Wyłączniki różnicowoprądowe do obwodów z przekształtnikami energoelektronicznymi
Wyłącznik różnicowoprądowy przeciwporażeniowy EFI-4 typ B
etipolam
Pierwsze wyłączniki różnicowoprądowe były w stanie wykrywać tylko prądy różnicowe przemienne sinusoidalne. W latach 60. ubiegłego wieku zwrócono uwagę na niekorzystny wpływ na działanie wyłączników różnicowoprądowych składowej stałej [12]. Rozważano prądy jednokierunkowe, ale tylko o dużym tętnieniu. Wyłączniki różnicowoprądowe zdolne wykrywać prądy stałe o pomijalnym tętnieniu zaczęły się upowszechniać dopiero w latach 90. ubiegłego wieku.
Zobacz także
dr inż. Waldemar Jasiński, mgr inż. Piotr Jasiński, mgr inż. Paweł Jasiński Skutki negatywnego oddziaływania prądu elektrycznego na pracowników i urządzenia techniczne podziemnych zakładów górniczych w latach 2016–2022
Prowadzenie ruchu nowoczesnego podziemnego zakładu górniczego nie jest możliwe bez wykorzystania energii elektrycznej. Proces wydobywania kopalin powiązany jest nie tylko z zapewnieniem ciągłości dostaw...
Prowadzenie ruchu nowoczesnego podziemnego zakładu górniczego nie jest możliwe bez wykorzystania energii elektrycznej. Proces wydobywania kopalin powiązany jest nie tylko z zapewnieniem ciągłości dostaw energii, ale także z koniecznością zagwarantowania bezpiecznej eksploatacji maszyn i urządzeń górniczych, zgodnie z DTR i instrukcjami eksploatacji.
Opracował zespół ekspercki Centrum Naukowo-Badawczego Ochrony Przeciwpożarowej – PIB Przeciwpożarowy wyłącznik prądu (część 3.)
Przeciwpożarowy wyłącznik prądu (PWP) w obiekcie budowlanym jest instalacją urządzenia przeciwpożarowego, którego podstawowym i głównym zadaniem jest zapewnienie bezpieczeństwa (ochrona przed porażeniem...
Przeciwpożarowy wyłącznik prądu (PWP) w obiekcie budowlanym jest instalacją urządzenia przeciwpożarowego, którego podstawowym i głównym zadaniem jest zapewnienie bezpieczeństwa (ochrona przed porażeniem elektrycznym) ekipom ratowniczym prowadzącym działania ratowniczo-gaśnicze w obszarze, strefie pożarowej objętej i chronionej instalacją PWP. Działanie instalacji PWP polega na odcięciu dopływu prądu elektrycznego do wszystkich obwodów z wyjątkiem obwodów zasilających instalacje i urządzenia, których...
mgr inż. Michał Czosnyka, dr hab. inż Bogumiła Wnukowska Porażenie prądem elektrycznym
Porażeniem elektrycznym nazywa się efekt przepływu prądu elektrycznego przez ciało człowieka. Z punktu widzenia możliwych skutków patofizjologicznych, jakie mogą w następstwie tego zdarzenia wystąpić,...
Porażeniem elektrycznym nazywa się efekt przepływu prądu elektrycznego przez ciało człowieka. Z punktu widzenia możliwych skutków patofizjologicznych, jakie mogą w następstwie tego zdarzenia wystąpić, jest to zdarzenie bezpośrednio zagrażające zdrowiu i życiu osoby poszkodowanej [1–3].
Zapoczątkowany kilkanaście lat temu burzliwy rozwój przekształtników energoelektronicznych, w szczególności tych do regulacji prędkości kątowej silników, spowodował, że w ich obwodzie mogą płynąć prądy o rozmaitym przebiegu, w szczególności może płynąć prąd przemienny zawierający wiele wyższych harmonicznych.
Wymaganie nawiązujące do wyższych harmonicznych prądu różnicowego pojawiło się dopiero w roku 2008 – dokument IEC/TR 60755:2008 [9] wymaga, aby wyłączniki różnicowoprądowe typu B wykrywały prądy sinusoidalne o częstotliwości do 1000 Hz.
