Bezpečnost elektrických zařízení v období přechodu pravidel na mezinárodní soustavu

Bezpečnost elektrických zařízení v období přechodu pravidel na mezinárodní soustavu
(část 2 – dokončení)

3. Ochrana před zážehem požáru od elektrických zařízení

Požár může být zažehnut i elektrickým teplem. To vzniká průtokem proudu vodiči, elektrickým obloukem či jiskrou, vzniklými např. v nedokonalých spojích vodičů. K zažehnutí hořlavé látky je nutné ji za přístupu vzdušného kyslíku zahřát na teplotu vznícení. Z obsahu posledních dvou vět jsou zřejmé i způsoby, jimiž lze vzniku požáru od elektrických zařízení zabránit. Jsou to:

3.1 Přehřívání vedení
Průběh oteplení vedení a dosažení její konečné hodnoty teploty za různých provozních stavů od různě se měnícího zatížení až po zkraty je sice fyzikálně určeným a početně zvládnutelným procesem, jeho předpověď je však dosti složitá. V nutné míře se touto problematikou zabývají technické normy, zejména ČSN 33 2000-4-43:1993, ČSN 33 2000- -5-523:1993, včetně národní přílohy NL, a stará ČSN 34 1610:1963.

Pro účely kontrol jsou potřebné alespoň tyto základní znalosti:

Výrobce vodičů a kabelů udává pro každý druh a průřez vodiče nebo kabelu jmenovitou proudovou zatížitelnost. Ta je stanovena pro základní způsob uložení vodiče nebo kabelu. Jestliže se vodič nebo kabel nachází v základním způsobu uložení a je zatížen na jmenovitou proudovou zatížitelnost, dosahuje právě nejvyšší dovolené provozní teploty. Protože skutečné uložení vedení se od těchto základních způsobů liší, je nutné jmenovitou proudovou zatížitelnost upravit přepočítacími součiniteli proudové zatížitelnosti. Ty jsou pro různé způsoby uložení, různou teplotu, druhy prostředí a různé provozní podmínky uvedeny v ČSN 33 2000-5-523 v tabulkách. Vedení (jádro izolovaného vodiče i jeho povrch) se otepluje i chladne podle křivek. Jejich strmost závisí na vlastnostech izolačního obalu vodiče i na vlastnostech (teplotě a tepelné vodivosti) okolí. Pro výpočet doby, za niž vodič dosáhne určité teploty, je významná časová oteplovací konstanta, kterou ke každému druhu i průřezu vodiče udává jeho výrobce. Ve své podstatě je to doba, za niž exponenciálně rostoucí nebo klesající veličina dosáhne určité hodnoty. Podle ní lze určit dobu, za niž vodič nebo kabel daného druhu, průřezu a uložení dosáhne těchto směrodatných teplot:

• nejvyšší dovolené provozní teploty,
• nejvyšší dovolené teploty při proudovém přetížení,
• nejvyšší dovolené teploty při zkratu.

Všechny tyto mezní teploty určuje pro jednotlivé druhy vodičů (kabelů) technická norma ČSN 33 2000-4-43 v tabulce 43-NA1. Doby, za něž vodič nebo kabel dosáhne těchto mezních teplot, jsou rozhodující pro správnou volbu jištění před přetížením a zkratem. Při tom hraje nezanedbatelnou roli i způsob zatěžování vedení, jež může být trvalé, dlouhodobé, krátkodobé s odlehčením nebo krátkodobé s vypínáním.

