Zastosowanie wyłączników różnicowoprądowych – zagadnienia wybrane

Wyłącznik różnicowoprądowy (RCD) jest to urządzenie, które mierzy różnicę prądu wpływającego (przewodami fazowymi) i wypływającego (przewodem neutralnym N) w chronionej instalacji (rys. 1. i 2.). 

Prąd różnicowy ΔI (zwany również prądem upływowym) stanowi różnicę pomiędzy prądem płynącym w przewodzie fazowym (przewodach fazowych) i przewodzie neutralnym N:

Elementem pomiarowym, który wystawia sygnał do wyłączenia zasilanego obwodu jest przekładnik Ferrantiego, gdzie na rdzeniu toroidalnym nawinięte jest uzwojenie bifilarne wykrywające różnicę prądów opisanych równaniem (1).

Jednym z najważniejszych parametrów wyłącznika różnicowoprądowego jest znamionowy prąd różnicowy ΔI_n, po przekroczeniu którego dokona on wyłączenia instalacji spod napięcia, a więc:

gdzie:

I_L1, I_L2, I_L3 – prąd w przewodach fazowych, w [A],

I_N – prąd w przewodzie neutralnym, w [A],

ΔI_n – prąd znamionowy różnicowy wyłącznika różnicowoprądowego w [A].

Ogólny podział wyłączników różnicowoprądowych:

• wysokoczułe: o znamionowym prądzie różnicowym 6 mA, 10 mA oraz 30 mA,
• średnioczułe: o znamionowym prądzie różnicowym 100 mA oraz 300 mA,
• niskoczułe: o znamionowym prądzie różnicowym 500 mA, 1000 mA oraz 3000 mA.

Wyłączniki o prądzie znamionowym 1000 mA oraz 3000 mA wykonywane są jako układ przekładnika Ferrantiego, który steruje zewnętrznym aparatem wykonawczym, np. stycznikiem.

Parametry wyłączników różnicowoprądowych:

• napięcie znamionowe U_n, w [V],
• prąd znamionowy różnicowy ΔI_n, w [mA],
• prąd znamionowy długotrwały I_n, w [A],
• typ wyłącznika (A, AC, B, F),
• rodzaj wyzwalacza (np. selektywny – S, krótkozwłoczny – G),
• wytrzymałość zwarciowa, w [kA],
• częstotliwość znamionowa, w [Hz].

Wyłącznik różnicowoprądowy pełni następujące funkcje w instalacji:

• jest urządzeniem realizującym samoczynne wyłączenie zasilania w ochronie przy uszkodzeniu (przed dotykiem pośrednim),
• jest uzupełnieniem ochrony podstawowej (przed dotykiem bezpośrednim) (dla ΔI_n ≤ 30 mA),
• jest urządzeniem chroniącym instalację przed pożarami wywołanymi przepływem prądu upływowego (dla ΔI_n ≤ 300 mA) .

W tabeli 1. przedstawiono stosowane oznaczenia wyłączników różnicowoprądowych.

Wyłączniki różnicowoprądowe mogą być instalowane w następujących układach sieci:

• TN-S,
• TN-C-S,
• IT,
• TT.

Połączenie wyłącznika w różnych układach sieci przedstawia rysunek 3.

W instalacji (rys. 3.) występuje prąd upływowy wynikający z istnienia rezystancji izolacji zarówno obudowy urządzeń (zasilanych z niej), jak i izolacji samych przewodów.

Prąd ten zależy w dużej mierze od:

• stanu instalacji i urządzeń z niej zasilanych,
• rozległości instalacji,
• warunków środowiskowych.

Wyłącznik różnicowoprądowy może zadziałać tylko w określonych sytuacjach:

w przypadku zwarcia przewodu neutralnego N lub fazowego L z obudową (rys. 2b i 2c). Przez obudowę urządzenia oraz przewód ochronny PE zamyka się obwód prądu zwarciowego i jeżeli spełniony zostanie warunek:

wyłącznik powinien przerwać przepływ prądu, gdy izolacja w chronionej instalacji ulegnie pogorszeniu lub uszkodzeniu (jej rezystancja zmniejszy się do wartości, przy której prąd upływu przekroczy wartość znamionowego prądu różnicowego ΔI_n) (rys. 2a).

Wyłącznik różnicowoprądowy (RCD) na pewno nie zadziała, gdy nastąpi zwarcie między przewodami – fazowym L i neutralnym N (rys. 2d), gdyż różnica prądów (widziana przez wyłącznik) będzie równa zero. Dlatego też sam wyłącznik różnicowoprądowy nie stanowi zabezpieczenia przetężeniowego i przeciążeniowego (zwarciowego) i wymaga poprzedzenia go zabezpieczeniem przetężeniowym . Na rynku dostępne są również wyłączniki różnicowoprądowe wyposażone w wyzwalacze przetężeniowe.

Instalowanie wyłącznika 

Wyłącznik różnicowoprądowy należy instalować:

• w obwodach zasilających pomieszczenia o zwiększonym zagrożeniu porażeniowym (np. kuchnia, łazienka itp.),
• w obwodach zasilających urządzenia I klasy ochronności,
• w każdym przypadku, gdzie wymaga się zwiększonej pewności ochrony przed porażeniem.