Tab. 1. Rodzaje wyłączników różnicowoprądowych ze względu na ich zdolność do wykrywania określonego kształtu przebiegu prądu różnicowego [9, 13, 14, 15]
Większość wykorzystywanych w praktyce wyłączników różnicowoprądowych nie jest przystosowana do wykrywania prądów różnicowych zawierających wyższe harmoniczne. Z powodu wyższych harmonicznych prądu różnicowego prąd zadziałania wielu wyłączników różnicowoprądowych silnie wzrasta lub wyłączniki w ogóle nie wyzwalają, co może być powodem nieskutecznej ochrony przeciwporażeniowej [2, 3, 4, 5, 10, 11].
Podstawowe typy wyłączników różnicowoprądowych
Ogólne wymagania dotyczące wyłączników różnicowoprądowych są przedstawione w dokumentach [9, 13, 14, 15]. Zgodnie z tymi dokumentami klasyfikacja wyłączników różnicowoprądowych z punktu widzenia ich zdolności wykrywania określonego kształtu przebiegu prądu różnicowego przedstawia się jak w tab. 1.
Wyłączniki o wyzwalaniu typu AC i wyłączniki o wyzwalaniu typu A nie są przewidziane do wykrywania prądów przemiennych o zwiększonej częstotliwości, a tym samym prądów przemiennych zawierających wyższe harmoniczne.
Rys. 1. Prąd zadziałania wyłącznika różnicowoprądowego RCD1 w funkcji fazy początkowej wyższej harmonicznej prądu różnicowego. Wyłącznik o danych: IΔn = 30 mA, typ AC, bezzwłoczny. Prąd różnicowy zawierający harmoniczne: a) 1. i 3., b) 1. i 49. Udział wyższej harmonicznej: 10%, 25%, 50%, 100%, 200%
Rys. 2. Prąd zadziałania wyłącznika różnicowoprądowego RCD2 w funkcji fazy początkowej wyższej harmonicznej prądu różnicowego. Wyłącznik o danych: IDn = 30 mA, typ AC, bezzwłoczny. Prąd różnicowy zawierający harmoniczne: a) 1. i 3., b) 1. i 49. Udział wyższej harmonicznej: 10%, 25%, 50%, 100%, 200%
Na rys. 1., rys. 2. i rys. 3. przedstawiono prąd zadziałania wybranych wyłączników typu AC (rys. 1. i rys. 2.) i typu A (rys. 3.) przy przebiegach prądu różnicowego zawierającego wyższe harmoniczne. Badania działania wyłączników różnicowoprądowych przeprowadzono w ten sposób, że zwiększano wartość skuteczną prądu odkształconego składającego się z harmonicznej podstawowej i jednej wyższej harmonicznej nieparzystej (w tym przypadku 3. lub 49.) o zadanym udziale względnym, i rejestrowano rzeczywisty prąd różnicowy zadziałania wyłącznika różnicowoprądowego.
Rys. 3. Prąd zadziałania wyłącznika różnicowoprądowego RCD3 w funkcji fazy początkowej wyższej harmonicznej prądu różnicowego. Wyłącznik o danych: IDn = 30 mA, typ A, bezzwłoczny. Prąd różnicowy zawierający harmoniczne: a) 1. i 3., b) 1. i 49. Udział wyższej harmonicznej: 10%, 25%, 50%, 100%, 200%
Rzeczywisty prąd różnicowy zadziałania przedstawiono w funkcji fazy początkowej wyższej harmonicznej (wartość fazy początkowej zmieniano co 45°) dla jej względnego udziału: 10%, 25%, 50%, 100%, 200% (co oznaczono na rys. 1., rys. 2. i rys. 3. odpowiednio 10%, 25%, 50%, 100%, 200%).
Oznaczenie „sin 50 Hz” na rysunkach symbolizuje rzeczywisty prąd różnicowy zadziałania przy przebiegu nieodkształconym.
Przy danym udziale w prądzie różnicowym wyższej harmonicznej stosunkowo niskiego rzędu (przebiegi zawierające 1. i 3. harmoniczną) zauważa się zróżnicowane wartości prądu, przy którym wyłącznik wyzwala, co jest spowodowane wpływem fazy początkowej harmonicznej.