Už z tohoto výčtu jednotlivých pojmů je zřejmé, že projekt elektrických vedení a případná dodatečná kontrola existujících vedení mohou být velmi pracné a obsáhlé. Proto se to od RT nežádá. Ten je navíc oproti projektantovi ve výhodě, protože se o skutečnostech na existujícím vedení může přesvědčit. Při revizích lze v prvním přiblížení posoudit proudové přetížení vedení podle jeho výsledného efektu, tj. podle dosažené teploty vodičů. Ta však někdy může být jen místní, způsobená nedokonalým spojením vodičů. Takové oteplení se od místa vzniku může po izolovaném jádru vodiče šířit i do větších vzdáleností (až 1 m), je tedy nutné při zjišťování příčiny oteplení vedení postupovat velmi obezřetně a různé pomůcky k reviznímu posuzování zatěžování vodičů hodnotit velmi kriticky (viz též dále stať 6.1).

K bezprostřednímu ohrožení bezpečnosti často vede náhlé a prudké zahřátí vodičů při zkratu. Při něm se může projevit nejen prudké oteplení, ale v blízkosti zdrojů (transformátorů) i dynamické síly, působící destruktivně na vedení i na další prvky elektrických rozvodů. Vedení při zkratu se zahřívá velmi rychle, takže se vznikající teplo nestačí vyzařovat do okolí a jádro vodiče rychle dosahuje značných teplot. Jejich výpočet přesahuje rámec povinností RT, a proto jej neuvádíme. Pro orientační posouzení zkratových poměrů v rozvodech nízkého napětí mohou RT posloužit odhady zkratových proudů uváděné v literatuře [1].

4. Jištění vedení

Překračování nejvyšších dovolených teplot jader vodičů při proudovém přetížení a při zkratu lze zabránit správně zvoleným typem a dimenzí jisticích prvků. Ty musejí zajišťovat:

• nepřekročení dovolených teplot jader vodičů,
• nepřekročení dovolených povrchových teplot vodiče v prostředích, v nichž je tato teplota příslušným předpisem omezena,
• nežádoucí působení jisticích prvků při normálních provozních stavech zařízení (např. při nárazovém spouštěcím proudu).

Pro určení správného jisticího prvku za respektování všech těchto hledisek potřebuje konstruktér nebo projektant znát:

• vypínací charakteristiky použitých jisticích prvků. Z těch může stanovit dobu, za niž nadproud známé velikosti způsobí odpojení;
• časovou oteplovací konstantu příslušného vodiče (kabelu).

Při výpočtech se uvažuje sice přípustný, ale nejméně příznivý výchozí stav, např. vedení zatížené na plný dovolený proud I_z.

Jde stejně jako při volbě průřezu vodičů a kabelů o matematickou předpověď v podstatě plně určeného fyzikálního procesu. Vzhledem k různosti konstrukcí vodičů a kabelů, vlastností jejich materiálů, okolí, typů jisticích přístrojů a jejich charakteristik jsou příslušné výpočty tak pestré, že celá situace přímo volá po zjednodušení. To by mělo spočívat buď v zanedbání nepodstatných činitelů, nebo ve shrnutí některých méně ovlivňujících činitelů do konstant, jejichž velikost se určí kvalifikovaným odhadem. Mezinárodní text normy s takovým zjednodušením zřejmě počítá, protože obsahuje tyto dva hlavní požadavky:

4a) Skutečný proud ve vedení (I_B) musí být roven jmenovitému proudu jisticího prvku (I_n) nebo menší než tento proud a ten musí být roven dovolenému proudu ve vedení (I_z) nebo menší než tento proud:

I_B < I_n < I_z (A)       (1)

4b) Proud zajištující skutečnou funkci jisticího prvku (I₂) musí být roven 1,45násobku dovoleného proudu ve vedení (Iz) nebo menší než tento násobek:

I₂ < 1,45 I_z (A)       (2)

Přitom se proud I₂ rovná:

1. funkčnímu proudu v dohodnutém čase pro jističe,
2. tavnému proudu v dohodnutém čase pro pojistky typu gI,
3. 0,9násobku téhož pro pojistky typu gII.

Dohodnutý čas by měl být určen tak, aby při přetížení jádro vodiče nepřekročilo nejvyšší dovolenou teplotu podle tabulky 43-NA1 v ČSN 33 2000-4-43.

