Elektrický rozvod a zajištění bezpečnosti

Elektrický rozvod a zajištění bezpečnosti

Ing. Jan Anděl, Energoprojekt Praha a. s.

K napsání tohoto příspěvku do diskuse v rubrice Elektrotechnické fórum mne inspirovaly články „Poznámky k dimenzování kabelů“ (ELEKTRO č. 1/2002) – [1], „Právní předpisy a normy v oblasti projektování a provozu elektrických zařízení“ (ELEKTRO č. 1/2002) – [2], „Má být elektrotechnik také zdatným právníkem?“ (ELEKTRO č. 3/2002) – [3] a „Kudy vede cesta zkratového proudu“ (ELEKTRO č. 7/2002) – [4]. Rád bych k problematice a názorům prezentovaným v těchto článcích připojil i názor svůj.

Bezpečnost

Na stránkách časopisu ELEKTRO i v dalších odborných časopisech podobného zaměření se často diskutuje, popisuje a jinak rozebírá funkce a řešení elektrických zařízení a rozvodů z hlediska zajištění bezpečnosti. Ve většině případů se jedná o ochranu osob proti úrazu a ochranu a dimenzování vlastních elektrických zařízení ve vazbě na řadu norem ČSN 33 2000.

Rád bych na tomto místě připomněl, že elektrické systémy hrají roli i v oblasti jiných druhů bezpečnosti. Mám na mysli bezpečnost velkých technologických celků, jako jsou např. klasické a jaderné elektrárny, chemické továrny, rozvodny v přenosové a distribuční soustavě a dopravní systémy. Oblastí je jistě více. Jejich společným rysem je skutečnost, že případná porucha (výpadek, havárie) technologické funkce znamená riziko ohrožení velkého množství osob a možnost vzniku velkých hospodářských škod.

Jednotlivé druhy bezpečnosti musí být vzájemně zkoordinovány. Prioritu je třeba stanovit podle důsledků možných poruch, před nimiž jednotlivé druhy bezpečnosti chrání.

Dobrým příkladem koordinace více druhů bezpečnosti jsou jaderné elektrárny, kde je třeba uvažovat tyto druhy bezpečnosti:

• Bezpečnost jaderná, od které se požaduje, aby ve všech stavech uvažovaných projektem zajistila bezpečné odstavení a dochlazení reaktoru a zabránila úniku radioaktivních látek. Zajištění jaderné bezpečnosti je jednoznačně prioritou.

• Bezpečnost drahých zařízení má za úkol zabránit poruchám nebo snížit následky poruch drahých zařízení (např. turbosoustrojí). Do této oblasti spadá i omezení velkých hospodářských ztrát např. v důsledku nadbytečného odstavení bloku elektrárny.

• Bezpečnost osob – do této oblasti patří i ochrana proti úrazu elektrickým proudem.

Technická řešení a organizační opatření, která zajišťují bezpečnost osob a drahých zařízení, musejí být s jadernou bezpečností zkoordinována tak, aby ji negativně neovlivňovala. Koordinace se dosahuje těmito základními způsoby:

1. Jaderná bezpečnost a bezpečnost drahých zařízení jsou navzájem kompatibilní. Jedná se o nejobvyklejší případ.

2. Jaderná bezpečnost musí být zajištěna i za cenu poškození některých zařízení. Tento princip se uplatňuje u tzv. bezpečnostních systémů. Hlavní elektrická zařízení jsou vybavena elektrickými ochranami, které působí na vypnutí pouze při poruchách znamenajících, že zařízení není schopno plnit svoji bezpečnostní funkci. Jedná se zejména o zkraty, které je nutné rychle vypnout i z hlediska rizika požáru.

