Działanie wyłączników różnicowoprądowych przy podwyższonej częstotliwości prądu różnicowego

Atrakcyjność wyłącznika różnicowoprądowego polega na tym, że wielkością kontrolowaną i pobudzającą wyłączenie jest niewielki prąd różnicowy, upływający z przewodów czynnych, czyli prąd bezpośrednio decydujący o zagrożeniu porażeniem i/lub pożarem. Wyłącznik różnicowoprądowy może pełnić funkcję ochrony przeciwporażeniowej dodatkowej (ochrony przy dotyku pośrednim, ochrony przy uszkodzeniu), i/lub ochrony przeciwporażeniowej uzupełniającej i/lub ochrony przed pożarami wywołanymi zwarciami doziemnymi. Jeżeli wyłącznik różnicowoprądowy ma stanowić ochronę uzupełniającą lub przeciwpożarową, szczególne znaczenie ma najmniejsza wartość prądu powodująca jego niezawodne zadziałanie. Wyłącznik różnicowoprądowy zastosowany w funkcji ochrony przeciwporażeniowej uzupełniającej ma zadziałać, kiedy ochrona podstawowa (przed dotykiem bezpośrednim) jest uszkodzona lub zostanie ominięta, czyli wtedy, kiedy płynie prąd przez ciało człowieka stykającego się z częścią czynną. Zagrożenie fibrylacją serca nie wystąpi, jeżeli czas przepływu prądu przez ciało człowieka nie będzie zbyt długi, a przy dłuższych czasach rażenia – nie zostanie przekroczona pewna graniczna wartość prądu rażeniowego. Najbardziej pożądane są wyłączniki o wyzwalaniu niezależnym od napięcia sieci (o działaniu bezpośrednim), których układ wyzwalający czerpie energię jedynie z prądu różnicowego.

Większość rozważań dotyczących doboru i instalowania wyłączników różnicowoprądowych dotyczy obwodów o częstotliwości 50 Hz. Spotyka się jednak obwody o podwyższonej częstotliwości prądu ziemnozwarciowego. Jak więc będą reagować powszechnie stosowane wyłączniki różnicowoprądowe na prąd różnicowy o podwyższonej częstotliwości? W kolejnych punktach przedstawiono wybrane wyniki badań laboratoryjnych wyłączników różnicowoprądowych różnych wytwórców i omówiono wpływ częstotliwości prądu różnicowego na skuteczność ochrony przeciwporażeniowej wykorzystującej wyłączniki różnicowoprądowe.

wymagania stawiane wyłącznikom różnicowoprądowym przez normy przedmiotowe

Ze względu na kształt prądu różnicowego, przy którym jest gwarantowane zadziałanie wyłącznika różnicowoprądowego, urządzenia te dzieli się na trzy grupy (tab. 1.).

Zakres prób wyłączników różnicowoprądowych jest określony przez normy przedmiotowe [5, 6, 8, 9]. Wyłączniki o wyzwalaniu typu AC oraz A nie są poddawane badaniom przy prądach różnicowych o częstotliwościach wyższych niż 50/60 Hz. Producent może wyprodukować wyłącznik na inną częstotliwość, ale powinna być ona wyraźnie podana. Preferowaną częstotliwością jest 50/60 Hz. Do niedawna wyłączniki różnicowoprądowe o wyzwalaniu typu B również nie były poddawane próbom prądem różnicowym o podwyższonej częstotliwości. Zaczęto jednak dostrzegać wpływ częstotliwości na wartość progową prądu zadziałania wyłączników i najnowsze dokumenty [5, 6] w odniesieniu do wyłączników o wyzwalaniu typu B wymagają przeprowadzenia badań ich działania przy prądach różnicowych o częstotliwości do 1000 Hz. Pełny zakres badań wyłączników różnicowoprądowych wraz z określeniem granicznych prądów niezadziałania i zadziałania podano w tabeli 2.

Z przytoczonych w niej danych wynika, że dopuszcza się pogorszenie czułości wyłączników różnicowoprądowych o wyzwalaniu typu B przy wyższych częstotliwościach prądu różnicowego. Można to akceptować dzięki przesunięciu progu fibrylacji wraz ze zwiększającą się częstotliwością prądu różnicowego i umożliwić skuteczną ochronę przeciwporażeniową z wykorzystaniem wyłączników różnicowoprądowych o odpowiedniej charakterystyce częstotliwościowej prądu zadziałania.

badania laboratoryjne

Rzeczywiste charakterystyki działania wyłączników różnicowoprądowych
Badaniom poddano kilkadziesiąt wyłączników różnicowoprądowych. Wśród nich znalazły się wyłączniki typu AC, A i B, bezzwłoczne, krótkozwłoczne i selektywne, dwubiegunowe i czterobiegunowe. Badano wyłączniki o znamionowych prądach różnicowych zadziałania I_Δn=30, 100, 300 i 500 mA. Podczas badań wymuszano wolno narastający prąd różnicowy o częstotliwości z zakresu 50 Hz÷10 000 Hz. Jednakże najistotniejsze zmiany w działaniu wyłączników różnicowoprądowych zauważa się już w zakresie częstotliwości 50÷1000 Hz. Wybrane wyniki badań przedstawiono na rysunku 1. i rysunku 2. Na każdym z nich pokazano przypadki skrajne: charakterystykę wyłącznika, który wyzwalał w całym badanym zakresie częstotliwości oraz charakterystykę wyłącznika, który wyzwalał tylko przy stosunkowo niewysokich częstotliwościach.

Rzeczywiste charakterystyki działania wyłączników różnicowoprądowych tego samego typu i o takim samym znamionowym prądzie różnicowym zadziałania mogą być rozbieżne (przyczyny zmian rzeczywistego prądu zdziałania wyłączników różnicowoprądowych przy podwyższonej częstotliwości prądu różnicowego wyjaśniono w publikacjach [1, 2]). W przypadku wyłączników o wyzwalaniu typu AC (rys. 1.) oraz typu A (rys. 2.) zdarzają się egzemplarze, które charakteryzują się dość dobrymi właściwościami przy podwyższonej częstotliwości prądu różnicowego. Podczas badań wyzwalały w całym badanym zakresie częstotliwości, choć miały większy prąd zadziałania przy wyższych częstotliwościach. Inne wyłączniki wysokoczułe (I_Δn=30 mA) nie reagowały na prądy różnicowe nawet o wartości kilku amperów, jeżeli częstotliwość przekraczała 400 Hz. Takie urządzenia praktycznie nie stanowią żadnego zabezpieczenia przeciwporażeniowego przy wyższej częstotliwości.