Z těchto požadavků vyplývá, že součinitel přiřazení prvku jistícího vedení proti přetížení k dovolenému proudu vedení (K) je pro jističe a pojistky typu gII roven jedné, pro pojistky typu gI je roven 0,9, a to bez ohledu na rozdílné oteplovací konstanty vodičů malých nebo velkých průřezů:

I_n = K I_z (A)       (3)

Protože naše dřívější předpisy (ČSN 34 1020) byly zpracovány podrobněji, byla mnohá jejich ustanovení vložena do ČSN 33 2000-4-43 v podobě národních doplňků.

Typizované přiřazení jisticích prvků k typizovaným průřezům vedení používaným v objektech občanské výstavby je v příslušných technických normách, zejména v dosavadní ČSN 33 2130:1985.

4.1 Druhy jisticích prvků
Jsou to pojistky, jističe a jisticí relé ve spojení se stykačem. Důležitým parametrem je jejich vypínací schopnost. Vyjadřuje se zpravidla v kiloampérech a je to největší proud, který jsou pojistka nebo jistič ještě schopny přerušit, aniž by došlo k jeho úplné destrukci. Vypínací schopnost tandemu jisticí relé + stykač zpravidla nepřevyšuje osminásobek jeho jmenovitého proudu stykače.

Trubičkové pojistky mají ze všech druhů jisticích prvků nejmenší vypínací schopnost. Podle ČSN EN 60127:1997 má být jejich vypínací schopnost rovna 150 A nebo desetinásobku jejich jmenovitého proudu, podle toho, která hodnota je vyšší. Trubičkové pojistky s vysokou vypínací schopností (nad 150 A) jsou neprůhledné (zasypané pískem).

Silové pojistky běžné konstrukce mají vlivem velmi účinného zhášení oblouku pískem značnou vypínací schopnost. Zhášení může být dokonce tak rychlé, že zkratový proud nestačí ani nabýt své největší možné hodnoty. Potom se mluví o omezovací schopnosti pojistek.

Jističe mají poněkud horší zhášecí schopnost než pojistky. Jejich vypínací oblouk hoří ve vzduchu a rychlost jeho přerušení kromě jiných činitelů závisí i na stavu sinusového průběhu střídavého proudu v okamžiku začátku funkce jističe. Proto v pásmu velkých (zkratových) proudů nelze dobu odpojení přesněji definovat, což se projevuje na vypínací charakteristice jističe typickým zlomem.

4.2 Umístění a vynechávání jisticích prvků proti přetížení {ČSN 33 2000-4-473:1994}
V rozvodu elektrické energie se jisticí prvky zařazují tam, kde se snižuje dovolené zatížení vedení, a to buď vlivem změny průřezu nebo změny možnosti jeho ochlazování, na nějž má vliv okolí i způsob uložení vedení. To se děje nejčastěji v rozváděčích, ale i u odboček vedení apod. Nelze-li zařadit příslušné jisticí prvky právě do těchto míst, lze je umístit i na trase vedení se sníženým dovoleným zatížením, jestliže toto vedení je chráněno proti zkratu a jeho délka nepřesahuje 3 m. Takový úsek však nesmí být umístěn v blízkosti hořlavých materiálů a nebezpečí zkratu na něm musí být minimální.

Ochranu před přetížením je možné vynechat u vedení k odběrům, u nich jsou přetěžovací nadproudy vyloučeny (např. tepelné spotřebiče) nebo nepravděpodobné (např. motory ventilátorů). Vynechání ochrany před přetížením vedení je naopak nutné tam, kde by její nečekaná funkce mohla vyvolat nebezpečí. Takovými případy jsou např. přívody ke zvedacím magnetům, budicím vinutím generátorů, brzdovým magnetům výtahů, sekundární obvody proudových transformátorů apod. Je samozřejmé, že lze jisticí prvek vynechat i tam, kde nadřazený jisticí prvek chrání nejen vedení zařazené bezprostředně za ním, ale i vedení za další změnou vedoucí ke snížení dovoleného zatížení.