W przypadku harmonicznej 49. wpływ fazy początkowej jest wyraźnie mniejszy, ale przy dużym udziale harmonicznej rzeczywisty prąd różnicowy zadziałania może znacząco wzrosnąć i przekroczyć wartość IΔn.
Szczegółowe wyjaśnienie przyczyn takiego zachowania się wyłączników różnicowoprądowych zawarto w [4, 5].
Przy 200% udziale 49. harmonicznej prąd zadziałania wyłącznika może być wielokrotnie większy niż przy przebiegu nieodkształconym o częstotliwości 50 Hz, a to może powodować, że ochrona przeciwporażeniowa będzie nieskuteczna.
Z porównania charakterystyk działania z rys. 1. i rys. 2. wynika, że pozornie identyczne wyłączniki co do danych znamionowych mogą różnie zachowywać się przy takim samym odkształconym prądzie różnicowym.
Rys. 4. Prąd zadziałania wyłączników różnicowoprądowych o IDn = 30 mA w funkcji częstotliwości sinusoidalnego prądu różnicowego; wyłączniki: a) RCD1, b) RCD2, c) RCD3
Zwiększanie się prądu zadziałania przy przebiegu zawierającym harmoniczne wysokich rzędów jest związane z zależnością prądu zadziałania wyłączników różnicowoprądowych od częstotliwości sinusoidalnego prądu różnicowego. Na rys. 4. przedstawiono tę zależność dla omawianych wcześniej wyłączników różnicowoprądowych.
W przypadku wszystkich charakterystyk przedstawionych na rys. 4. widać wzrost prądu zadziałania wraz ze zwiększającą się częstotliwością prądu różnicowego. Jednak każdy z trzech badanych wyłączników odznaczał się inną wrażliwością na wzrost tej częstotliwości.
Najmniejszym wzrostem prądu zadziałania przy wzroście częstotliwości charakteryzuje się wyłącznik RCD1 (rys. 4a) – dzięki temu występuje najmniejszy wzrost prądu zadziałania, jeżeli przebieg prądu różnicowego oprócz harmonicznej podstawowej zawiera 49. harmoniczną (rys. 1b).
Wyłącznik RCD2 nie reaguje na prądy różnicowe o częstotliwości powyżej 300 Hz (rys. 4b) i wartości nawet kilku amperów. Z tego powodu obserwuje się bardzo duży wzrost prądu zadziałania przy przebiegu odkształconym zawierającym 49. harmoniczną (rys. 2b).
Podobnie jest w przypadku wyłącznika różnicowoprądowego RCD3 (rys. 4c i rys. 3b).
Wpływ częstotliwości prądu różnicowego na próg zadziałania badano również w przypadku wyłączników różnicowoprądowych o wyzwalaniu typu B.
Wyniki badań przedstawiono na rys. 5.
Okazuje się, że wyłącznik starszej generacji ma prąd zadziałania silnie zależny od częstotliwości prądu różnicowego (charakterystyka z rys. 5. oznaczona IB-2).
Wyłącznik nowszej generacji (charakterystyka z rys. 5. oznaczona IB-1) ma prąd zadziałania nieprzekraczający linii określającej próg migotania komór serca (linia If z rys. 5.).
Rys. 5. Prąd zadziałania dwóch wyłączników różnicowoprądowych o IΔn = 30 mA, typu B (gdzie: IB-1 – wyłącznik nowszej generacji IB-2 – wyłącznik starszej generacji) w funkcji częstotliwości sinusoidalnego prądu różnicowego oraz linia oznaczająca próg migotania komór serca If
Taka charakterystyka działania (IB-1) jest zgodna z charakterystyką preferowaną, określoną w dokumencie [9] (tab. 2.). Określono w nim znamionowy prąd niezadziałania i znamionowy prąd zadziałania dla częstotliwości 150, 400 i 1000 Hz.
