Ochrona przeciwporażeniowa uzupełniająca za pomocą wysokoczułych RCD, które nie zapewniają takiej ochrony

Wyłączniki różnicowoprądowe (RCD) stają się bardzo rozpowszechnionym elementem ochrony przed dotykiem pośrednim (ochrony dodatkowej, ochrony przy uszkodzeniu). Szczególnie dotyczy to rozwiązań ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach elektrycznych obecnie budowanych lub modernizowanych. Takie działania wspierają zapisy w warunkach technicznych [12] oraz w normie [7]. Wyłącznik RCD może również pełnić funkcję ochrony uzupełniającej.

W normie [7] podano, że w sieciach prądu przemiennego ochronę uzupełniającą za pomocą wyłączników różnicowoprądowych należy stosować dla obwodów gniazd wtyczkowych o prądzie znamionowym nie przekraczającym 20 A, eksploatowanych przez zwykłych (postronnych) użytkowników, a gniazda te są stosowane do ogólnych celów. Wyłączniki takie należy również stosować w obwodach o prądzie znamionowym nie przekraczającym 32 A zasilających odbiorniki ruchome, eksploatowane na zewnątrz pomieszczeń.

Zastosowanie wyłączników różnicowoprądowych o prądzie znamionowym różnicowym zadziałania IΔ n ≤ 30 mA jest traktowane w sieciach prądu przemiennego jako ochrona uzupełniająca w przypadku uszkodzenia środka ochrony przed dotykiem bezpośrednim (ochrony podstawowej) i/lub środka ochrony przed dotykiem pośrednim (ochrony dodatkowej) lub też nieuwagi użytkownika, skutkującej dotykiem do części czynnej (części będącej w normalnych warunkach pod napięciem).

Ochrona uzupełniająca za pomocą RCD polega na niedopuszczeniu do długotrwałego przepływu prądu przez organizm człowieka poprzez zadziałanie RCD w czasie przepływu prądu przez organizm człowieka. Dopuszcza się więc świadomie przepływ (krótkotrwały) prądu elektrycznego przez człowieka. Jest to niepodważalna zaleta takich wyłączników – przepływ prądu i natychmiastowe zadziałanie RCD . W przypadku gdyby obwód był zabezpieczony urządzeniem ochronnym przetężeniowym (bezpiecznik, wyłącznik instalacyjny), przepływ prądu przez organizm człowieka na skutek dotknięcia do części czynnej kończy się najczęściej porażeniem śmiertelnym, gdyż bezpiecznik (wyłącznik instalacyjny) nie zadziała przy prądach o takich wartościach, które człowiekowi grożą śmiertelnym porażeniem. Przyjęte określenie „krótkotrwały” należy traktować w tym miejscu jako umowne (brak jego definicji). W dalszych rozważaniach przyjęte będą wartości czasu przepływu prądu rażeniowego (czasu wyłączenia RCD ).

Podane wcześniej sytuacje, w których wyłącznik różnicowoprądowy stanowi ochronę uzupełniającą, były w dawnych wymaganiach rozszerzone o brak wymogu stosowania przewodu ochronnego w przypadku, gdy obwód jest chroniony przez RCD .

W zarządzeniu z 1969 r. [13] w §100.6 podano, że

„dopuszcza się instalowanie wyłączników przeciwporażeniowych różnicowoprądowych bez zastosowania przewodu ochronnego, pod warunkiem, że znamionowy prąd wyzwalający wyłącznik nie przekracza 20 mA, a wynikające z braku przewodu ochronnego ograniczenie skuteczności dodatkowej ochrony można uznać za dopuszczalne”.

W treści tej są dwa niebezpieczne zapisy, które nie mogłyby się znaleźć w obecnych wymaganiach. Pierwszy to świadome dopuszczenie (w świetle prawa!) przepływu prądu przez organizm człowieka (obecnie też zakłada się taką sytuację, ale tylko w warunkach braku ochrony podstawowej, dodatkowej lub nieuwagi użytkownika). Drugi zapis (co najmniej dyskusyjny) to określenie „uznać za dopuszczalne”. Nasuwają się natychmiast pytania: kto ma to uznać i według jakich kryteriów oraz jaka jest definicja określenia „dopuszczalne”?