3. Koordinace jaderné bezpečnosti a ochrany proti úrazu elektrickým proudem je zajištěna tím, že je funkce ochrany proti úrazu elektrickým proudem považována za jednu z mnoha funkcí elektrických ochran. Tato funkce je vždy neopominutelná. V důležitých technologických rozvodech musí být ochrana proti úrazu řešena tak, aby nesnížila jadernou bezpečnost. Ve starších rozvodech nn je např. ochrana provedena podle ČSN 34 1010 (nulováním, zemněním), v modernizovaných rozvodech podle ČSN 33 2000-4-41. Ochrannými prvky jsou převážně jističe, v některých případech i pojistky. V elektrických rozvodech pro napájení technologie se nepoužívají proudové chrániče, které jsou vysoce citlivé, a proto vždy přinášejí riziko nežádoucího vypnutí.

Cesta zkratového proudu

Článek [1] se zabývá stanovením impedance pro výpočet minimálních jednofázových zkratových proudů v průmyslových a energetických kabelových rozvodech. Postup podle ČSN IEC 781 (33 3021), uvažující Z_k = 2Z₁ + Z₀, je pokládán za příliš konzervativní a vedoucí k nehospodárnému předimenzování kabelů. Důvodem je, že v reálném rozvodu je zpětná cesta zkratového proudu ke zdroji tvořena nejen čtvrtým vodičem (PEN) obvodu se zkratem, ale i dalšími paralelními cestami (vodivé pospojované konstrukce, uzemňovací síť, vodiče PEN dalších spotřebičů). Impedance této zpětné cesty je pokládána za tak malou, že ji lze zanedbat (Z_k = Z₁). Z toho plyne, že jednofázový proud je přibližně roven trojfázovému. Kabely lze tedy podle článku [1] z hlediska včasného vypnutí minimálních zkratových proudů dimenzovat úsporněji.

Článek [4] je reakcí na článek [1]. V článku je vyjádřen údiv, že někdo uvažuje uzavírání zkratového proudu mimo pracovní vodiče (L1, L2, L3 a N), tj. výše uvedenými paralelními zpětnými cestami. Takováto cesta zkratového proudu a řešení rozvodu jsou označeny za špatné. Důvodem je obava z magnetického pole, které vznikne průtokem zkratového proudu smyčkami tvořenými vodivými konstrukcemi, pospojováním,... a které může indukovat nebezpečná napětí. Článek varuje, že rozvod má být řešen tak, aby se zkratové proudy neuzavíraly cestami, kde může vzniknout magnetické pole, které je pro člověka vždy zdravotně nežádoucí.

Zkratový proud je proud poruchový. V závislosti na druhu a místě poruchy se může uzavírat různými cestami, které mu nelze předepsat. V praxi nejčastější jsou zkraty jednofázové, tj. mezi fází a „zemí“. Ale i při vícefázovém zkratu teče obvykle část poruchového proudu k uzlu zdroje „zemí“. „Zemí“ zde nazývám soustavu ochranných vodičů a dalších paralelních cest k uzlu zdroje. Množství paralelních cest a jejich impedance závisejí na místě poruchy a konkrétním zapojení rozvodu.

Při projektování je proto třeba počítat s průtokem zkratového proudu jak pouze pracovními vodiči, tak i ochrannými vodiči a dalšími paralelními cestami. Čím menší zkratová impedance, tím jsou zkratové proudy větší.

Skutečnost, že při průtoku velkých zkratových proudů vzniká i magnetické pole, je známá a normy tento jev uvažují. Elektrická zařízení se proto na účinky zkratů v souladu s normami dimenzují a kontrolují jak z hlediska zajištění citlivosti na minimální zkraty, tak z hlediska odolnosti vůči tepelným a dynamickým účinkům, které jsou obvykle nejsilnější u maximálních zkratových proudů. K otázce účinků magnetického pole vznikajícího při zkratech na zdraví člověka pouze podotýkám, že zkraty nejsou za provozu elektrického zařízení obvyklým a častým jevem, že jsou zkratové proudy v kabelovém rozvodu nn poměrně malé a díky požadavkům na rychlé vypínání zkratů trvají velmi krátkou dobu.