Tab. 2. Zalecenia dotyczące prądu niezadziałania i prądu zadziałania wyłączników typu B przy zwiększonej częstotliwości prądu różnicowego [9]
W przypadku wyłączników różnicowoprądowych o IΔn ≤ 30 mA, działających zgodnie z tą charakterystyką, ich prąd zadziałania nie będzie przekraczał progu migotania komór serca.
Zachowanie się wyłączników różnicowoprądowych przy przebiegach prądu różnicowego, zawierających wyższe harmoniczne, jest bardzo istotne w obwodach z przekształtnikami energoelektronicznym do regulacji prędkości kątowej silników. Przy doziemieniu na zaciskach silnika w przebiegu prądu różnicowego pojawiają się składowe wysokich częstotliwości (rys. 6.).
Rys. 6. Oscylogramy prądu ziemnozwarciowego iE(t) przy doziemieniu na zaciskach silnika zasilanego z przekształtnika i składowe harmoniczne tego prądu. Częstotliwość użytkowa 1 Hz (bardzo niska prędkość kątowa silnika), częstotliwość impulsowania: a) 1,66 kHz, b) 3,33 kHz, c) 6,66 kHz
Jeżeli do ochrony przeciwporażeniowej w tym obwodzie wykorzystuje się wyłącznik różnicowoprądowy, to powinien on prawidłowo reagować na prądy zawierające wyższe harmoniczne.
Nowe typy wyłączników różnicowoprądowych
Wyłączniki różnicowoprądowe typu B+
Wyłączniki różnicowoprądowe typu B+ nie są ujęte w normalizacji IEC i CENELEC. Wymagania im stawiane są zawarte w normie niemieckiej [6]. Są to wyłączniki, które poza prądami wykrywanymi przez wyłączniki różnicowoprądowe typu B, powinny wykrywać prądy o częstotliwości do 20 kHz.
W przypadku wyłączników o IΔn = 30 mA, do częstotliwości prądu różnicowego o wartości około 150 Hz znamionowy prąd zadziałania wynosi 30 mA, pomiędzy 150 Hz a 1000 Hz prąd ten wzrasta, ale nie przekracza linii określającej próg migotania komór serca.
Dla częstotliwości z przedziału 1000÷20 000 Hz znamionowy prąd zadziałania wynosi 420 mA (14xIΔn) i też nie przekracza linii określającej próg migotania komór. Tak ukształtowana charakterystyka zadziałania jest zgodna z zaleceniami podanymi w tab. 2.
Tab. 2. Zalecenia dotyczące prądu niezadziałania i prądu zadziałania wyłączników typu B przy zwiększonej częstotliwości prądu różnicowego [9]
Niektórzy producenci wyłączników różnicowoprądowych typu B+ podają w katalogach ich charakterystyki prądu zadziałania [1, 7, 16].
Na rys. 7. przedstawiono takie charakterystyki dla wyłączników o IΔn = 30 mA.
Rys. 7. Deklarowane przez producentów charakterystyki prądu zadziałania wyłączników różnicowoprądowych o IDn = 30 mA, typu B+ w funkcji częstotliwości sinusoidalnego prądu różnicowego: a) producent Doepke [7], b) producent ABB [1]
Wyłączniki różnicowoprądowe typu F
Jeżeli wyłączniki różnicowoprądowe mają być zastosowane w obwodzie z przekształtnikiem zasilanym jednofazowo, to nie trzeba instalować tych o wyzwalaniu typu B czy typu B+, które są bardzo kosztowne. Wtedy wystarczają wyłączniki różnicowoprądowe typu F. Wymagania stawiane tym wyłącznikom pojawiły się w znowelizowanej normie [14, 15].
Tab. 3. Kształty przebiegu prądu różnicowego wykrywane przez wyłączniki różnicowoprądowe typu F [14, 15]
Dane odnośnie do ich oznaczania i zdolności do wykrywania określonego przebiegu prądu różnicowego są podane w tab. 3.
Jak wynika z tab. 3., wyłącznik typu F jest w zasadzie wyłącznikiem różnicowoprądowym typu A z rozszerzonymi możliwościami co do wykrywania składowej stałej – 10 mA składowej wygładzonej nałożonej na prąd pulsujący stały (w przypadku wyłączników typu A jest to 6 mA) oraz zdolnością do detekcji prądu różnicowego zawierającego harmoniczne.