W rozporządzeniu [11] w §31.2 podano łagodniejszy wymóg:

„dopuszcza się instalowanie wyłączników przeciwporażeniowych bez zastosowania przewodu ochronnego, pod warunkiem, że znamionowy różnicowy prąd powodujący wyłączenie wyłącznika nie przekracza 30 mA”.

Jest to tylko pozornie łagodniejszy wymóg, gdyż dopuszcza się wówczas większe wartości prądu mogącego przepływać przez organizm człowieka, który nie powoduje zadziałania wyłącznika. Wynika to z tego, że wyłącznik ma również inny parametr, a mianowicie prąd znamionowy różnicowy niezadziałania.

Wartością znormalizowaną prądu znamionowego różnicowego niezadziałania jest 0,5 I_Δn, a więc dla I_Δn=20 mA wartość prądu niezadziałania wynosi 10 mA, natomiast dla I_Δn = 30 mA wartość tego prądu wynosi 15 mA. Przy tej wartości prądu należy już rozważać górną granicę prądu samouwolnienia. Wartość tego prądu przyjmuje się równą 6 mA [5]. Niektórzy autorzy przyjmują wartość 10 mA, a nawet 15 mA. Czas rażenia takimi prądami może być dość długi. Ograniczony jest on jednak przez samego rażonego, gdyż z reguły samodzielnie odrywa się on od uchwyconej elektrody lub zostaje oderwany przez inne osoby (jest to, oczywiście, wersja optymistyczna). Jeżeli nie nastąpi przerwanie prądu rażeniowego i przepływ tego prądu (o wartości 15 mA) jest długotrwały, to po czasie większym od 1 s występują mimowolne skurcze mięśni, trudności w oddychaniu, odwracalne zakłócenia w pracy serca, a także może się pojawić zatrzymanie pracy serca.

Przy długotrwałym przepływie prądu o wartości 10 mA podane skutki mogą wystąpić po czasie większym od 2 s (wg raportu IEC [6]). Wynika z tego przewrotne stwierdzenie, że człowiek rażony prądem elektrycznym o większej wartości jest w lepszej sytuacji niż rażony prądem o mniejszej wartości: przy prądzie o większej wartości może liczyć na zadziałanie RCD , jeżeli I_Δ > 0,5 I_Δn.

W tym miejscu należy zwrócić uwagę na dwa parametry:

• prąd znamionowy różnicowy niezadziałania, równy 0,5 I_Δn,
• prąd znamionowy różnicowy zadziałania I_Δn.

Różnica między wartościami tych prądów wynosi 100%. Widać z tego, jak niedoskonałe pod względem parametrów są wyłączniki różnicowoprądowe. Jaka jest ich dokładność działania? To, oczywiście, może być przyczyną bardzo niebezpiecznych skutków dla człowieka znajdującego się w obwodzie prądu rażeniowego. Może on bowiem trafić na bardzo oporny RCD , który będzie działał np. przy prądzie 0,95 I_Δn (ta wartość też będzie spełniała nierówność I_Δ > 0,5 I_Δn). W takiej sytuacji dla wyłącznika o I_Δn = 30 mA prąd niezadziałania będzie wynosił np. 0,94 ⋅ 30 = 28,2 mA. Przy tej wartości prądu już po czasie 300 ms występują wcześniej opisane skutki – w oparciu o badania przedstawione w raporcie IEC [6]. Oczywiście, taki przedział dowolności działania RCD (> 0,5 I_Δn÷ I_Δn) jest zgodny z normą [8].