W praktyce powyższe wymagania należy spełnić, instalując wyłączniki różnicowoprądowe o prądzie ΔI_n nie większym niż 30 mA. Należy jednak pamiętać, że wybór wartości znamionowego prądu różnicowego ΔI_n wyłącznika powinien być oparty na analizie projektowanej instalacji lub pomiarach prądu upływowego). W instalacji elektrycznej mogą być również stosowane wyłączniki o prądach ΔI_n większych niż 30 mA. W takim przypadku wyłącznik różnicowoprądowy nie stanowi środka ochrony uzupełniającej przed dotykiem bezpośrednim. Natomiast stanowi doskonałą ochronę przed porażeniem przy uszkodzeniu.

Dobierając wyłącznik różnicowoprądowy do instalacji, należy wziąć pod uwagę:

• charakter instalacji oraz rodzaj urządzeń z niej zasilanych,
• wartość prądu upływowego w instalacji.

Przy szeregowym połączeniu wyłączników różnicowoprądowych (RCD), aby zachować selektywność zadziałania, należy zastosować wyłączniki typu S (selektywny). Dopuszcza się również stosowanie zwłoki czasowej nie większej jednak niż 1 s (dla głównego wyłącznika typu S) (rys. 4.) (problem ten został szczegółowo wyjaśniony w rozdziale 6. Poradnika Projektanta Elektryka, J. Wiatr, M. Orzechowski, Grupa MEDIUM 2021, wydanie VI).

W przypadku zasilania urządzeń, które podczas rozruchu powodują pojawianie się udarów prądowych, należy instalować wyłączniki różnicowoprądowe krótkozwłoczne (oznaczenie G).

Selektywność działania przy kaskadowym połączeniu dwóch wyłączników różnicowoprądowych

Przy kaskadowym połączeniu wyłączników różnicowoprądowych selektywność zostaje zachowana, jeżeli:

1. ich zestawione pasmowe charakterystyki I = f(IΔ) nie przecinają się, a pozioma odległość jest większa niż wartość różnicy prądów różnicowych przez nie płynących (rys. 5.),
2. każdy poprzedzający wyłącznik posiada odpowiednią zwłokę zadziałania w stosunku do następnego (za wyjątkiem ostatniego).

W obwodzie, w którym ustalony prąd różnicowy ma wartość IΔ_max, należy dobrać wyłącznik różnicowoprądowy o prądzie zadziałania spełniającym następujący warunek [1]:

gdzie:

kb – współczynnik bezpieczeństwa przyjmowany z przedziału (1,2–1,5), w [-],

IΔ_max – największy spodziewany prąd różnicowy zabezpieczonego obwodu, w [mA].

Wyłącznik B1 powinien być wyłącznikiem selektywnym o właściwej zwłoce czasowej oraz spełniać następujący warunek w stosunku do każdego wyłącznika B2 połączonego z nim w kaskadzie [1]:

gdzie:

IΔx – największy ustalony prąd różnicowy oddziałujący na wyłącznik B2 (największy spodziewany prąd różnicowy stanowiący sumę prądów różnicowych wszystkich rozpatrywanych obwodów), w [mA],

IΔnB2 – znamionowy prąd różnicowy wyłącznika B2, w [mA].

Częstym błędem popełnianym przez projektantów jest zabezpieczanie wyłącznikami różnicowoprądowymi tylko wybranych obwodów, co zostało zilustrowane na rysunku 6.

W przypadku zasilania obwodów w sposób przedstawiony na rysunku 6., należy być świadomym, że obwody numer 4–5 nie spełniają warunku selektywności w odniesieniu do poprzedzającego go wyłącznika różnicowoprądowego. Nadmierna wartość prądów doziemnych w tych obwodach spowoduje zadziałanie głównego wyłącznika różnicowoprądowego, co z kolei spowoduje przerwę w dostawie energii elektrycznej do wszystkich obwodów rozpatrywanego układu zasilania.

W praktyce projektowej niejednokrotnie zdarzają się przypadki, w których zabezpieczenia obwodów odbiorczych zostały zaprojektowane w sposób określony na rysunku 6. W takim przypadku należy przeprowadzić szczegółową analizę projektowanego układu zasilania pod kątem niezawodności.

Ostateczną decyzję podejmuje projektant, który musi być jednak świadomy skutków opisanych wcześnej.

Znacznie lepszym rozwiązaniem jest rezygnacja z zabezpieczenia ogólnego realizowanego przez wyłącznik selektywny lub instalacja wyłączników wysokoczułych we wszystkich obwodach odbiorczych.

Ogólne warunki wykonywania badań instalacji z wyłącznikami różnicowoprądowymi

W instalacjach z wyłącznikami różnicowoprądowymi skuteczność ochrony przeciwporażeniowej zależy nie tylko od poprawności działania samego wyłącznika, ale również od prawidłowej budowy instalacji, w której zastosowano wyłącznik. Przedmiotem badań jest zatem nie tylko wyłącznik, lecz również instalacja elektryczna. Badanie instalacji z wyłącznikiem różnicowoprądowym obejmuje:

1. badanie wyłącznika różnicowoprądo­wego,
2. badanie ciągłości połączeń przewodów ochronnych,
3. w sieci TT oraz IT – dodatkowo pomiar rezystancji uziemienia ochronnego.

