Wybrane środki ochrony przeciwporażeniowej w systemach automatyki budynkowej

Ochrona przy uszkodzeniu – wykorzystanie wyłączników różnicowoprądowych 

Na rysunku 3 przedstawiono pierwszy wariant obwodu elektrycznego. W obwodzie tym element automatyki budynkowej, w tym przypadku LCN-SH+ [5], steruje pracą odbiornika o charakterze rezystancyjnym. Sterownik wykorzystany jest jako włącznik, a odbiornik nie jest wyposażony w elementy półprzewodnmikowe.

Rys. 3. Element sterujący automatyki budynkowej LCN-SH+ wykorzystany do sterowania odbiornikiem rezystancyjnym. Prąd rażeniowy i_rjest sinusoidalnie przemienny

W przypadku wystąpienia porażenia prądem elektrycznym zarówno od strony zasilania sterownika, jak i bezpośrednio przy odbiorniku, prąd rażeniowy będzie miał kształt sinusoidalnie przemienny. Oznacza to, że można zastosować wyłącznik różnicowoprądowy typu AC do zabezpieczenia tego rodzaju obwodu. Powinien on zapewnić wymagany poziom ochrony przeciwporażeniowej. Przykładowy przebieg prądu rażeniowego sinusoidalnie przemiennego przedstawiono na rysunku 4. Wyłącznik zadziałał w czasie ok. 15 ms przy wartości skutecznej prądu ok.21 mA. Zarówno zarejestrowany czas działania jak i prąd powodujący wyzwolenie wyłącznika spełniają wymagania normatywne. Początkowy skoku wartości prądu wynika z niedoskonałości układu pomiarowego, wykorzystującego stycznikowe załączanie prądu rażeniowego. Prowadzi to do pojawienia się odskoku styków i wystąpienia zakłóceń w rejestrowanym przebiegu.

Rys 4. Wykres prądu rażeniowego sinusoidalnie przemiennego wyłączanego przez WRP typu AC

W wariancie drugim rozpatrywanych obwodów elektrycznych zarówno sterownik i odbiornik mogą przyczynić się do powstania prądu rażeniowego o kształcie innym niż sinusoidalnie przemienny. Na rysunku 5 przedstawiono obwód elektryczny sterowany poprzez urządzenie LCN-SH+ [5], zasilający żarowe źródło światła. Sterowanie lampą odbywa się poprzez zmianę wartości skutecznej napięcia zasilania, a co za tym idzie zmianę jego kształtu.

Rys. 5. Element sterujący automatyki budynkowej LCN-SH+ wykorzystany do sterowania oświetleniem żarowym. Prąd rażeniowy i_r ma kształt pulsacyjny.

Jeżeli w takim obwodzie nastąpi porażenie prądem elektrycznym, prąd rażeniowy może mieć kształt daleki od sinusoidalnego. W takiej sytuacji wyłącznik różnicowoprądowy typu AC może nie wyłączyć uszkodzonego obwodu. Na rysunku 6 przedstawiono wykres prądu rażeniowego w czasie, przy czym wykorzystano prostownik jednopołówkowy do uzyskania danego przebiegu. Dla tak odkształconego prądu rażeniowego wyłącznik różnicowopradowy nie spowodował wyłączenia uszkodzonego obwodu, pomimo znacznej wartości skutecznej prądu rażeniowego, wynoszącej w przybliżeniu 62 mA.

Rys. 6. Wykres prądu rażeniowego jednopołówkowo wyprostowanego nie wyłączanego przez WRP typu AC.

Podobne warunki mogą wystąpić, kiedy sterownik pracuje w trybie załącz/wyłącz i sam nie wprowadza odkształcenia napięcia zasilającego, jednak odbiornik jest wyposażony w elementy elektroniczne i energoelektroniczne, mogące wpłynąć na kształt prądu rażeniowego. W takich okolicznościach, w celu zapewnienia ochrony przeciwporażeniowej, do zabezpieczenia tego obwodu konieczne będzie zastosowanie wyłącznika różnicowoprądowego typu A. Wyłączniki tego typu zapewniają ochronę zarówno przed skutkami działania prądów sinusoidalnie przemiennych jak i odkształconych. Na rysunku 7 przedstawiono przebieg prądu rażeniowego sinusoidalnie przemiennego wyłączonego przez WRP typu A. Obserwowany czas i prąd zadziałania są podobne do zaobserwowanych dla wyłącznika typu AC.