4.3 Umístění a vynechávání jištění vedení proti zkratům
Prvek zajišťující ochranu proti zkratovým proudům se rovněž umísťuje tam, kde se mění zkratová odolnost vedení vlivem změny průřezu nebo uložení vedení, s výjimkou prostorů s nebezpečím požáru nebo výbuchu. V takových případech lze volit odlišné umístění za podmínek obdobných podmínkám uvedeným ve stati 4.1.3. Analogické jsou i podmínky pro vynechávání jištění před zkratovými proudy {ČSN 33 2000-4-473 čl. 473.2}.

4.4 Jištění jednotlivých vodičů sítí (soustav)

Fázové vodiče {473.3.1}
V sítích TN a IT musejí být vybaveny nadproudovou ochranou všechny fázové vodiče. Jeden z nich může nadproudovou ochranu postrádat jedině v tom případě, že vedení nemůže být jednofázově přetíženo (např. pro trojfázové elektromotory), nadproudová ochrana zbývajících dvou fází však musí vždy odpojovat všechny tři fáze.

V sítích TT v obvodech rozváděných bez středního vodiče smí být jeden z fázových vodičů bez nadproudové ochrany, jestliže na straně napájení existuje diferenciální ochrana odpojující všechny fázové vodiče.

Střední vodiče {473.3.2}
V sítích TN a TT není nutné střední vodič vybavovat odpojovacím prvkem ani detekcí nadproudu, jestliže je jeho průřez rovnocenný průřezu fázových vodičů. Jestliže však je jeho průřez menší než u vodičů fázových, musí být tento vodič chráněn spolu s fázovými vodiči proti zkratovým proudům a proudy za normálního provozu jím protékající musí být zřetelně menší než jeho dovolený proud. Jinak musí být střední vodič vybaven nadproudovou detekcí vypínající v případě ohrožení fázové vodič.

Ochranné vodiče
Ochranné vodiče se z pochopitelných důvodů jistit nesmějí. Musejí vyhovět účinkům zkratových proudů po dobu, než je zkrat odepnut.

5. Rozvodná zařízení

Rozváděče nn byly od roku 1987 vyráběny a sestavovány podle ČSN 35 7107, po roce 1992 podle novelizové normy ČSN 35 7107:1992 a od roku 1996 podle přepracované ČSN EN 60439-1 Rozváděče nn Část 1: Typově zkoušené a částečně typově zkoušené rozváděče. Norma obsahuje definiční (názvoslovnou) stať, zajišťující srozumitelnost a jednoznačnost názvů. Pro revizní činnost jsou významné i méně často uváděné jmenovité hodnoty rozváděče (nebo jeho obvodu), jako jsou:

• jmenovité izolační napětí U_i) – napětí, k němuž se vztahují zkušební napětí izolace a hodnoty povrchových cest;
• jmenovité impulsní výdržné napětí (U_imp) – vrcholová hodnota impulsního napětí předepsaného tvaru, kterou je obvod rozváděče schopen za předepsaných zkušebních podmínek vydržet bez poruchy a na kterou se vztahují vzdušné vzdálenosti;
• jmenovitý krátkodobý proud (I_cw) –efektivní hodnota krátkodobého zkratového proudu, jejž může za předepsaných zkušebních podmínek obvod rozváděče bez poškození přenést;
• jmenovitý dynamický proud (I_pk) – vrcholová hodnota proudu přiřazená výrobcem, kterou může obvod rozváděče vydržet;
• jmenovitý podmíněný zkratový proud (I_cc) – hodnota předpokládaného zkratového proudu stanovená výrobcem, kterou obvod rozváděče chráněný jisticím přístrojem snese po dobu funkce tohoto přístroje;
• jmenovitý zkratový proud při jištění pojistkou (I_cf) – jmenovitý podmíněný zkratový proud, je-li jisticím přístrojem pojistka.