Instalacje z wyłącznikami różnicowoprądowymi można badać za pomocą różnego rodzaju przyrządów pomiarowych specjalistycznych lub testerów, jak również metodą techniczną przy użyciu miliamperomierza i woltomierza. Dokładność badań nie jest określona przez polską normę. Wymagania normy niemieckiej DIN VDE 0413 dotyczące badań okresowych (eksploatacyjnych) ochrony przeciwporażeniowej stanowią, że dokładność pomiaru prądu zadziałania wyłącznika różnicowoprądowego nie może być mniejsza niż  10%.

Badanie wyłącznika różnicowoprądowego

Pierwszą czynnością przy wykonywaniu badania wyłącznika jest sprawdzenie jego działania za pomocą przycisku „TEST”. W tym celu każdy wyłącznik różnicowoprądowy jest wyposażony w obwód kontrolny, którego uruchomienie powoduje zamodelowanie warunków, takich jak przy uszkodzeniu występującym w instalacji. Po naciśnięciu przycisku oznaczonego symbolem „T” lub napisem „TEST”, sprawny, prawidłowo zainstalowany i zasilany (będący pod napięciem) wyłącznik musi natychmiast zadziałać.

Jeżeli po naciśnięciu przycisku „T” („TEST”) wyłącznik nie zadziała (nie wyłączy obwodu zasilanego), należy odstąpić od dalszych badań i orzec jego niesprawność. Wyłącznik taki powinien być natychmiast wymieniony na sprawny. Sprawdzenie przez naciśnięcie przycisku „TEST” nie jest wystarczające.

Zakres sprawdzania wyłączników różnicowoprądowych

Sprawdzenie wyłączników ochronnych różnicowoprądowych powinno obejmować ponadto:

• sprawdzenie prawidłowości połączeń przewodów L, N, PE,
• sprawdzenie napięcia dotykowego dla wartości prądu wyzwalającego IΔn (nie jest wymagane przez przepisy),
• pomiar czasu wyłączania wyłącznika tF,
• pomiar prądu wyłączania I_Δn.

Obecnie pomiar czasów wyłączania jest zalecany w przypadku ponownie użytych RCD oraz w przypadku rozbudowy lub zmiany istniejącej instalacji, w której RCD mają być użyte. Zgodnie z wymaganiami normy PN-HD 60364-4-41 [1], podczas sprawdzania zgodności z wymaganym maksymalnym czasem wyłączenia, próba powinna być wykonana przy prądzie 5 IΔn.

W celu wyznaczenia prądu zadziałania wyłącznika I_ΔW, należy wykonać badanie w układzie przedstawionym na rysunku 7.

Wartość rezystancji R_p należy dobrać tak, aby spełnione zostały nierówności [1]:

gdzie:

U₀ – napięcie nominalne sieci względem ziemi, w [V],

I_Δn – znamionowy prąd różnicowy, w [A].

Prąd zadziałania wyłącznika IΔW powinien być większy od 0,5 · IΔn, jednak nie większy od IΔn.

Sprawdzanie wyłączników ochronnych różnicowoprądowych przyrządami mikroprocesorowymi

Najłatwiejsze i pełne sprawdzenie skuteczności ochrony przeciwporażeniowej w obwodach zabezpieczonych wyłącznikami ochronnymi różnicowoprądowymi odbywa się przy użyciu mikroprocesorowych multitesterów. Badanie przyrządami mikroprocesorowymi odbywa się następ­ująco:

• sprawdzenie obwodu zakończonego 1-fazowym gniazdem wtyczkowym – po włożeniu wtyczki przyrządu do gniazda i załączeniu go następuje sprawdzenie poprawności połączeń przewodów L, N, PE,
• stan połączenia przewodów jest sygnalizowany wyświetleniem odpowiedniego symbolu na wyświetlaczu ciekłokrystalicznym lub odpowiednim świeceniem lampek sygnalizacyjnych, w zależności od zastosowanego miernika,
• poprawne połączenie przewodów w miernikach jest sygnalizowane wyświetleniem odpowiedniego symbolu.

W przypadku konieczności sprawdzenia poprawności połączeń przewodów w obwodzie bez gniazda wtyczkowego lub dla odbiornika zabezpieczonego wyłącznikiem różnicowoprądowym, przyrząd należy połączyć przewodami z wtykami bananowymi i klipsami.