Tab. 4. Dane prądu odkształconego, przy którym sprawdza się działanie wyłączników różnicowoprądowych typu F [14, 15]
Jeżeli chodzi o tę drugą właściwość, to należy zwrócić uwagę na wymagania zawarte w normie [14, 15]. Otóż wyłączniki te są badane przy udziale określonych harmonicznych, jak w tab. 4.
W prądzie probierczym jest składowa podstawowa (np. 50 Hz), składowa o częstotliwości 1000 Hz i składowa o częstotliwości 10 Hz. Prąd probierczy o takich składowych zwiększa się od wartości 0,2IΔn, a zadziałanie wyłącznika badanego powinno nastąpić w przedziale (0,5¸1,4)IΔn. Takie wymagania są związane z harmonicznymi pojawiającymi się w obwodzie przekształtnika wykorzystywanego do regulacji prędkości kątowej silnika.
Częstotliwość 1000 Hz ma odwzorować częstotliwość impulsowania PWM przekształtnika, a 10 Hz to częstotliwość napięcia zasilającego silnik, pozwalająca uzyskać jego zmniejszoną prędkość kątową. Kształt przebiegu prądu zawierającego składowe o częstotliwościach i udziale podanym w tab. 4. przedstawiono na rys. 8.
Rys. 8. Przebieg prądu różnicowego odkształconego zawierający składowe podane w tabeli 4.; faza początkowa każdej składowej ap = 0°
Dla uzasadnienia wymagań podanych w normie [14, 15], na rys. 9. przedstawiono oscylogramy prądu ziemnozwarciowego [3] zarejestrowane przy doziemieniu silnika zasilanego z przekształtnika (uwaga: trójfazowe zasilanie przekształtnika) – częstotliwość zasilania silnika równa 10 Hz.
Rys. 9. Oscylogramy prądu ziemnozwarciowego iE(t) przy doziemieniu silnika zasilanego z przekształtnika i składowe harmoniczne tego prądu w zakresie częstotliwości: a) 0¸5 kHz, b) 0¸25 kHz; częstotliwość napięcia zasilającego silnik: 10 Hz
Występuje tu znaczący udział harmonicznej związanej z częstotliwością impulsowania (PWM = 3 kHz).
Poza tą harmoniczną występują jej wielokrotności oraz składowe o częstotliwościach 10 Hz, 30 Hz i 150 Hz. Należy jednak pamiętać, że widmo prądu zależy od tego, przy jakiej prędkości kątowej nastąpiło doziemienie i jaką zastosowano częstotliwość impulsowania [3, 17].
Oscylogramy prądu ziemnozwarciowego płynącego przy doziemieniu silnika zasilanego z przekształtnika napięciem o częstotliwości 50 Hz (przy znamionowej prędkości kątowej silnika) przedstawiono na rys. 10. W tym przypadku dominuje składowa 50 Hz, a składowa o częstotliwości 3 kHz ma wyraźnie mniejszą wartość niż w przypadku pokazanym na rys. 9.
Rys. 10. Oscylogramy prądu ziemnozwarciowego iE(t) przy doziemieniu silnika zasilanego z przekształtnika i składowe harmoniczne tego prądu w zakresie częstotliwości: a) 0¸5 kHz, b) 0¸25 kHz; częstotliwość napięcia zasilającego silnik: 50 Hz
Jak wynika z badań autora wyłączniki różnicowoprądowe najgorzej radzą sobie z wykrywaniem prądów różnicowych pojawiających się przy niskich prędkościach kątowych silnika zasilanego z przekształtnika, czyli wtedy, kiedy w prądach tych dominują składowe o wysokich częstotliwościach.
Wnioski
W obwodach z przekształtnikami energoelektronicznymi prądy ziemnozwarciowe i prądy różnicowe mogą zawierać wyższe harmoniczne i to o stosunkowo wysokich częstotliwościach, co niekorzystnie wpływa na prąd zadziałania wyłączników różnicowoprądowych.