Na štítku rozváděče se uvádí označení výrobce a typu rozváděče. Ostatní údaje se uvádějí buď na štítcích nebo v dokumentaci.

Pro zkratovou odolnost u rozváděčů s přístrojem jistícím proti zkratu zabudovaným v přívodní jednotce je rozhodující vypínací schopnost, resp. i omezující vlastnosti tohoto přístroje. Jestliže však v přívodní jednotce není přístroj jistící proti zkratu zabudován, udává se zkratová odolnost některým z těchto způsobů:

• 5a) I_pk, I_cw a udáním příslušné doby zkratu, liší-li se od 1 s,
• 5b) I_cc,
• 5c) I_cf.

Při umístění rozváděče v daném místě rozvodu nízkého napětí je pro jeho zkratovou odolnost rozhodující splnění podmínek:

I_pk > I_km       (4)

kde: I_pk – jmenovitý dynamický proud (kA),
I_km – nárazový zkratový proud v daném bodu sítě (kA);

I_cw > I_ke       (5)

kde: I_cw – jmenovitý krátkodobý proud (kA),
I_ke – ekvivalentní oteplovací proud v daném bodu sítě (kA).

Rozváděče provedené podle ČSN EN 60439-1 musejí být schopny plnit svou funkci za vnějších vlivů, které nelze s dostatečnou přesností převést na vnější vlivy podle ČSN 33 2000-3:1985. Jsou normou definovány takto:

Pro vnitřní provedení:

• teplota okolního vzduchu –5 až +40 °C,
• relativní vlhkost vzduchu 50 % při +40 °C,
• stupeň znečištění vlivem okolních podmínek 1. až 4. (viz čl. 6.1.2.3 normy),
• nadmořská výška do 2 000 m.

Pro venkovní provedení se v mírném klimatu snižuje hranice teploty okolního vzduchu na –25 °C a relativní vlhkost vzduchu může být blízká 100 % při nejvyšší teplotě +25 °C. Nová norma dále stanoví podmínky pro umístění hlavních i řídicích a pomocných obvodů v rozváděči, vzájemné působení jejich prvků, opatření pro správnou funkci relé, měřicích přístrojů a elektronických součástek atd. Pro revize jsou významná i ustanovení týkající se označování vodičů hlavních, řídicích a pomocných obvodů, vodiče středního N a ochranného PE.

Rozvodnice jsou menší zařízení upevněná na stěně nebo do ní zapuštěná, s přístroji do jmenovitého proudu nejvýše 100 A. Vztahuje se na ně dosud platná ČSN 35 7030:1972. Na jejich konstrukci byl dříve používán kov, nyní se vyrábějí z plastů, které musejí být nehořlavé nebo nesnadno hořlavé, nenavlhavé a odolné proti teplu. Výrobní štítek rozvodnice má obsahovat údaje o jmenovitém napětí, jmenovitém proudu, typovém označení, výrobní číslo, rok výroby a příslušné předmětové technické normy.

6. Elektrická vedení

Na elektrická vedení se klade množství nároků, z nichž mnohé souvisejí s bezpečností. Je to především správné dimenzování vodičů a volba druhu vedení s ohledem na vlivy prostředí.

6.1 Dimenzování vodičů
Správně zvolená dimenze vedení však musí vyhovět i požadavkům na:

• 6a) Dostatečnou mechanickou pevnost
  Pro ochranné vodiče, uzemňovací přívody a vodiče v ČSN 33 2000-4-41:1996 tab. 41NN, v ČSN 33 2000-5-54:1996, v ČSN 33 2000-5-52:1998 čl. 524. Pro vnitřní elektrické rozvody, venkovní vedení a pohyblivé přívody a šňůrová vedení platí dosud staré normy.