Pomiar parametrów technicznych wyłączników różnicowoprądowych chroniących instalacje elektryczne:

• pomiar napięcia dotykowego UST – badanie polega na wymuszeniu prądu o wartości mniejszej od 50% wybranego znamionowego prądu różnicowego, dzięki czemu nie następuje wyzwolenie wyłącznika różnicowoprądowego. Wbudowany mikroprocesor oblicza wartość napięcia odnosząc ją do znamionowego prądu różnicowego badanego wy­łącznika,
• pomiar rzeczywistego prądu zadziałania wyłącznika różnicowoprądowego – możliwy jest tylko po uprzednim wykonaniu pomiaru napięcia dotykowego i tylko wtedy, gdy nie przekroczy ono wybranej uprzednio wartości napięcia dopuszczalnego długotrwale UL (50 lub 25 V), i polega na wymuszeniu prądu różnicowego narastającego liniowo od 30 do 105% wartości I_Δn wybranej pokrętłem. Prąd różnicowy narasta i zostaje zmierzony w chwili wyzwolenia wyłącznika, zmierzone jest również napięcie dotykowe wyświetlane później na przemian ze zmierzonym prądem zadziałania,
• pomiar rezystancji uziemienia RE miernikami mikroprocesorowymi odbywa się podobnie jak pomiar napięcia dotykowego.

Wynik pomiaru napięcia jest przeliczany na rezystancję uziemienia według wzoru:

Zakres pomiarowy rezystancji uziemienia wynosi 0÷12,5 kΩ,

• pomiar czasu wyłączania wyłącznika różnicowoprądowego – pomiar czasu zadziałania wyłącznika różnicowoprądowego miernikami mikroprocesorowymi (np. MIE-500) możliwy jest tylko po uprzednim wykonaniu pomiaru rezystancji uziemienia. Miernikiem MIE-500 pomiar czasu zadziałania można wykonać dla prądów 1, 2 i 5 · I_Δn.

Norma PN-HD 60364-6 wprowadziła wymaganie wykonywania dodatkowych sprawdzeń.

Metody sprawdzania skuteczności ochrony przeciwporażeniowej w obwodach z wyłącznikami różnicowoprądowymi

Metoda 1. (zasada metody pokazana jest na rysunku 8. – układ bez sondy)

Zmienna rezystancja jest włączona między przewodem fazowym, za urządzeniem ochronnym, a częścią przewodzącą dostępną chronionego odbioru. Przez zmianę rezystancji RP regulowany jest prąd IΔ, przy którym zadziała badane urządzenie ochronne różnicowoprądowe. Nie może on być większy od IΔn. Metoda ta może być stosowana dla układów sieci TN-S, TT oraz IT. W układzie IT, podczas przeprowadzania próby, w celu uzyskania zadziałania urządzenia ochronnego różnicowoprądowego, może być potrzebne połączenie określonego punktu sieci bezpośrednio z ziemią. W tej metodzie nie stosuje się sondy pomocniczej umieszczonej w „strefie ziemi od­niesienia”.

Metoda 2.

Na rysunku 9. przedstawiona jest zasada metody, w której zmienny opór jest włączony między przewodem fazowym od strony zasilania a innym przewodem czynnym po stronie odbioru (zasada testera). Prąd zadziałania IΔ nie powinien być większy od IΔn. Obciążenie powinno być odłączone podczas próby. Metoda ta może być stosowana dla układów sieci TN-S, TT oraz IT.

Metoda 3.

Na rysunku 10. przedstawiona jest zasada metody, w której stosowana jest elektroda pomocnicza (sonda) umieszczona w ziemi odniesienia. 

Prąd jest zwiększany przez zmniejszanie wartości rezystancji RP. W tym czasie mierzone jest napięcie U między dostępną częścią przewodzącą a niezależną elektrodą pomocniczą. Mierzony jest również prąd I_Δ, przy którym urządzenie zadziała, a który nie powinien być większy niż I_Δn. Powinien być spełniony następujący warunek:

gdzie:

U_L – jest napięciem dotykowym dopuszczalnym długotrwale w danych warunkach środowiskowych, w [V].

Metoda ta może być stosowana dla układów sieci TN-S, TT oraz IT tylko wówczas, gdy lokalizacja pozwala na zastosowanie elektrody pomocniczej (np. na terenach budowy).

W układzie IT podczas przeprowadzania próby, w celu uzyskania zadziałania urządzenia ochronnego różnicowoprądowego, może być potrzebne połączenie określonego punktu sieci bezpośrednio z ziemią.

Uwaga!

Pomiar prądu upływu powinien być poprzedzony pomiarem rezystancji izolacji.

Jeżeli w układzie sieci TT do odbiorników lub grup odbiorników zabezpieczonych różnymi wyłącznikami różnicowoprądowymi jest przyłączony ten sam, wspólnie uziemiony przewód ochronny, to dopuszczalna wartość rezystancji uziemienia ochronnego RE powinna spełniać warunek [1]:

gdzie:

ΣI_Δn – suma trzech największych wartości prądów IΔn wyłączników stosowanych w badanej sieci.

Po zmierzeniu rezystancji uziemienia ochronnego R_E należy sprawdzić ciągłość połączenia z przewodem ochronnym części przewodzących dostępnych urządzeń odbiorczych I klasy ochronności lub styków ochronnych (kołków) gniazd wtyczkowych zainstalowanych w obwodzie za wyłącznikiem różnicowoprądowym.