Rys. 7. Wykres prądu rażeniowego sinusoidalnie przemiennego wyłączanego przez WRP typu A.

Podobnie jak dla wyłącznika typu AC zastosowano prostownik jednopołówkowy w celu sprawdzenia działania WRP typu A na prąd rażeniowy odkształcony. Na rysunku 8 przedstawiono wykres przebiegu prądu rażeniowego dla omawianego przypadku. Wyłącznik typu A, również dla rozpatrywanego kształtu prądu, zadziałał. Czas zadziałania wyniósł ok. 10 ms, natomiast wartość skuteczna prądu powodująca wyzwolenie wynosiła w przybliżeniu 22 mA.

Rys. 8. Wykres prądu rażeniowego jednopołówkowo wyprostowanego wyłączanego przez WRP typu AC.

W systemach automatyki budynkowej często stosuje się magistrale komunikacyjne zasilane napięciem niskim (także napięciem stałym). Do ich zasilania stosowane są dedykowane urządzenia zasilające, które często spełniają dodatkowe funkcje. Magistrala w systemie KNX pełni podwójną funkcję; zasila urządzenia napięciem bezpiecznym 24V DC typu SELV oraz zapewnia komunikację urządzeń między sobą [6]. Jest to wariant trzeci z omawianych obwodów elektrycznych (rys. 9).

Zasilacz zasilany jest napięciem sieciowym 230V AC i wymaga zabezpieczenia jak każde urządzenie. Jeżeli nie jest to zasilacz impulsowy, to prąd rażeniowy, który może pojawić się przy uszkodzeniu, powinien mieć kształt sinusoidalny. W takim przypadku do ochrony takiego obwodu może wystarczyć wyłącznik różnicowoprądowy typu AC.

W przypadku uszkodzenia instalacji magistralnej, ze względu na stosowanie napięcia 24V DC SELV, nie występuje zagrożenie porażeniowe.

Rys. 9. Zasilacz zespolony z dławikiem w systemie KNX wraz z częścią magistrali komunikacyjnej zasilanej napięciem SELV: i_r – prąd rażeniowy.

Podsumowanie 

W systemach automatyki budynkowej zapewnienie wymaganego poziomu ochrony przeciwporażeniowej może być bardziej problematyczne niż w instalacjach tradycyjnych. Szeroko stosowane elementy półprzewodnikowe mogą powodować pojawienie się prądów rażeniowych niesinusoidalnych. W ocenie autora do ochrony tychże instalacji należy stosować wyłącznie wyłączniki różnicowoprądowe typu A. Przy wykonywaniu okresowych badań rezystancji izolacji konieczne może się okazać wykonanie większej liczby prób ze względu na wymagany podział instalacji elektrycznej na części rozdzielone sterownikami. Dodatkowo należy upewnić się, czy zastosowane napięcie probiercze nie spowoduje uszkodzenia elementów półprzewodnikowych. Jeżeli wystąpiło by takie zagrożenie to należy rozważyć odłączenie takiego elementu z sieci na czas trwania pomiarów lub, dopuszczone w szczególnych przypadkach, wykorzystanie obniżonego napięcia probierczego.

Bibliografia:

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dn. 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. nr 75, poz. 690 z późn. zm.)
2. PN-HD 60364-4-41, Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym
3. Markiewicz H., Bezpieczeństwo w elektroenergetyce, wydanie trzecie zmienione, WNT, Warszawa, 2009
4. Danielski L., Osiński S., Budowa, stosowanie i badania wyłączników różnicowoprądowych, COSIW SEP, Warszawa, 2005
5. LCN, Inteligentne Instalacje Elektryczne, 2010
6. Mikulik J., Europejska Magistrala Instalacyjna. Rozproszony system sterowania bezpieczeństwem i komfortem, COSIW SEP, Warszawa, 2008
7. PN-HD 60364-6, Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 6: Sprawdzenie