Rozwiązanie problemu pomiaru pętli
zwarcia w instalacjach
chronionych wyłącznikami różnicowoprądowymi
Spis treści:
Wstęp
Jednym z elementów systemu ochrony przed porażeniem elektrycznym w nowych
instalacjach budynków mieszkalnych, komercyjnych i przemysłowych są wyłączniki
różnicowoprądowe (RCD - Residual Current Device).
W normalnych warunkach wartości prądów płynących w przewodach fazowym i neutralnym
są identyczne. Ale w sytuacji zwarcia z ziemią i występowania prądu upływu do ziemi
wartości te będą różne. Właśnie to niezrównoważenie jest wykrywane przez
wyłączniki RCD. Ich zadaniem, w takich sytuacjach, jest szybkie odcięcie źródła
zasilania od chronionego fragmentu instalacji.
Dla sprawnego i efektywnego funkcjonowania każdego systemu ochrony przed porażeniem
elektrycznym, w tym z zastosowaniem wyłączników RCD, bardzo istotny jest odpowiedni
stan przewodu ochronnego tworzącego wraz z przewodem fazowym pętlę zwarcia. Od stopnia
ciągłości tego obwodu zależy czy prąd zwarcia osiągnie wymagany poziom gwarantujący
wyzwolenie zabezpieczeń. Wyznacznikiem sprawności pętli jest jej impedancja. Do pomiaru
tej wielkości służą przyrządy nazywane "miernikami impedancji pętli
zwarcia". Test powinien być przeprowadzany w najbardziej oddalonym punkcie obwodu, w
miejscu charakteryzującym się najgorszymi warunkami w zakresie ochrony.
W praktyce pomiar impedancji pętli zwarcia w obecności RCD zawsze stanowi pewną
trudność. Jest to związane z tym, że prąd pomiarowy (upływu) generowany przez
mierniki pętli zwarcia jest wykrywany przez RCD, co w efekcie prowadzi do ich
zadziałania i odcięcia zasilania od kontrolowanego fragmentu instalacji. Wyłączenie
zasilania nie tylko czyni niemożliwym uzyskanie wyniku pomiaru, ale również może być
przyczyną poważniejszych zakłóceń w pracy urządzeń zasilanych z sieci. W przypadku
budynku mieszkalnego taka sytuacja może być powodem jedynie pewnej irytacji jego
mieszkańców. W innych komercyjnych, przemysłowych obiektach lub budynkach służby
zdrowia jest nie do zaakceptowania i często niesie ze sobą niebezpieczne implikacje
związane z życiem ludzi, działaniem urządzeń i systemów komputerowych.
Dotychczas stosowane metody pomiaru instalacji z wyłącznikami
RCD
Osoby wykonujące pomiary instalacji elektrycznych wypracowały przez lata pewne
procedury postępowania zmierzające do rozwiązania problemu pomiaru impedancji pętli
zwarcia w obecności RCD. Wszystkie one mają swoje pozytywne i negatywne aspekty.
Elektryczne
zwarcie wyłączników RCD
Użycie zwór zamiast wyłączników RCD jest często stosowaną praktyką. Polega ona na
zamianie RCD zworami lub zastosowaniu tzw. bypassów (obejść) RCD. Takie rozwiązanie
umożliwia bezpośredni pomiar impedancji pętli zwarcia.
Należy jednak pamiętać, że zamiana lub obejście RCD zworami spowoduje wyłączenie
tego typu ochrony co narazi korzystających z sieci, a w szczególności osobę
wykonującą pomiary.
Inny aspekt tej metody, który musi być brany pod uwagę, to wpływ instalowania
bypassów na same zabezpieczenia RCD. O ile konwencjonalne elektromechaniczne wyłączniki
różnicowoprądowe zachowują się w tej sytuacji neutralnie, o tyle w przypadku nowszych
elektronicznych może nastąpić ich permanentne uszkodzenie.