Pomiar prądów upływowych w instalacji elektrycznej

Prąd upływowy jest to prąd przepływający przez impedancję doziemną urządzeń lub instalacji. Podczas doboru znamionowego prądu różnicowego wyłącznika różnicowoprądowego należy ocenić wartość prądu upływowego w projektowanej lub modernizowanej instalacji. Jeśli zostanie zainstalowany wyłącznik o zbyt małym znamionowym prądzie różnicowym, wówczas będzie dochodzić do częstych wyłączeń. Podobnie rzecz ma się, gdy w instalacji znajduje się element z uszkodzoną izolacją (urządzenie lub przewód).

W takich przypadkach pomocnym może być wykonanie pomiaru wartości prądu upływowego. W tym celu należy (rys. 11.):

• wykonać przerwę w przewodzie neutralnym N,
• załączyć wszystkie odbiorniki,
• podać napięcie na przewód fazowy poprzez miliamperomierz wielozakresowy (od 0 do 500 mA) i odczytać wskazanie miliamperomierza.

Badanie samoczynnego wyłączenia w instalacjach

Ochrona przeciwporażeniowa przez samoczynne wyłączanie zasilania jest skuteczna, jeżeli podczas zwarcia L-PE (L-PEN):

• nastąpi wyłączenie zasilania w wymaganym przez normę czasie lub
• nie będą przekroczone napięcia dotykowe dopuszczalne długotrwale.

Zgodnie z normą PN-HD 60364-4-41:2009  w układzie TN największy dopuszczalny czas wyłączenia zasilania równy 5 s można przyjąć dla obwodów rozdzielczych oraz, pod pewnymi warunkami, dla obwodów odbiorczych o prądzie znamionowym większym niż 32 A. 

W układzie TT największy dopuszczalny czas wyłączenia zasilania równy 1 s można przyjąć dla obwodów rozdzielczych oraz, pod pewnym warunkami, dla obwodów odbiorczych o prądzie znamionowym większym niż 32 A.

Należy sprawdzić, czy obwody gniazd wtyczkowych ogólnego przeznaczenia o prądzie znamionowym nieprzekraczającym 20 A, które są użytkowane przez osoby niewykwalifikowane technicznie  (np. pracownicy biurowi) oraz obwody urządzeń przenośnych o znamionowym prądzie nieprzekraczającym 32 A użytkowane na zewnątrz pomieszczeń są chronione za pomocą wyłączników różnicowoprądowych wysokoczułych (I_Δn < 30 mA).

Zgodnie z normą PN-HD 60364-4-41:2009 [3] oraz jej nowszą wersją z 2017 roku, największe dopuszczalne czasy samoczynnego wyłączenia dotyczą również wyłączników różnicowoprądowych. W tabeli 2. zostały podane czasy gwarantujące spełnienie wymagań normy PN-HD 60364­ 4­ 41:2009 (2017). Wartości te są w niektórych przypadkach większe od wymagań narzuconych przez normę PN-HD 60364-6.

Rozbieżność ta wynika z charakterystyk prądowo-czasowych wyłączników różnicowoprądowych. Prąd o wartości 5IΔn jest za mały do zadziałania wyłącznika o wymaganym czasie. Konieczny jest prąd o wartości 7I_Δn.

Jeśli w obwodzie znajdują się różne urządzenia wyłączające, to jako prąd wyłączający należy przyjąć wynik najkorzystniejszy. Stanowi on podstawę oceny skuteczności ochrony przeciwporażeniowej. W tabeli 3. podane zostały przykładowe sposoby zabezpieczeń oraz prądy wyłączające Ia przy wymaganym czasie wyłączenia t_w ≤ 0,4 s w układzie zasilania TN.

Zgodnie z normą PN-HD 60364-6:2016-07 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 6: Sprawdzanie oraz jej wcześniejszą wersją z 2008 roku, pomiar czasu zadziałania wyłącznika różnicowoprądowego jest wymagany tylko w następujących sytuacjach:

• w nowej instalacji zastosowano wyłączniki różnicowoprądowe z odzysku,
• wcześniej zainstalowane wyłączniki różnicowoprądowe mają chronić obwody rozbudowane lub przebudowane.

Uwaga!

Zgodnie z wymaganiami normy PN-HD 60364-41:2009 (2017) [3], jeżeli w obwodzie został zainstalowany wyłącznik różnicowoprądowy, należy chronić obwód również za pomocą zabezpieczenia nadprądowego, zgodnie z normą PN-HD 60364-4-43:2012 [4].

Pomiary te przeprowadza się tylko przy sprawdzaniu odbiorczym. Nie są one wymagane przy sprawdzaniu okresowym.

Warunki skuteczności ochrony przeciwporażeniowej w różnych układach zasilania, z uwzględnieniem rodzaju zabezpieczenia, zostały przedstawione w tabeli 3.

Ochrona przeciwporażeniowa w instalacjach fotowoltaicznych

Zgodnie z wymaganiami normy PN-HD 60364-7-712:2016 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 7-712: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Fotowoltaiczne (PV) układy zasilania [5], dla ochrony przeciwporażeniowej należy stosować następujące środki:

strona DC:

a) ochrona podstawowa:

• izolacja podstawowa,
• osłony, przegrody lub obudowy,

b) ochrona przy uszkodzeniu:

• izolacja podwójna lub wzmocniona (urządzenia II klasy ochronności),
• bardzo niskie napięcie SELF lub PELV.

strona AC:

a) ochrona podstawowa:

• izolacja podstawowa,
• osłony, przegrody lub obudowy,

b) ochrona przy uszkodzeniu:

• samoczynne wyłączenie zasilania,
• izolacja podwójna lub wzmocniona (urządzenia II klasy ochronności),
• bardzo niskie napięcie SELF lub PELV.