Stosowanie w takich obwodach wyłączników typu AC lub typu A nie gwarantuje skutecznej ochrony przeciwporażeniowej. Problem ten dostrzeżono na forum IEC oraz CENELEC i w znowelizowanej normie IEC 62423 (EN 62423) uwzględniono nowy typ wyłączników różnicowoprądowych – są to wyłączniki typu F. W przypadku przekształtników zasilanych trójfazowo należy rozważyć stosowanie wyłączników różnicowoprądowych typu B lub typu B+.
Literatura
- Allstromsensitive Fehlerstrom-Schutzschalter F200 B/B+ und F800 B/B+ Produktinformation. ABB STOTZ-KONTAKT GmbH, 2011.
- Czapp S.: Wyłączniki różnicowoprądowe do obwodów o prądzie różnicowym zawierającym wyższe harmoniczne. XX Konferencja Naukowo-Techniczna „Bezpieczeństwo Elektryczne ELSAF 2015” i X Szkoła Ochrony Przeciwporażeniowej, Szklarska Poręba, 23-25.09.2015, s. 75-82.
- Czapp S., Włas M.: Działanie wyłączników różnicowoprądowych przy doziemieniu silnika zasilanego z przemiennika częstotliwości. Przegląd Elektrotechniczny, 2010, nr 4, s. 296-301.
- Czapp S.: Wyłączniki różnicowoprądowe w ochronie przeciwporażeniowej przy odkształconym prądzie różnicowym. Seria Monografie, nr 99, Politechnika Gdańska, Gdańsk 2009, 184 s.
- Czapp S.: Analiza i badanie wpływu wybranych wyższych harmonicznych na działanie wyłączników różnicowoprądowych typu AC i A. Elektro.info, 2008, nr 3 (62), s. 118-123.
- DIN VDE 0664-400:2012-05 Fehlerstrom-Schutzschalter Typ B ohne eingebauten Überstromschutz zur Erfassung von Wechsel- und Gleichfehlerströmen für den gehobenen vorbeugenden Brandschutz – Teil 400: RCCB Typ B+ (Residual current operated circuit-breakers type B without integral overcurrent protection to operate at residual alternating and residual direct currents for advanced preventative protection against fire – Part 400: RCCB Type B+).
- Doepke. Katalogi wyrobów.
- IEC/TS 60479-2:2007 Effects of current on human beings and livestock. Part 2: Special aspects.
- IEC/TR 60755:2008 General requirements for residual current operated protective devices. 2nd edition.
- Lee T. M., Chan T. W.: The effects of harmonics on the operational characteristics of residual current circuit breakers. Int. Conf. on Energy Management and Power Delivery, Proc. of EMPD’95, vol. 2, Nov. 1995, s. 715-719.
- Luo X., Du Y., Wang X. H., Chen M. L: Tripping characteristics of residual current devices under nonsinusoidal currents. IEEE Transactions on Industry Applications, 2011, vol. 47, nr 3, s. 1515-1521.
- Musiał E., Czapp S.: Wyłączniki ochronne różnicowoprądowe. (1) Powstanie, rozwój, przyszłość. Miesięcznik SEP „Informacje o Normach i Przepisach Elektrycznych”, 2008, nr 108, s. 3-46.
- PN-EN 61008-1:2013-05 – wersja angielska. Wyłączniki różnicowoprądowe bez wbudowanego zabezpieczenia nadprądowego do użytku domowego i podobnego (RCCB) – Część 1: Postanowienia ogólne.
- PN-EN 62423:2013-06 – wersja angielska. Wyłączniki różnicowoprądowe typu F i typu B z wbudowanym zabezpieczeniem nadprądowym i bez wbudowanego zabezpieczenia nadprądowego do użytku domowego i podobnego.
- IEC 62423:2009 Type F and type B residual current operated circuit-breakers with and without integral overcurrent protection for household and similar uses.
- Residual Current Protective Devices/Arc Fault Detection Devices. Configuration Manual, Siemens AG, 2014.
- Schoneck J., Nebon Y.: LV protection devices and variable speed drives. Cahier technique no. 204. Schneider Electric, 2002.