Energoprojekt Praha v projektech rozvodů vlastní spotřeby elektráren přistupoval k problematice stanovení impedance kabelů pro výpočty minimálních jednofázových zkratových proudů konzervativně. Zpětnou cestu zkratového proudu jsme u celoplastových kabelů uvažovali pouze čtvrtým vodičem. Byli jsme si vědomi toho, že by uvažování paralelní zpětné cesty netočivou impedanci snížilo. Naproti tomu ale impedance paralelní cesty závisí na konkrétním místě poruchy a může se i měnit v čase např. v důsledku stavebních úprav a změn zapojení elektrického rozvodu. Cesta pouze čtvrtým vodičem tedy představuje jistotu, invariantnost a prokazatelnost návrhu.

Informativní údaje o velikosti netočivé impedance kabelů nn jsou např. v tab. 10 v příloze B normy ČSN 33 3020. Pro poměr netočivé (R₀ + jX₀) a sousledné impedance (R₁ + jX₁) platí údaje v tab. 1 (příklad kabelů malého a velkého průřezu).

Tab. 1. Příklad kabelů malého a velkého průřezu

Z tab. 1 je zřejmé, že tato ČSN nepovažuje impedanci zpětné cesty za nulovou. Velikost netočivé impedance je závislá na poměru průřezů fázového a čtvrtého vodiče. V případě velkých průřezů kabelů již nelze zcela zanedbat ani reaktanci kabelů. Další rozsáhlý soubor údajů o netočivé impedanci kabelů je uveden v ČSN IEC 909-2.

Závěrem k tomuto tématu konstatuji, že zanedbání impedance zpětné cesty navržené v článku [1] nemá oporu v normách ČSN 33 3020, ČSN IEC 781 i ČSN IEC 909. Norma ČSN 33 2000-4-41/2000 v článku 413.1.3.3 v poznámce N uvádí, že se paralelní cesty zemí a pospojováním při stanovení impedance poruchové smyčky Z_sv neuvažují. Konzervativně stanovená zpětná cesta pouze čtvrtým vodičem v sobě dále zahrnuje i rezervu na odpor místa poruchy (elektrický oblouk).

Použití jističů při ochraně samočinným odpojením od zdroje

Článek [3] je reakcí na článek [2]. V článku [3] je obsaženo několik překvapivých a kontroverzních názorů:

Princip ochrany proti úrazu elektrickým proudem
Prvním překvapivým názorem je zúžení principu ochrany před úrazem elektrickým proudem pouze na omezení velikosti proudu protékajícího tělem pod mez, kdy již nenastávají patofyzické účinky.

Tento názor je v rozporu s normou ČSN 33 2000-4-41, článek 400.N2.3. Tato norma totiž připouští zajištění ochrany při dotyku živých částí i zamezením možnosti průtoku proudu (tj. izolací, polohou,...), při zajištění ochrany před dotykem neživých částí navíc i samočinným a dostatečně rychlým odpojením zdroje od místa poruchy.

Jestliže bychom chtěli i v běžných rozvodech 230/400 V zajistit ochranu proti úrazu pouze principem omezení proudu, nebylo by vlastně možné ochranu samočinným odpojením od zdroje použít. Díky principu vypínání a konstrukci kontaktního mechanismu totiž nejsou ani pojistky, ani jističe, ba ani chrániče schopny vypnout malé poruchové proudy v časech potřebných pro omezení proudu (tj. okolo 10 ms). Pojistky a omezující jističe mají schopnost omezit pouze velké zkratové proudy, které při svém průtoku poskytnou dostatečnou energii pro přetavení pojistky nebo rozepnutí kontaktů jističe elektromagnetickými silami.

Omezení proudu je schopna zajistit pouze ochrana malým napětím, popř. ochrana omezením ustáleného proudu a náboje. Tyto ochrany ale nejsou pro běžný rozvod elektřiny vhodné.