Uwaga!

Stronę DC należy traktować jako pozostającą pod napięciem nawet w przypadku odłączenia przekształtnika. Zgodnie z normą PN-HD 60364-7-712:2016-05 [5] napięcie UOCMAX, tzn. największe możliwe napięcie na zaciskach modułu PV, łańcucha PV, generatora PV (przy otwartym obwodzie) nie powinno przekraczać 120 V. Natomiast zgodnie z wymaganiami normy IEC60364-7­ 712:2017-04 [6] napięcie UOCMAX, tzn. największe możliwe napięcie na zaciskach modułu PV, łańcucha PV, generatora PV (przy otwartym obwodzie) nie powinno przekraczać 60 V.

Przy doborze zabezpieczeń w instalacjach PV dla zapewnienia ochrony przeciwporażeniowej przez samoczynne wyłączenie należy uwzględnić układ zasilania, który skutkuje najmniejszą wartością prądu zwarcia doziemnego. Na rysunku 12. został przedstawiony przepływ prądu przy zasilaniu prosumenta z sieci elektroenergetycznej (a) oraz przy odłączonej sieci elektroenergetycznej (b) – (praca wyspowa).

W przypadku zasilania instalacji równolegle z sieci elektroenergetycznej i lokalnego źródła/zasobnika energii, prąd zwarcia doziemnego w miejscu zwarcia sumuje się od tych źródeł i przyjmuje największą wartość. Największy udział ma zwykle sieć elektroenergetyczna.

W wyspowym trybie pracy instalacji PV, prąd zwarciowy pochodzi tylko z lokalnego źródła/zasobnika energii. Należy zwrócić uwagę na źródła prądowe (np. generatory PV), w których prąd zwarciowy jest niewiele większy niż prąd przy pełnym obciążeniu roboczym. W przypadku elektrochemicznych zasobników energii prąd zwarciowy może być ograniczony przez przekształtnik. W związku z powyższym, w układach zasilania TN i IT zabezpieczenia nadprądowe do celów ochrony przez samoczynne wyłączanie zasilania powinny być dobrane do źródła/układu zasilania, który skutkuje najmniejszym prądem zwarciowym (zwykle tryb wyspowy, jeżeli dopuszczalny).

W układzie zasilania TT wartość prądu zwarcia doziemnego zależy głównie od rezystancji uziemienia przewodu ochronnego odbiornika/ów i rezystancji uziemienia w stacji zasilającej. W związku z tym tryb pracy instalacji (zasilanie z sieci, praca wyspowa) raczej nie wpływa na wartość tego prądu i uzyskanie skutecznej ochrony przez samoczynne wyłączenie zasilania.

Po stronie AC pomocne mogą być wyłączniki różnicowoprądowe (RCD), które nie są wymagane w instalacjach fotowoltaicznych (o ile w danym przypadku inne arkusze normy tego nie wymagają).

Jeżeli po stronie AC przekształtnika zastosowano RCD, to:

• powinien być nim wyłącznik typu B w przypadku braku separacji podstawowej pomiędzy stronami AC i DC,
• nie wymaga się wyłącznika typu B gdy zastosowano separację podstawową między stronami AC i DC lub gdy producent przekształtnika podaje, że nie jest wymagany wyłącznik różnicowoprądowy typu B (zatem w rachubę wchodzi też wyłącznik różnicowoprądowy typu A lub typu F).

Należy przy tym zaznaczyć, że wyłącznik różnicowoprądowy, jeśli został zastosowany, ma pełnić funkcję urządzenia wyłączającego w ramach środka ochrony przy uszkodzeniu „samoczynne wyłączanie zasilania”. W żadnej z wersji normy PN-HD60364-7-712: 2016 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 7-712: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Fotowoltaiczne (PV) układy zasilania w instalacjach fotowoltaicznych [42] nie stawia się wymagań odnośnie do znamionowego prądu różnicowego zadziałania wyłącznika różnicowoprądowego w instalacji fotowoltaicznej pomiędzy przekształtnikiem a rozdzielnicą, np. w budynku mieszkalnym.

Ze względu na naturalne prądy upływowe występujące w instalacji fotowoltaicznej, nie należy stosować wyłączników różnicowoprądowych wysokoczułych (IΔn ≤ 30 mA). Z tego powodu producenci niektórych przekształtników podają, że prąd ten nie powinien być mniejszy niż 100 mA lub 300 mA.

Decydując się na zastosowanie wyłącznika różnicowoprądowego w instalacji z przekształtnikami beztransformatorowymi, konieczne jest uwzględnienie wytycznych ich producentów, zarówno co do wartości znamionowego prądu różnicowego zadziałania, jak i typu wyzwalania wyłącznika różnicowoprądowego (typ A czy typ B).

