Poprawa bezpieczeństwa eksploatacji instalacji elektrycznych niskiego napięcia jest jednym z priorytetów procesu normalizacyjnego w zakresie ochrony przeciwporażeniowej. Wprowadzane normy mają odzwierciedlać nie tylko aktualny stan wiedzy w zakresie zagrożeń, jakie wynikają z eksploatacji instalacji i urządzeń elektrycznych, ale także umożliwiać stosowanie najnowszych rozwiązań technicznych, jakie mogłyby poprawić bezpieczeństwo eksploatacji instalacji. W artykule przedstawiono możliwości stosowania urządzeń monitorujących wartość prądu różnicowego w instalacjach elektrycznych niskiego napięcia oraz ich wpływ na poprawę bezpieczeństwa eksploatacji tych instalacji.

Wśród nowych urządzeń umożliwiających poprawę bezpieczeństwa eksploatacji instalacji elektrycznych niskiego napięcia są urządzenia monitorujące wartość prądu różnicowego w instalacjach elektrycznych. Nie mogą być one stosowane jako urządzenia ochronne, jednak ich stosowanie pozwala na poprawę bezpieczeństwa eksploatacji instalacji elektrycznych, zwłaszcza tych wykonanych zgodnie z przepisami sprzed roku 1990.

Urządzenia ochronne w sieci niskiego napięcia

Każda sieć powinna być wyposażona w odpowiednie urządzenia ochronne zabezpieczające odbiorniki i przewody od skutków zwarć i przeciążeń oraz pracujące w ochronie przed dotykiem pośrednim. Wymagania w tym zakresie jednoznacznie podaje norma [1]. W sieciach TN, TT, IT mogą być stosowane urządzenia ochronne przetężeniowe i różnicowoprądowe. Dodatkowo w sieci IT stosuje się urządzenia do stałej kontroli stanu izolacji.

W Polskim Komitecie Normalizacyjnym trwają prace nad nowym wydaniem arkusza 41 normy PN-IEC 60364. Będzie to norma PN-HD 60364-4-41 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym [2]. Wprowadza ona dokumenty HD 60364-4-41:2007 oraz IEC 60364-4-41:2005 i zastępuje PN-HD 60364-4-41:2007 (U). Ten ostatni dokument jest sporządzony w języku angielskim.

W przygotowywanej w PKN normie (411.6.3) podano, że w układzie IT mogą być stosowane następujące urządzenia do monitorowania i zabezpieczeń:
– urządzenia stałej kontroli stanu izolacji (IMD – insulation monitoring
device),
– urządzenia monitorowania prądu różnicowego (RCM – residual
current monitoring device),
– systemy lokalizacji uszkodzenia izolacji,
– nadprądowe urządzenia zabezpieczające,
– urządzenia ochronne różnicowoprądowe (RCD – residual current
protective device).

W nowym dokumencie wprowadzono więc dodatkowo możliwość stosowania systemów lokalizacji uszkodzeń oraz stosowania RCM. Urządzenia te tylko wskazują na pojawienie się pierwszego zwarcia części czynnej z częścią przewodzącą dostępną lub ziemią. Urządzenie RCM powinno uruchomić sygnalizację akustyczną i/lub wizualną, podtrzymywaną przez cały czas trwania zwarcia. Jeżeli zastosowano sygnał akustyczny i wizualny, jest dopuszczalne, aby sygnał akustyczny był skasowany, lecz sygnał wizualny powinien być utrzymywany tak długo, jak długo trwa uszkodzenie.

Wymagania dotyczące RCM

W przygotowywanej przez IEC normie IEC 60364-5-53 Ed. 2 [3] przedstawiono podstawowe wymagania w zakresie stosowania RCM. Urządzenie monitorowania prądu różnicowego RCM nadzoruje w sposób ciągły prąd upływowy w części instalacji objętej tym monitoringiem. RCM powinien być zgodny z IEC 62020 [4]. W Polsce stosuje się w tym zakresie dwa dokumenty [5, 6]. RCM nie jest przeznaczony do stosowania jako ochrona przed porażeniem prądem elektrycznym.