Przy rozpatrywaniu wyłącznika różnicowoprądowego o I_Δn ≤ 30 mA jako urządzenia wysokoczułego i realizującego ochronę przeciwporażeniową uzupełniającą, interesujący jest obszar AC -2 oraz charakterystyka b, rozdzielająca obszary AC -2 i AC -3 (rys. 1). Obszar AC -2 charakteryzuje się tym, że przy przepływie prądu (bierze się pod uwagę jego wartość i czas przepływu) występuje jego odczuwanie i są prawdopodobne mimowolne skurcze mięśni, lecz nie występują zwykle żadne szkodliwe skutki elektropatofizjologiczne. Charakterystyka b, rozdzielająca podane obszary, zmieniała swoje położenie wraz z coraz większym dorobkiem badawczym nad skutkami przepływu prądu przez żywe organizmy. Na rysunku 2 podano fragment rysunku 1 wraz z naniesionymi charakterystykami b, uzyskanymi na przestrzeni 35 lat.

Dla danej wartości prądu rażeniowego skutki jego przepływu przez organizm człowieka zależą od czasu przepływu. Ten z kolei zależy od czasu wyłączenia RCD , czyli od wartości prądu różnicowego (tab. I) Jest to czas od chwili nagłego pojawienia się prądu różnicowego zadziałania do chwili zgaśnięcia łuku elektrycznego we wszystkich biegunach (a więc charakterystyka czasowo-prądowa RCD jest charakterystyką zależną).

Należy zwrócić uwagę na sformułowanie zawarte w odsyłaczu tabeli: zamiast 5 I_Δn można przyjąć 0,25 A. Jak należy rozumieć „można przyjąć”? Taki zapis wprowadza zupełną dowolność w pracy RCD – jego działanie może być w strefie AC -2 lub AC -3 (rys. 1). Jest to niedopuszczalne.

Dla danej wartości napięcia zasilającego wartość prądu różnicowego zależy od impedancji pętli zwarciowej obwodu chronionego RCD . Jeżeli wyłącznik ten jest elementem ochrony przed dotykiem pośrednim, a więc w układzie z przewodem ochronnym, np. w sieci TN, to impedancja ta jest na tyle mała, że wartość tego prądu może wynosić nawet kilkaset amperów. W sieci TT wartość tego prądu może wynosić co najmniej kilkaset miliamperów (z warunku skuteczności ochrony przeciwporażeniowej).

W obu przypadkach można przyjąć, że czas wyłączenia RCD będzie wynosił ok. 40 ms. W analizowanych układach (z przewodem ochronnym) prąd różnicowy nie będzie prądem rażeniowym i czas jego przepływu w tym miejscu jest sprawą drugorzędną, gdyż w każdym przypadku czas ten jest mniejszy od 400 ms przy napięciu względem ziemi U_o = 230 V (PN-IEC 60364-4-41). Zupełnie inna (groźna) jest sytuacja w przypadku, gdy RCD pełni rolę ochrony uzupełniającej – prąd płynie przez organizm człowieka, a nie w przewodzie ochronnym. W takiej sytuacji pętla zwarciowa, w obwodzie której znajduje się człowiek, może mieć impedancję wynoszącą kilka kiloomów. Należy wówczas spodziewać się wartości prądu różnicowego (prądu rażeniowego) w granicach kilkudziesięciu miliamperów.

Z danych zawartych w tabeli I wynika, że przy prądzie różnicowym I_Δ = I_Δn czas wyłączenia jest równy 300 ms, natomiast przy prądzie różnicowym I_Δ = 2 I_Δn czas ten wynosi 150 ms. Wartości tego prądu (prądu rażeniowego) będą zależne od I_Δn (tab. II ). Z danych zawartych w tabeli II wynika, że dla wyłącznika różnicowoprądowego o I_Δn = 10 mA punkty o współrzędnych t = 150 ms i I_Δ = 20 mA oraz t = 300 ms i I_Δ = 10 mA znajdują się w obszarze AC -2 (rys. 3), natomiast dla wyłącznika o I_Δn = 30 mA punkty o współrzędnych t = 150 ms i I_Δ = 60 mA oraz o współrzędnych t = 300 ms i I_Δ = 30 mA znajdują się w obszarze AC -3 (może nastąpić zatrzymanie pracy serca!).