Obowiązek stosowania wyłączników różnicowoprądowych może wynikać z wymagań odrębnych norm. Przykładem mogą być obiekty gospodarstw rolnych, gdzie instalacja fotowoltaiczna jest umieszczona w obiekcie podlegającym szczególnym wymaganiom w odniesieniu do ochrony przeciwporażeniowej. Przykładem takich obiektów są gospodarstwa rolnicze i ogrodnicze (poza częścią mieszkalną), dla których należy uwzględnić też wymagania normy PN-HD60364-7-705:2005/A-12:2017-10 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 7-705: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Gospodarstwa rolnicze i ogrodnicze. Zgodnie z tą normą w gospodarstwach rolniczych i ogrodniczych do ochrony przez samoczynne wyłączanie zasilania należy zastosować wyłączniki różnicowoprądowe o następującym znamionowym prądzie różnicowym zadziałania:

• IΔn ≤ 30 mA w obwodach odbiorczych zasilających gniazda wtyczkowe o prądzie znamionowym nieprzekraczającym 32 A,
• IΔn ≤ 100 mA w obwodach odbiorczych zasilających gniazda wtyczkowe o prądzie znamionowym przekraczającym 32 A,
• I_Δn ≤ 300 mA w pozostałych obwodach.

Zatem jeżeli instalacja fotowoltaiczna (generator PV i przekształtnik) jest zintegrowana np. z budynkiem stodoły lub budynkiem mieszczącym zwierzęta gospodarskie, a ochrona przy uszkodzeniu realizowana jest przez samoczynne wyłączenie zasilania (po stronie AC, po stronie DC urządzenia II klasy ochronności), to obwód po stronie AC należy wyposażyć w wyłącznik różnicowoprądowy o In ≤ 300 mA. Takiego wyłącznika różnicowoprądowego wymaga się również ze względu na ochronę przed pożarem.

Na rysunku 13. zostały przedstawione skutki doziemienia po stronie DC w instalacji fotowoltaicznej prosumenta bez transformatora separacyjnego pomiędzy stroną DC a stroną AC. Uszkodzenie izolacji po stronie DC skutkuje przepływem prądu różnicowego zawierającego składową przemienną iAC oraz składową stałą IDC.

Na rysunku 14. przedstawiono skutki doziemienia po stronie DC w instalacji fotowoltaicznej prosumenta wykonanej w II klasie ochronności. Przy pojedynczym uszkodzeniu występuje brak przepływu prądu zwarciowego, a tym samym brak zagrożenia porażeniem prądem elektrycznym.

Na rysunku 15. przedstawiono skutki doziemienia po stronie AC w instalacji fotowoltaicznej prosumenta, w której instalacja po stronie DC została wykonana w II klasie ochronności. W takim przypadku występuje przepływ prądu z obu stron miejsca zwarcia: iAC-p – składowa prądu doziemnego od strony przekształtnika; iDC-s – składowa prądu doziemnego od strony sieci elektroenergetycznej.

Uwaga!

W instalacjach PV zaleca się stosowanie przekształtników z transformatorem separacyjnym.

Po stronie DC należy stosować wyłącznie urządzenia w II klasie ochronności, a wszelkie złączki muszą być tego samego typu oraz tego samego producenta.