• 6b) Přípustný úbytek napětí
  Úbytky napětí záleží nejen na stanovené hodnotě napětí u spotřebičů z hlediska jejich správné a hospodárné funkce, ale i na zařazení příslušného vedení v celkové konfiguraci rozvodu energie. Konkrétní hodnoty jsou obsaženy v různých, převážně starých normách. Pro instalace uživatelů jsou v nové ČSN 33 2000-5-52 čl. 525.

• 6c) Hospodárnost
  Hospodárný průřez vedení s bezpečností elektrických zařízení nesouvisí, a proto není předmětem revize.

• 6d) Včasnost samočinného odpojení vadné části
  Jde o ochranu samočinným odpojením nadproudovým prvkem, jejíž rychlost odpojení závisí mimo jiné na impedanci poruchové smyčky. Podrobně je o ní pojednáno ve stati 3.4.

6.2 Volba druhu vedení
Donedávna platila stará norma ČSN 34 1050:1971, jež je v současné době nahrazena ČSN 33 2000-5-52:1998. Z nových ustanovení jsou velmi instruktivní tři tabulky uvádějící výběr druhu vedení, způsoby jeho uložení a znázornění způsobu kladení. Další text se zabývá respektováním vnějších vlivů okolí působících na vedení (kategorie A, C podle ČSN 33 2000-3) {čl. 522}, opatřeními proti šíření požáru {čl. 527}, umís?ováním vedení v blízkosti jiných rozvodů elektrických {čl. 528.1} i neelektrických {čl. 528.2}. Výrazné nároky jsou kladeny na minimální průřezy vodičů {čl. 524} a na kvalitu, resp. přístupnost spojů vodičů {čl. 526}. Četné národní doploky se snaží upřesnit rámcové pojetí mezinárodního textu.

7. Odběrní (koncová) zařízení

Lze je rozdělit podle umístění na elektrické rozvody a instalace v objektech občanské výstavby, v objektech výrobních, průmyslových a pro zvláštní účely. To vše představuje velmi široký sortiment elektrických zařízení různých druhů a popis jejich revizí by daleko překročil rozsah tohoto příspěvku. Čtenáře proto odkazujeme na literaturu.

A na závěr pár otázek s komentářem:

1. Čekali jste, že se udrží starý formální způsob vykonávání výchozích revizí jako povinného dokladu ke kolaudaci staveb?
   V podstatě se udržel.
2. Očekávali jste, že se udrží dosavadní systém pravidelných revizí?
   Neudrží se, je formální. Námitky směřující k jeho zachování nejsou podloženy věrohodnou statistikou.
3. Očekávali jste rozšíření pravidelných revizí i na byty a rodinné domky?
   Nedochází k tomu, nebyly důkazy, že by se tím něco vyřešilo. Snad jen pohodlný „byznys“ dosavadních revizních techniků. Bydlí--li v takovém bytě „domácí kutil“, dá se toho svého „fušování“, sotva revizní technik za sebou zavře dveře.
4. Myslíte, že je to tak těžké, stát se skutečným odborníkem (kompetentní osobou ) i v nových podmínkách?
   Inu, lehké to nebude, ale v každém případě to bude zajímavé.
5. 5. Co vám proto poradím?
   Sledujte odborné časopisy a odlišujte redakční a odborné články od reklamy. Nad každým ustanovením technické normy se ptejte „a proč?“ I naši velcí předkové se tak ptali, a proto vymysleli na svou dobu tak kvalitní normalizační soustavu.

Malý zkušební testík:

1. Jaký je rozdíl mezi silovými a sdělovacími sítěmi?
2. Které z nich nabývají převahy?
3. Jaký je rozdíl mezi elektrickým předmětem a rozvodem nebo instalací?
4. Jaký je rozdíl mezi prohlášením o shodě a revizí (inspekcí)?
5. Na čem závisí bezpečnost elektrického zařízení?
6. Co naši předkové nazývali „normáliemi“?

Věřte, je to zajímavé, a kdo správně odpověděl, už v tom vlastně jede. Nebojte se toho – IN-EL na to vydá knížku.