Z danych podanych w normie (tab. I) nie wynika, jaka jest zależność czasu wyłączenia (czasu rażenia) przy zmianie wartości prądu rażeniowego w przedziale I_Δn ÷2 I_Δn. Mogą to być punkty znajdujące się w strefie AC-2 (do przyjęcia) lub w strefie AC -3 (zagrożenie śmiertelnego porażenia).

Dla poprawy bezpieczeństwa użytkowania urządzeń elektrycznych przedział ten należy zdecydowanie zmniejszyć, co przy obecnym rozwoju techniki nie powinno być trudne. Treść przytoczonej normy nie przystaje więc do wymagań i obecnego rozwoju techniki. Poprzez analogię do dziedziny motoryzacji można postawić pytanie: jaka byłaby wiarygodność producenta samochodów, gdyby w swoich danych katalogowych podał, że jego nowoczesny silnik w nowym samochodzie spala 8÷16 litrów paliwa na 100 km (oczywiście, poza miastem). Wynik takiego działania to wypadnięcie z rynku. A wyłączniki RCD trwają i są niebezpieczne.

Należy teraz postawić pytanie: jaka jest wiarygodność i zaufanie do określenia „wysokoczuły RCD”?

Przymiotnik „wysokoczuły” uspokaja użytkownika, który odnosi się z ufnością do eksploatacji instalacji wyposażonej w takie wyłączniki.

Do grupy wysokoczułych wyłączników różnicowoprądowych należą wyłączniki o I_Δn ≤ 30 mA. Zgodnie z normą [8], wartościami znormalizowanymi prądu znamionowego różnicowego zadziałania spełniającymi ten warunek są 0,006 – 0,01 – 0,03 A. Wyłączniki o podanych prądach I_Δn mogą stanowić ochronę uzupełniającą. Czy jednak stanowią? Odpowiedź jest negatywna, jeżeli mówimy o warunku I_Δn ≤ 30 mA. Odpowiedź jest pozytywna dla I_Δn = 6 mA oraz pozytywna z pewnymi uwarunkowaniami dla I_Δn = 10 mA.

TABELA I. Wartości znormalizowane maksymalnego czasu wyłączenia wyłączników RCCB i RCBO [8, 9]

Uzasadnieniem tego są strefy czasowo-prądowe skutków oddziaływania prądu przemiennego o częstotliwości 15÷100 Hz na organizm człowieka, opublikowane w raportach IEC [1, 6, 10]. Na rysunku 1 przedstawiono strefy czasowo-prądowe skutków oddziaływania prądu przemiennego na organizm człowieka, opublikowane w 2005 r. [6].

Podane na rysunku strefy oznaczają:

AC-1 – Możliwe odczuwanie przepływu prądu, lecz zwykle bez wywoływania wstrząsu (przestrachu).

AC-2 – Odczuwanie i prawdopodobne mimowolne skurcze mięśni, lecz zwykle bez żadnych szkodliwych skutków elektrofizjologicznych.

AC-3 – Silne mimowolne skurcze mięśni. Trudności w oddychaniu. Odwracalne zakłócenia w pracy serca – może pojawić się zatrzymanie pracy serca. Skutki przepływu prądu wzrastają wraz ze wzrostem wartości prądu. Nie należy się spodziewać uszkodzenia organizmu.

AC-4 – W obszarze powyżej krzywej c1 mogą pojawić się skutki patofizjologiczne, takie jak zatrzymanie akcji serca, zatrzymanie akcji oddychania, oparzenia lub inne uszkodzenia tkanek. Prawdopodobieństwo
fibrylacji komór serca wzrasta wraz ze wzrostem wartości prądu i czasu jego przepływu:

• w obszarze AC-4.1 wzrasta do ok. 5%,
• w obszarze AC-4.2 wzrasta do 50%,
• w obszarze AC-4.3 wynosi ponad 50%.