Literatura

1. E. Matula, M. Sych, Zapobieganie porażeniom elektrycznym w przemyśle, WNT, Warszawa 1980. 
2. T. Wiśniewski, S. Niestępski, J. Pasternakiewicz, M. Parol, Instalacje elektryczne. Budowa, pro¬jektowanie i eksploatacja, OWPW, Warszawa 2001. 
3. S. Gierlotka, Elektropatologia porażeń prądem elektrycznym oraz bezpieczeństwo przy urządze¬niach elektrycznych. Zeszyty dla elektryków, nr 12, DW MEDIUM, Warszawa 2015. 
4. J. Wiatr, M. Orzechowski, Poradnik Projektanta Elektryka, wydanie VI, Grupa MEDIUM, War¬szawa 2021. 
5. E. Musiał, Ochrona od porażeń w instalacjach niskiego napięcia. Współdziałanie różnych ukła¬dów, w tym TN i TT, materiały szkoleniowe P-KOIIB, Bydgoszcz 2012. 
6. PN-HD 60364-4-41-4-41:2009 (2017-09) Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym. 
7. PN-HD 60364-5-54:2011 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 5-54: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Układy uziemiające i przewody ochronne. 
8. N SEP-E 001:2013 Sieci elektroenergetyczne niskiego napięcia. Ochrona przed porażeniem elektrycznym. 
9. Poradnik jakości zasilania. Uziemienia i EMC – podstawy obliczeń i projektowanie. Zeszyt 6.3.1, Polskie Centrum Promocji Miedzi. 
10. K. Sałasiński, Bezpieczeństwo elektryczne w zakładach opieki zdrowotnej, COSiW SEP, War¬szawa 2007. 
11. L. Danielski, R. Zacirka, Badania ochrony przeciwporażeniowej w obiektach z przemiennikami częstotliwości, elektro.info nr 12/2005. 
12. J. Grad, W. Kotlarski, Aparaty elektryczne, WSiP, Warszawa 1991. 
13. PN-IEC 60364-4-481:1994 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona za-pewniająca bezpieczeństwo. Dobór środków ochrony w zależności od wpływów zewnętrznych. Wybór środków ochrony przeciwporażeniowej w zależności od wpływów zewnętrznych. 
14. PN-E05115:2002 Instalacje elektroenergetyczne prądu przemiennego o napięciu wyższym od 1 kV. 
15. PN-HD 60364-4-42:2011 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-42: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed skutkami oddziaływania cieplnego. 
16. PN-EN 62040-3:2005 Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS). Część 3: Metody określa-nia właściwości i wymagania dotyczące badań.
17. PN-EN 50178: Urządzenia elektroniczne do stosowania instalacjach elektrycznych dużej mocy. 
18. PN-HD 60364-7-701:2010 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 7-701: Wyma-gania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Pomieszczenia wyposażone w wannę lub prysznic. 
19. PN-HD 60364-6:2016 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 6: Sprawdzanie. 
20. PN-77/E-04408 Materiały elektroizolacyjne ciekłe. Pomiary napięcia przebicia. 
21. PN-88/E-04409 Materiały elektroizolacyjne ciekłe. Pomiary współczynnika strat dielektrycz¬nych przenikalności elektrycznej względnej i oporności właściwej. 
22. PN-88/E-04405 Materiały elektroizolacyjne stałe. Pomiary elektrycznej oporności. 
23. PN-E-04700:1998 Urządzenia i układy elektryczne w obiektach elektroenergetycznych. Wy-tyczne przeprowadzania pomontażowych badań odbiorczych. 
24. Z. Gryżewski, Prace pomiarowo-kontrolne przy urządzeniach elektroenergetycznych o napię¬ciu do 1 kV, COSiW SEP, Warszawa 2006. 
25. PN-EN 60896-1:2003 Baterie ołowiowe stacjonarne. Ogólne wymagania i badania. Typy otwarte. 
26. PN-EN 60896-2:2005 Akumulatory ołowiowe stacjonarne. Wymagania ogólne i metody ba¬dań. Typy z zaworami. 
27. PN-HD 60364-7-710:2012 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 7-710: Wyma-gania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Pomieszczenia medyczne. 
28. F. Łasak, Wykonywanie odbiorczych i okresowych sprawdzań instalacji niskiego napięcia oraz wykonywanie innych pomiarów, Zeszyty dla elektryków Nr 7, Grupa MEDIUM, Warszawa 2020. 
29. Ustawa prawo o miarach (Dz.U. Nr 243/2004 z późniejszymi zmianami). 
30. Rozporządzenie Ministra Przedsiębiorczości i Technologii z dnia 22 marca 2019 roku w spra¬wie prawnej kontroli metrologicznej przyrządów pomiarowych (Dz.U. z 2019 roku poz. 759 z późniejszymi zmianami). 
31. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (tekst jednolity: Dz.U. z 2022 roku poz. 1225). 
32. S. Czapp, Zasady projektowania ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach niskiego napięcia z fotowoltaicznymi źródłami energii, materiały szkoleniowe Konferencji Jubileuszowej z okazji XX-lecia elektro.info, Warszawa, 15 października 2021. 
33. PN-IEC 60364-442:2012 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-442: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona instalacji niskiego napięcia przed przepięciami dorywczymi powstającymi wskutek zwarć doziemnych w układach po stronie wysokiego i ni¬skiego napięcia. 
34. PN-HD 60364-4-43:2012 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-43: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed prądem przetężeniowym. 
35. N SEP-E 004 Elektroenergetyczne i sygnalizacyjne linie kablowe. Projektowanie i budowa.
36. DIN VDE 0413 Elektrische Sicheheit in Niederspannungsnetzen bis AC 1000 V und DC 1500 V – Geräte zum Prüfen, Messen oder Überwachen von Schutzmaßnahmen. 
37. PN-EN 60073:2003 Zasady podstawowe bezpieczeństwa przy współdziałaniu człowieka z maszyną, oznaczenia i identyfikacja. Zasady kodowania wskaźników i elementów manipu-lacyjnych. 
38. PN-EN 50529:2003 Stopnie ochrony przez obudowy (kod IP). 
39. PN-EN 50102:2001/AC 2011 Stopnie ochrony przed zewnętrznymi uderzeniami mechanicz¬nymi zapewnianej przez obudowy urządzeń elektrycznych (Kod IK). 
40. PN-HD 60305 Ochrona odgromowa – norma wieloarkuszowa. 
41. Ustawa Prawo budowlane (tekst jednolity Dz.U. z 2020 r. poz. 1333 z późniejszymi zmianami). 
42. PN-HD 60364-7-712:2016-05 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 7-712: Wy-magania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Fotowoltaiczne (PV) układy zasilania. 
43. PN-HD 60364-7-712:2017-04 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Część 7-712: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Fotowoltaiczne układy za-silania – wersja angielska. 
44. T. Maksymowicz, Projektowanie układu uziemiającego – obliczenia teoretyczne w praktyce, RST, Białystok 2019.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!