Badanie ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach IT

Badanie ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach IT

Badanie ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach IT

Badanie ochrony przeciwporażeniowej w układach sieci IT jest bardziej skomplikowane niż sprawdzenie instalacji w układzie sieci TN.

Układ sieciowy, w rozumieniu konfiguracji sieci elektroenergetycznej, określa sposób połączenia punktu neutralnego transformatora z ziemią oraz z siecią przesyłową. Wśród sieci niskiego napięcia (do 1 kV) występuje układ sieciowy IT. Do oznaczania tego układu używana jest para liter: pierwsza oznacza połączenie punktu neutralnego źródła zasilania (generatora lub transformatora) z ziemią. „I” wskazuje więc, że punkt neutralny jest odizolowany od potencjału ziemi lub połączony z uziemieniem pośrednim. Druga litera oznacza sposób połączenia odbiorników energii elektrycznej z ziemią. „T” wskazuje na bezpośrednie połączenie z ziemią każdego urządzenia oddzielnie.


Charakterystyka układu IT

W układzie sieciowym IT brak metalicznego połączenia części czynnych z ziemią. Punkt gwiazdowy transformatora może nie mieć połączenia metalicznego z ziemią lub może być połączony z ziemią przez ochronnik iskiernikowy, który w czasie normalnej pracy sieci zapewnia przerwę izolacyjną, pomiędzy punktem neutralnym N a ziemią. Z uwagi na polepszenie się jakości izolacji stosowanej między uzwojeniem pierwotnym transformatora coraz częściej jednak spotyka się układy IT uziemione poprzez impedancję. Układ ten może mieć przewód neutralny jak na rysunku nr 1 albo może również występować bez przewodu neutralnego jak na rysunku nr 2.

Rys. 1. Układ sieciowy IT z przewodem neutralnym

Rys. 2. Układ sieciowy IT bez przewodu neutralnego

Ochrona przeciwporażeniowa odbiorników I klasy ochronności w układzie IT realizowana jest przez połączenia ochronne z ziemią w celu zapewnienia ochrony przez obniżenie napięcia dotykowego w przypadku uszkodzenia izolacji w odbiornikach pierwszej klasy ochronności.

Układ sieci IT jest ciągle stosowany w specyficznych rozwiązaniach, gdzie konieczne staje się zapewnienie wysokiego stopnia ochrony przed porażeniem. Najczęściej można się z nim spotkać w szpitalach, gdzie zasilane są w ten sposób sale operacyjne. Układ ten charakteryzuje się tym, że od strony zasilania nie ma bezpośredniego połączenia z potencjałem ziemi (połączenie jest zrealizowane przez wysoką impedancję), nie ma więc drogi dla prądu zwarciowego. Nawet w przypadku uszkodzenia izolacji urządzenia odbiorczego nie ma możliwości porażenia prądem elektrycznym. Może to spowodować dopiero drugie zwarcie kolejnego urządzenia. Wadą tego rozwiązania jest konieczność ciągłego monitorowania impedancji układu.

Pojedyncze zwarcie

W układach IT przy pojedynczym zwarciu powinno być spełnione wymaganie:

RA × Id ≤ UL (1)

gdzie:

RA – całkowita rezystancja uziomu i przewodu ochronnego łączącego części przewodzące dostępne z uziomem,

Id – prąd pojedynczego zwarcia z ziemią, przy pomijalnej impedancji pomiędzy przewodem fazowym a częścią przewodzącą dostępną (obudową),

UL – napięcie dotykowe dopuszczalne długotrwale w danych warunkach środowiskowych.

Przy wyznaczaniu wartości prądu Id należy uwzględnić:

  • prądy upływowe,

  • całkowitą impedancję uziemień w układzie, to jest reaktancje pojemnościowe i rezystancje.

Wartość prądu Id powinna być podana w dokumentacji instalacji.

W układach IT części czynne powinny być izolowane od ziemi lub połączone z ziemią przez odpowiednio dużą impedancję. To połączenie może być wykonane albo w punkcie neutralnym lub w punkcie środkowym układu, albo w sztucznym punkcie neutralnym. Ten ostatni może być połączony bezpośrednio z ziemią, jeżeli wypadkowa impedancja do ziemi dla częstotliwości sieciowej jest odpowiednio duża. Jeżeli nie ma punktu neutralnego lub punktu środkowego, może być połączony z ziemią przez dużą impedancję przewód liniowy.

W przypadku pojedynczego zwarcia z częścią przewodzącą dostępną prąd uszkodzeniowy jest mały i samoczynne wyłączenie nie jest wymagane, pod warunkiem że jest spełnione wymaganie (1). Niemniej powinno być zapewnione zabezpieczenie, aby uniknąć ryzyka szkodliwych skutków patofizjologicznych u osoby dotykającej jednocześnie dostępne części przewodzące w przypadku wystąpienia dwu uszkodzeń jednocześnie.

Części przewodzące dostępne powinny być uziemione indywidualnie, grupowo lub zbiorowo. Powinny być spełnione następujące warunki:

  • w układzie a.c.: RA × Id ≤ 50 V (2)

  • w układzie d.c.: RA × Id ≤ 120 V (3)

Gdzie: RA jest sumą rezystancji w Ω uziomu i przewodu ochronnego części przewodzących dostępnych; Id jest prądem uszkodzeniowym w A, pierwszego zwarcia o pomijalnej impedancji pomiędzy przewodem liniowym a częścią przewodzącą dostępną. Na wartość prądu Id mają wpływ prądy upływowe i całkowita impedancja uziemienia instalacji elektrycznej.