W przypadku wyłączników typu A (I_Δn = 30 mA) ich działanie dla podanych wartości prądów jest tylko w obszarze AC-3 – zgodnie z uwagą w tabeli I i wartościami parametrów w tabeli II . Jeżeli uwzględni się treść zapisu odsyłacza w tabeli I (dla wyłączników ogólnego stosowania o I_Δn ≤ 30 mA, zamiast 5 I_Δn można przyjąć 0,25 A), to żaden wyłącznik wysokoczuły nie spełnia wymagań ochrony uzupełniającej, gdyż na rysunku 3 punkty o współrzędnych (t, I ) odpowiednio (40, 250) i (40, 350) znajdują się w strefie AC-3! Punkt o współrzędnych (40, 500) leży nawet w strefie AC -4.1, w której prawdopodobieństwo fibrylacji komór serca wzrasta do ok. 5%.

Na to, że charakterystyka czasowo-prądowa RCD jest charakterystyką zależną, zwraca się uwagę również w normie [7]. W normie tej, dla sieci TT warunek skuteczności ochrony dla samoczynnego wyłączenia zasilania uwzględnia I_Δn, przy czym czasy wyłączenia podane w tablicy 41.1 tej normy odnoszą się do spodziewanych prądów różnicowych uszkodzeniowych – znacząco większych niż znamionowe prądy różnicowe RCD (zwykle 5 I_Δn ). Należy więc sobie odpowiedzieć na pytanie: w jakim zakresie wyłączniki RCD (wysokoczułe) realizują ochronę uzupełniającą? Odpowiedź: realizują tylko częściowo. I jest to nie do przyjęcia.

Z analizy wynika, że co najmniej wyłącznik różnicowoprądowy o I_Δn = 30 mA, traktowany jako wysokoczuły (i stosowany np. w warunkach szczególnego zagrożenia), nie może być zaliczany do grupy wyłączników realizujących ochronę uzupełniającą, z uwagi na to, że nie spełnia on wymagań środka ochrony uzupełniającej. Powinno się go w sposób natychmiastowy usunąć z grupy wyłączników wysokoczułych (odpowiedni zapis powinien pojawić się w normie). Obecnie sytuacja sprowadza się do tego, że człowiek – zgodnie z zapisami normy i w świetle prawa – może zostać śmiertelnie porażony.

W podanych wartościach znormalizowanych prądu znamionowego różnicowego zadziałania powinien się pojawić RCD o I_Δn = 20 mA, który można byłoby nazwać wysokoczułym po spełnieniu szeregu wymagań w zakresie bezpiecznej eksploatacji urządzeń elektrycznych.

Wnioski:

• Na podstawie przedstawionej analizy wyłącznik różnicowoprądowy o I_Δn = 30 mA nie spełnia wymagań środka ochrony uzupełniającej, gdyż stosowany jako taki środek ochrony wprowadza zagrożenie śmiertelnego porażenia prądem elektrycznym.
• Wyłącznik o I_Δn = 30 mA należy usunąć z grupy wyłączników wysokoczułych, a w pracach normalizacyjnych dotyczących normy PN-IEC 60364 (PN-HD 60364) usunąć go z zapisów dotyczących ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach specjalnych (część 7 przedmiotowej normy).
• Przy projektowaniu i budowie instalacji należy dążyć do tego, aby obwody gniazd wtyczkowych w pomieszczeniach łazienek i basenów natryskowych (warunki szczególnego zagrożenia) i innych tego typu pomieszczeniach i obszarach, zabezpieczone były wyłącznikiem o I_Δn = 10 mA (odpowiedni zapis powinien pojawić się w części 7 normy PN-HD 60364).
• W normie dotyczącej wyłączników różnicowoprądowych należy wprowadzić wyłącznik o I_Δn= 20 mA.
• Przyjmując zamiast 5 IΔ n (dla wyłączników o I_Δn ≤ 30 mA) wartość prądu powodującego wyłączenie równą 250 mA (tab. I), otrzymujemy dla czasu 0,04 s skutki przepływu prądu elektrycznego przez organizm człowieka mieszczące się w strefie AC -3, charakteryzującej się tym, że może pojawić się zatrzymanie pracy serca. W związku z tym w konstrukcji wyłączników należy wprowadzić daleko idące zmiany, które wykluczają stosowanie przedmiotowego zapisu.
• Ogólnie można stwierdzić, że jeżeli co najmniej jeden z parametrów wyłącznika powoduje, że współrzędne na charakterystyce czasowo-prądowej przecinają się w strefie AC -3, to wyłącznik taki należy wykluczyć z grupy wyłączników wysokoczułych. Takie podejście powinno być stosowane przy tworzeniu normy dotyczącej RCD , które mają stanowić ochronę uzupełniającą.
• Przy obecnych parametrach RCD są one „bardziej do przyjęcia”, jeżeli ich przydatność analizuje się w oparciu o badania skutków oddziaływania prądu elektrycznego na człowieka uzyskane w 1974 r. (krzywa b na rysunku 1). Dobrze jednak, że są wyniki badań z 2005 r., które powinny być inspiracją do podjęcia prac nad zdecydowaną modernizacją RCD .

Praca wykonana w ramach projektu naukowo-badawczego S/WE/4/08 

Literatura:

[1] Biegelmeier G.: Evaluation of effects of sinusoidal alternating current 50/60 Hz and direct current on persons with regard to tolerable risks of harmful electric shock. Private Non-profit Foundation Electrical Safety, Vienna 2006
[2] Lejdy B.: Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. WNT, Warszawa 2005
[3] Lejdy B.: Urządzenia różnicowoprądowe w ochronie przeciwporażeniowej dodatkowej i uzupełniającej. Elektrosystemy 2006 nr 4
[4] Lejdy B.: Fibrylacja komór serca jako skutek przepływu przemiennego prądu elektrycznego w organizmie człowieka – procesy normalizacji. Wiadomości Elektrotechniczne 2008 nr 10
[5] Wołkowiński K.: Instalacje elektroenergetyczne. Zagadnienia wybrane. WNT, Warszawa 1972
[6] IEC 50479-1, TS, Ed.4: Effect of current on human beings and livestock – Part 1: General aspects. Draft technical specification 64/1427/DTS (2005)
[7] PN-HD 60364-4-41: 2007 (U) Instalacje elektryczne niskiego napięcia, Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa – Ochrona przeciwporażeniowa
[8] PN-IEC 1008-1+A#:1996 Wyłączniki różnicowoprądowe bez wbudowanego zabezpieczenia nadprądowego do użytku domowego i podobnego (RCCB )
[9] PN-IEC 1009-1 Wyłączniki różnicowoprądowe z wbudowanym zabezpieczeniem nadprądowym do użytku domowego i podobnego (RCBO)
[10] VDE V 0140 Teil 479: 1996-02 Wirkungen des elektrischen Stroms auf Menschen und Nutztiere
[11] Rozporządzenie Ministra Przemysłu z dnia 8.10.1990 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać urządzenia elektroenergetyczne w zakresie ochrony przeciwporażeniowej. Dz.U. 1990 r., nr 81, poz. 473
[12] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Dz.U. nr 75 z 2002 r., poz. 690; Dz.U. nr 33 z 2003 r., poz. 270; Dz.U. nr 109 z 2004 r., poz. 1156
[13] Zarządzenie Ministra Górnictwa i Energetyki oraz Ministra Budownictwa i Przemysłu Materiałów Budowlanych z 31 grudnia 1968 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinna odpowiadać ochrona przeciwporażeniowa w urządzeniach elektroenergetycznych o napięciu do 1 kV. Dziennik Budownictwa 1969 nr 4