Blokowanie RCD
Niektóre mierniki impedancji pętli zwarcia posiadają możliwość
"blokowania" wyłączników RCD przed uruchomieniem właściwego pomiaru. Metoda
ta polega na wstrzyknięciu w układ pomiarowy prądu stałego, który powoduje nasycenie
rdzenia małego transformatora w układzie detekcji RCD i tym samym blokadę wyzwolenia
wyłącznika. Wadliwość tej metody związana jest z częstotliwością przeprowadzania
pomiarów. Niektórzy producenci informują, że ich wyłączniki RCD mogą
"pamiętać" tego typu oddziaływanie również po przeprowadzeniu testu. Efekt
ten jest tym wyraźniejszy im częściej dany wyłącznik RCD poddawany jest blokadzie.
Taka metoda pomiaru może spowodować unieruchomienie wyłącznika różnicowoprądowego
lub opóźnienie w jego zadziałaniu, tym samym pozbawić instalację elektryczną
wymaganej ochrony i w konsekwencji stać się przyczyną wypadku.
Niektóre typy RCD, a w szczególności nowe elektroniczne wykonania RCD, nie będą
blokowane przez mierniki impedancji pętli zwarcia, których zasada działania oparta
została na tej metodzie pomiaru. Wyłączniki takie zostaną wyzwolone podczas próby
wykonania pomiaru. Niezamierzone zadziałania RCD potencjalnie mogą być przyczyną
uszkodzenia urządzeń, utraty danych komputerowych, jak również powodem pojawienia się
znacznie bardziej niebezpiecznych sytuacji.
Rozpatrując dalej problem wpływu metody pomiarowej na działanie wyłączników RCD,
trzeba zaznaczyć, że niektórzy producenci wyrażają obecnie opinię, iż duże prądy
pomiarowe w obecności RCD nie powinny być w ogóle stosowane. Wynika to z faktu wykrycia
oddziaływania takich prądów na parametry wyłączników. W tym momencie rozważań
pomijamy oczywiście występujący niezależnie, a opisany powyżej efekt związany z
obecnością prądu stałego powodującego nasycenie rdzenia transformatora.
Rozwiązaniem problemu mierniki HT
Dążąc do rozwiązania omówionych problemów oraz w związku z dużym
zapotrzebowaniem na przyrządy umożliwiające pomiar impedancji pętli zwarcia w obecności
wyłączników różnicowoprądowych wprowadził do sprzedaży nowe mierniki: MacroTest G3, COMBI G2 . Umożliwiają one pomiar pętli bez wyzwalania RCD (dla
wyłączników, również elektronicznych, o prądzie wyzwolenia 30mA i powyżej).
Przyrządy nie powodują zmian parametrów RCD.
Jak to robią
mierniki HT ?
Większość norm dotyczących instalacji elektrycznych stanowi, że wyłącznik RCD nie
powinien zadziałać przy połowie wartości znamionowego prądu upływu. W związku z
powyższym wstrzyknięcie 15mA prądu pomiarowego przy RCD ze znamionowym prądem upływu
30mA może zostać wykonane bez obawy o spowodowanie wyzwolenia zabezpieczenia. Właśnie
tę właściwość RCD wykorzystują mierniki HT przy pomiarze
impedancji pętli zwarcia.
To, że metoda ta nie znalazła zastosowana już wcześniej związane było w dużej
mierze z trudnościami w osiągnięciu rzetelnych i powtarzalnych wyników pomiarów przy
tak małej wartości prądu pomiarowego. Występujące tutaj problemy związane były z
obecnym, w większości instalacji, szumem elektrycznym. Jego wartość bardzo często
przewyższała sygnał mierzony - niewielki spadek napięcia zasilania wywołany małym
prądem pomiarowym.
Wykwalifikowany zespół biura konstrukcyjnego firmy HT wsparty ponad wieloletnim
doświadczeniem w projektowaniu urządzeń pomiarowych podołał temu trudnemu technicznie
zadaniu. Powstały unikalne przyrządy zapewniający rozwiązanie realnie występującego
problemu pomiarowego.
Czy
tak mały prąd pomiarowy gwarantuje rzetelny wynik ?