W przypadkach, w których układ IT jest użyty z uwagi na ciągłość zasilania, należy zastosować urządzenie monitorujące izolację w celu ujawnienia pierwszego zwarcia części czynnej z częścią przewodzącą dostępną lub ziemią. Urządzenie to powinno uruchomić sygnalizację akustyczną i/lub wizualną podtrzymywaną przez cały czas trwania zwarcia, aż do czasu jego usunięcia.

Jeżeli zastosowano obie sygnalizacje, akustyczną i wizualną, to sygnalizacja akustyczna może ulegać kasowaniu. Zaleca się, aby pierwsze uszkodzenie było wyeliminowane w możliwie krótkim czasie.

W układzie IT mogą być stosowane następujące urządzenia do monitorowania i zabezpieczeń:

  • urządzenia stałej kontroli stanu izolacji (IMD);

  • urządzenia monitorowania prądu różnicowego (RCM);

  • systemy lokalizacji uszkodzenia izolacji;

  • nadprądowe urządzenia zabezpieczające;

  • urządzenia ochronne różnicowoprądowe (RCD).

Tam, gdzie stosowane są urządzenia różnicowoprądowe (RCD), w przypadku pierwszego zwarcia nie można wykluczyć błędnego zadziałania RCD z powodu pojemnościowych prądów upływu.

Przygotowanie protokołu ze sprawdzania skuteczności ochrony przeciwporażeniowej w układzie sieci IT dla pojedynczego zwarcia przedstawiliśmy w numerze 7 „Pomiarów elektrycznych w praktyce”.

Podwójne zwarcie z ziemią

Przy podwójnym doziemieniu w układzie IT muszą być spełnione następujące warunki:

  • jeżeli nie jest stosowany przewód neutralny, to ZS ≤ (4)

  • jeśli jest stosowany przewód neutralny, to Z`S ≤ (5)

gdzie:

ZS – impedancja pętli zwarcia obejmująca przewód fazowy i przewód ochronny [Ω],

Z`S – impedancja pętli zwarcia obejmująca przewód neutralny i przewód ochronny w Ω,

Ia – prąd [A] zapewniający samoczynne zadziałanie urządzenia ochronnego w wymaganym czasie zależnym od napięcia znamionowego instalacji i od rodzaju sieci.

Czas określony w tabeli 1. dla układu TN jest odpowiedni także dla układów IT z rozprowadzanym lub nierozprowadzanym przewodem neutralnym albo przewodem środkowym.

Współczynnik 2 w obu formułach uwzględnia przypadek jednoczesnego wystąpienia dwóch zwarć, przy czym zwarcia te mogą zaistnieć w różnych obwodach.

Dla impedancji pętli zwarciowej należy wziąć pod uwagę najbardziej niekorzystny przypadek, np. rozważyć uszkodzenie w przewodzie liniowym przy źródle i jednoczesne inne uszkodzenie w przewodzie neutralnym w odbiorniku energii elektrycznej rozważanego obwodu.

Jeżeli części przewodzące dostępne są uziemione grupowo lub indywidualnie, ma zastosowanie następujący warunek: RA × Ia ≤ 50 V.

Sprawdzenie skuteczności ochrony przeciwporażeniowej w układzie IT dla przypadku podwójnego zwarcia z ziemią polega na skontrolowaniu, czy spełnione są podane powyżej warunki. Pomiar impedancji pętli zwarciowej wykonuje się po uziemieniu punktu gwiazdowego transformatora na czas pomiaru, wykonywanego jak w układzie TN.

Przygotowanie protokołu ze sprawdzania skuteczności ochrony przeciwporażeniowej w układzie sieci IT w przypadku podwójnego zwarcia przedstawiliśmy w numerze 6 „Pomiarów elektrycznych w praktyce”.

Tabela 1. Maksymalne dopuszczalne czasy wyłączania w układzie IT

Zaleca się, aby pojedyncze zwarcie z ziemią było usuwane możliwie szybko. Zwarcie takie powoduje wzrost napięcia w pozostałych fazach w stosunku do ziemi o i stwarza zagrożenie porażeniem w przypadku zwarcia z ziemią drugiej fazy. Przy zwarciu z ziemią drugiej fazy, które może wystąpić w zupełnie innym miejscu układu, zwarcie przekształca się w podwójne zwarcie z ziemią, podczas którego przepływający prąd osiąga dużą wartość.

Warunki samoczynnego wyłączenia zasilania w przypadku podwójnego zwarcia z ziemią zależą od sposobu uziemienia części przewodzących dostępnychprzedstawionego na rysunku 3.

Rys. 3. Sposoby uziemień części przewodzących dostępnych

Przy uziemieniu indywidualnym lub grupowym warunki samoczynnego wyłączenia zasilania są takie jak dla układu TT. Przy uziemieniu zbiorowym warunki samoczynnego wyłączenia zasilania są analogiczne do układu TN.

Autor: mgr inż. Fryderyk Łasak
specjalista ds. pomiarów elektrycznych; absolwent Wydziału Elektrotechniki Górniczej i Hutniczej AGH, autor publikacji dotyczących pomiarów
Słowa kluczowe:
sieć ITukład sieci IT