breaker is installed or in the receiver’s term inal box a resistor Rd o f 300 Q is applied. During quick insulation resistance variations o f the protected installation in the circuit flow s a current lim ited to a value 70 < 1 A w hich causes operation o f any protective circuit breaker. A touch voltage value on the failed receiver (Fig. 5c2) w ill be equal a phase voltage (Ud < ULE) but the tim e o f its appearance w ill be shorter than 0.1 s. The touch voltage on the technically efficient receivers supplied from the sam e distribution line will be negligible litte and can be com puted from expression (1 2).

A slow insulation resistance variation, w hen the protective circuit breaker exists in the circuit, causes:

- clearance o f the single phase fault current in protected circuits, - clearance o f dangerous touch voltages.

W hen quick insulation resistance variations happen a protective circuit b reaker’s opera

tional efficacy can be saved by insertion o f lim iting resistor o f 300 O into protective con

ductor circuit.