Mierniki impedancji pętli zwarcia, do chwili obecnej,
posiadały zwykle możliwość pomiaru tylko dużym 23A prądem. Wynikało to z
przekonania, że taka wartość zapewnia odpowiednią rzetelność testu oraz pozwala
wykryć obecność niepewnych połączeń. W późniejszym czasie okazało się jednak,
że pomiar dużym 23A prądem nie pozwala wykryć miejsc osłabień (zwężeń np. w
wyniku nadpalenia) przewodu lub korodujących połączeń.
- Przykład
- Dla przykładu rozpatrzmy instalację oświetleniową chronioną bezpiecznikiem.
Rezystancję pętli zwarcia takiego obwodu możemy bez problemu testować dużym 23A
prądem pomiarowym. Wkładka topikowa chroniącego ten obwód bezpiecznika jest znacznie
cieńsza od żyły przewodu. Fakt ten nie znajduje odzwierciedlenia w rezultacie pomiaru,
chociaż powinniśmy oczekiwać jej przepalenia. Powodem takiego stanu rzeczy jest to, że
duży 23A prąd pomiarowy jest generowany przez miernik impedancji pętli zwarcia tylko
przez 0,02 sekundy. Jest to zbyt krótki okres czasu do osiągnięcia przez wkładkę
topikową lub np. przez osłabiony (nadpalony) przewód znacznego wzrostu
temperatury wywołującego przepalenie.
Prawdopodobnie jedyną zaletą pomiaru impedancji pętli zwarcia dużym prądem
jest w konsekwencji duża wartość sygnału napięciowego mierzona przez przyrząd.
Oznacza to, że poziom uzyskanego sygnału będzie znacznie przewyższał amplitudę szumu
elektrycznego obecnego w instalacji. Tym samym możliwe będzie osiągnięcie rzetelnych
wyników pomiarów również w obszarze małych impedancji. Zakres mierzonej impedancji
przez starsze mierniki, przy małym prądzie, ograniczony jest od dołu wartością np. 1W. Takie ograniczenie jest satysfakcjonujące przy pomiarze
instalacji z RCD. W większości przypadków są one bowiem chronione zabezpieczeniami z
prądami znamionowymi w okolicach dolnej granicy oferowanego typoszeregu wartości.
Dla MacroTest G3, COMBI G2
granica ta wynosi zaledwie 0,01W
- czyli tyle samo co przy pomiarze metodą tradycyjną dużym prądem.
Inne
możliwości pomiarowe
MacroTest G3, COMBI G2 oferują ponadto kilka innych możliwości wcześniej
niedostępnych w tego typu przyrządach.
Mierniki mogą pracować przy dwóch znamionowych napięciach sieci 110V i 230V, a tym
samym mogą być wykorzystywane przy pomiarach większości instalacji elektrycznych w tym
okrętowych i wojskowych. Przy podłączeniu do instalacji elektrycznej mierzą i wyświetlają
wartość napięcia. Jeśli jego poziom wykracza poza dopuszczalny zakres
wstrzymywane jest wykonanie pomiaru.
Przed przeprowadzeniem pomiaru kontrolują również
częstotliwość sieci. Także tutaj, jeżeli zmierzona wartość wykracza poza
dopuszczalny zakres, pomiar jest wstrzymany, a operator informowany o przyczynie
przerwania pomiaru.
Przed pomiarem mierzą spadek napięcia pomiędzy przewodem
neutralnym i ochronnym. Jeżeli napięcie to przekracza 50V jego wartość ukaże się na
wyświetlaczu, a test zostanie wstrzymany. Analogicznie, jeżeli prąd pomiarowy spowoduje
wzrost napięcia neutralny-ochronny nastąpi natychmiastowe przerwanie pomiaru. Operator
zostanie o tym fakcie poinformowany stosownym komunikatem.
Miernik przy pomiarze małym prądem informuje użytkownika o obecności zbyt wysokiego
poziomu szumu, który uniemożliwia przeprowadzenie rzetelnego pomiaru.