W sieciach zasilających RCM może być instalowany, aby zmniejszyć ryzyko działania urządzenia ochronnego w przypadku pojawienia się w instalacji prądu upływowego o wartości większej od dopuszczalnej, przy obniżaniu się rezystancji izolacji lub podłączenia urządzeń/odbiorników, które również charakteryzują się określonymi wartościami prądów upływowych.

Gdy wyłącznik różnicowoprądowy, (RCD) jest zainstalowany przed RCM, zaleca się, aby RCM był dobrany na znamionowy różnicowy prąd zadziałania nie większy niż 1/3 znamionowego różnicowego prądu zadziałania RCD. Na przykład w instalacji, w której zastosowano wysokoczuły wyłącznik różnicowoprądowy RCD o IΔn= 30 mA, prąd znamionowy różnicowy zadziałania RCM nie powinien przekraczać IΔn= 10 mA. We wszystkich przypadkach, RCM powinien mieć znamionowy różnicowy prąd zadziałania nie większy niż pierwszy poziom prądu uszkodzenia, który ma być wykryty.

W sieciach IT, w których odłączenie zasilania w przypadku pierwszego zwarcia doziemnego nie jest wymagane lub nie jest dopuszczalne, RCM może być instalowany w celu łatwego zlokalizowania uszkodzenia. Zaleca się instalowanie RCM na początku obwodu.

W niektórych krajach (np. w Danii) gdy nie jest możliwe zastosowanie RCD, np. wówczas gdy prąd różnicowy wynikający z eksploatacji obwodu objętego ochroną jest większy niż znamionowy
różnicowy prąd zadziałania RCD, stosuje się wyłączniki z urządzeniem różnicowoprądowym. RCM zgodnie z IEC 62020 może być wykorzystany wówczas jako wyłącznik różnicowoprądowy monitorujący (MRCD), zgodnie z IEC 60947-2 Annex M [7]. W takim przypadku wyłącznik powinien odłączać przewód zewnętrzny (fazowy) i neutralny.

Budowa RCM

Wymagania funkcjonalne, jakie są stawiane urządzeniom monitorowania prądu różnicowego (RCM) w instalacjach elektrycznych, warunkują ich budowę wewnętrzną. Powoduje to, że w porównaniu z powszechnie stosowanymi wyłącznikami różnicowoprądowymi (RCD), budowa ta jest o wiele bardziej skomplikowana (rys. 1).

Pomiar prądu różnicowego w analizowanej sieci jest dokonywany za pomocą przekładnika Farrantiego (w wielu konstrukcjach RCM jest to przekładnik zewnętrzny). Sygnał prądowy z przekładnika jest podawany na wejście urządzenia monitorującego RCM, gdzie jest zamieniany na sygnał napięciowy, który jest porównywany z wartością napięcia, odpowiadającemu nastawionemu na RCM prądowi różnicowemu zadziałania. Wynika to stąd, że w RCM można nastawić prąd różnicowy zadziałania, który powinien spowodować zadziałanie sygnalizacji (dźwiękowej oraz wizualnej).

Zadziałanie sygnalizacji może następować bezpośrednio po przekroczeniu wartości nastawionej prądu różnicowego lub wówczas, gdy należy wyeliminować działanie RCM przy przepływie w instalacjach elektrycznych prądów różnicowych przemijających, po ustawionej przez użytkownika zwłoce czasowej. Pozwala to np. wyeliminować działanie RCM ze względu na przepływ prądów różnicowych wynikających z rozruchu odbiorników zasilanych z instalacji.

Niektóre konstrukcje urządzeń monitorujących są przystosowane do współpracy z wyłącznikami zastosowanymi w instalacji elektrycznej. W urządzeniach tych istnieje możliwość ustawienia dwóch wartości prądu różnicowego zadziałania. Pierwsza wartość dotyczy prądu różnicowego powodującego zadziałanie sygnału alarmowego, natomiast po przekroczeniu drugiej wartości urządzenie monitorujące przekazuje sygnał „na wyłączenie” wyłącznika zastosowanego w instalacji elektrycznej. Jest to realizowane zgodnie z zasadą przedstawioną na rysunku 2.

Poziom przekazania sygnału na „wyłączenie zasilania” w urządzeniach monitorujących może być ustawiany zgodnie z wymaganiami ochrony przeciwporażeniowej lub ochrony przeciwpożarowej. Powoduje to, że stosowanie urządzeń RCM umożliwia poprawę bezpieczeństwa eksploatacji instalacji elektrycznej na wielu płaszczyznach stawianych im wymagań.

Niewątpliwą zaletą niektórych konstrukcji urządzeń monitorujących RCM jest możliwość współpracy z wieloma przekładnikami Farrantiego, co umożliwia jednoczesne monitorowanie prądu różnicowego w kilku obwodach w ramach jednej instalacji, a zarazem szybką lokalizację zaistniałego zagrożenia, bez konieczności wyłączania całej instalacji. Ponadto w wybranych urządzeniach RCM jest możliwy – oprócz pomiaru prądu różnicowego – jednoczesny pomiar wartości prądu płynącego w przewodzie neutralnym. Jest to o tyle istotne, gdyż przy zasilaniu odbiorników nieliniowych z dużym udziałem trzeciej harmonicznej w widmie prądu, harmoniczna ta z poszczególnych faz sumuje się w przewodzie neutralnym, mogąc doprowadzić do przekroczenia obciążalności długotrwałej przewodu. Obserwacja tego parametru stanowi dodatkową ochronę instalacji elektrycznej przed zniszczeniem.

Istotną właściwością wybranych modeli urządzeń RCM jest możliwość przesyłania uzyskiwanych
danych o stanie instalacji przez złącza teleinformatyczne do jednostek nadzorujących. W przypadku dużych obiektów przemysłowych lub użyteczności publicznej, w których ewentualna przerwa w zasilaniu energią elektryczną wiązałaby się z wymiernymi stratami lub zagrożeniem bezpieczeństwa użytkowania instalacji, taka możliwość nadzoru jest dużą zaletą stosowania tego typu urządzeń. Jednak – w porównaniu z wyłącznikami RCD – urządzenia monitorujące RCM wymagają dodatkowego zasilania z instalacji elektrycznej. Co prawda, średnio moc znamionowa urządzeń nie przekracza 3 W, ale w skali całego roku pobór energii przez pojedyncze urządzenie przekracza już wartość 26 kWh. Ponadto instalacja elektryczna, w której są zastosowane urządzenia RCM, musi być wyposażana w elementy ochrony przeciwprzepięciowej, w celu zwiększenia niezawodności pracy tych urządzeń.Poprawa niezawodności środka ochrony poprzez samoczynne wyłączenie zasilania w sieci TN-C dzięki zastosowaniu urządzeń monitorujących RCM

Najpowszechniej stosowanym środkiem ochrony przed dotykiem pośrednim (ochrony dodatkowej) jest samoczynne wyłączenie zasilania w sieci TN (zerowanie). Urządzenia ochronne powinny w wymaganym czasie (podanym w przedmiotowych aktach prawnych) wyłączyć zasilanie obwodu lub grupy obwodów w następstwie zwarcia części czynnej z dowolną częścią przewodzącą dostępną.

Głównymi urządzeniami ochronnymi stosowanymi w tej ochronie są urządzenia ochronne przetężeniowe (wyłączniki instalacyjne oraz bezpieczniki instalacyjne) lub urządzenia ochronne różnicowoprądowe (wyłączniki różnicowoprądowe).

Ze względu na to, że samoczynne wyłączenie zasilania w sieci TN (zerowanie) jest stosowane od dziesięcioleci, większość obecnie eksploatowanych instalacji elektrycznych, w których wykorzystuje się ten środek ochrony przeciwporażeniowej, była budowana zgodnie z wówczas obowiązującymi standardami. W instalacjach elektrycznych wybudowanych przed 2000 rokiem wyłączniki różnicowoprądowe były stosowane sporadycznie, co wynika m.in. z układu sieci
TN-C, jaki był stosowany przy budowie instalacji odbiorczych.

W sieci tego rodzaju stosowanie wyłączników różnicowoprądowych jako elementu środka ochrony przed dotykiem pośrednim jest niemożliwe, co wynika z zasady ich działania i wartości prądów upływowych, jakie mogą wystąpić w instalacji. Prądy te wynikają z właściwości materiałów izolacyjnych stosowanych w instalacjach oraz spadku napięcia występującego na przewodzie PEN, przy przepływie prądu obciążenia, powodującego pojawienie się napięcia (maks. kilka woltów) na częściach przewodzących dostępnych zasilanych z instalacji urządzeń
odbiorczych. Przy niewielkich wartościach rezystancji naturalnego uziemienia części przewodzącej dostępnej w tych odbiornikach prąd różnicowy w instalacji może przekroczyć wartości prądu zadziałania wyłączników różnicowoprądowych dopuszczonych do stosowania w ochronie przeciwporażeniowej, powodując zbędne ich działanie.

Elementem umożliwiającym poprawę bezpieczeństwa eksploatacji takiej instalacji jest urządzenie monitorujące RCM współpracujące z wyłącznikami instalacyjnymi.

Nastawienie wartości prądu różnicowego powodującego zadziałanie alarmu oraz przesłanie sygnału wyłączenia wyłącznika zastosowanego w instalacji, umożliwia ominięcie problemów wynikających z występowania w instalacji elektrycznej prądów upływowych doziemnych. Zastosowanie w instalacji elektrycznej urządzenia RCM wymaga przeprowadzenia pomiarów rezystancji izolacji oraz pomiarów wartości prądów upływowych w obwodach mających podlegać monitoringowi przez RCM.

Zastosowane urządzenie RCM powinno być zabezpieczone w taki sposób, aby postronny użytkownik instalacji elektrycznej nie miał możliwości ingerencji w wartości prądów różnicowych zadziałania urządzenia. Korzyści wynikające z poprawy bezpieczeństwa eksploatacji instalacji rekompensują te dodatkowe działania.

W celu sprawdzenia możliwości poprawy niezawodności środka ochrony za pomocą urządzenia monitorującego RCM, przeprowadzono analizę umożliwiającą ilościową ocenę uzyskanych efektów. Przykładowy schemat instalacji elektrycznej wykonanej w układzie TN-C, wraz z zastosowanym urządzeniem monitorującym RCM, przedstawiono na rysunku 3.

Do analizy niezawodności środka ochrony przeciwporażeniowej zastosowano metodę bloków niezawodności. Metodę tę zastosowano przy założeniu, że każdy element struktury niezawodnościowej analizowanego układu ochrony może spełniać wymaganą funkcję w danych warunkach i w ustalonym przedziale czasu (0, t) z pewnym prawdopodobieństwem, które można opisać ogólną zależnością

gdzie:
R(t) – prawdopodobieństwo poprawnej pracy
elementu struktury niezawodnościowej,
λ(u) – intensywność uszkodzeń elementu
struktury niezawodnościowej w chwili t = u.

Na tej podstawie opracowano strukturę niezawodnościową środka ochrony poprzez samoczynne wyłączenie zasilania w sieci TN-C (rys. 4), odpowiadającą układowi przedstawionemu na schemacie uproszczonym (rys. 3). Opracowana struktura niezawodnościowa jest podstawą wyznaczenia funkcji niezawodności środka ochrony przeciwporażeniowej z urządzeniem monitorującym zastosowanym w instalacji, zgodnie w przedstawionymi wcześniej założeniami

gdzie:
n – liczba obwodów (urządzeń) objętych ochroną jednym urządzeniem
ochronnym przetężeniowym oraz monitorującym RCM,
R_2-8 – prawdopodobieństwo poprawnej pracy poszczególnych elementów
środka ochrony.