Použití jističů nebo chráničů
Druhým překvapivým názorem v článku [3] je údiv autora, že v dnešní době ještě někdo uvažuje o ochraně samočinným odpojením od zdroje pomocí jističe.

Podstata samočinného odpojení od zdroje spočívá nikoliv ve snaze omezit velikost poruchového proudu, ale ve včasném vypnutí obvodu, ve kterém předpokládané dotykové napětí překračuje přípustnou mez. Doba vypnutí je normou požadována od 0,1 do 5 s v závislosti na velikosti napětí proti zemi a riziku úrazu, které se může vyskytnout v daném typu elektrického obvodu. Požadavek na vypnutí obvodu v uvedených časech vychází z výsledků výzkumů účinků průchodu proudu lidským organismem. Za hlavní nebezpečí smrtelných úrazů se považuje komorová fibrilace srdce. Podrobněji viz ČSN IEC 497-1 (33 2010).

Rychlé odpojení od zdroje vyhovující požadavkům ČSN 33 2000-4-41 je možné zajistit pomocí jističů, ochranných relé, pojistek nebo chráničů, je-li impedance vypínací smyčky dostatečně malá.

Jističe a pojistky jsou konstruovány pro použití v průmyslovém prostředí, jejich vypínací charakteristiky jsou jasně definovány, jsou velmi spolehlivé a odolné proti nežádoucímu vypnutí. Moderní elektronické spouště jističů jsou schopny zvládnout selektivní a dostatečně citlivé jištění i v průmyslových rozvodech s velkým podílem motorických zátěží a současně zajistit i požadavky ochrany samočinným odpojením od zdroje. Jističe a pojistky jsou vhodnými ochrannými prvky do rozvodů, kde je třeba zajistit důležité technologické funkce.

Za výhodu proudových chráničů považuji vysokou citlivost na poruchový proud. Ta je umožněna tím, že chránič detekuje fázorový součet proudů v pracovních vodičích (netočivá složka) a není citlivý na provozní proudy rozvodu. Může být proto nastaven na reziduální proud řádu desítek miliampérů. Proudový chránič není schopen svým vypnutím omezit velikost poruchového proudu. Protože nemá ani vypínací schopnost pro zkratové proudy, musí být jištěn pojistkami nebo jističem. Za velký přínos chrániče pro bezpečnost osob považuji jeho schopnost vybavení i proudy řádu desítek miliampérů, čímž se podstatně zkrátí doba průtoku i těchto malých proudů lidským organismem.

Proudové chrániče jsou vhodné do elektrických rozvodů, kde je akcentována bezpečnost osob. Jedná se o byty, kanceláře, zdravotnická zařízení a o prostory, kde vliv prostředí zvyšuje nebezpečí úrazu elektrickým proudem.

Pro aplikaci chráničů v technologických rozvodech je na závadu právě jejich vysoká citlivost a občasná malá odolnost proti elektromagnetickému rušení (EMI). Vysoce citlivý chránič vždy představuje riziko falešného vypnutí.

Jističe a EMC
Třetí problematický a nejasný názor uvedený v článku [3] se týká nemožnosti zajistit podmínky elektromagnetické kompatibility (EMC) v distribučních sítích při použití jističů pro samočinné odpojení od zdroje.

Elektromagnetická kompatibilita je podle ČSN IEC 1000-1-1 (33 3431) definována jako schopnost zařízení nebo systému fungovat vyhovujícím způsobem ve svém elektromagnetickém prostředí bez vytváření nepřípustného elektromagnetického rušení pro cokoliv v tomto prostředí. Jde tedy o to, aby mez odolnosti zařízení byla s určitou rezervou kompatibility nad mezí rušení. Toto musí být splněno pro všechna rušení, která se v daném elektromagnetickém prostředí vyskytují.

Nevím, zda jsou jističe v článku [3] považovány za prvek, který je zdrojem nadměrného rušení, nebo naopak za prvek s nedostatečnou odolností. Ale skutečností je, že se i v rozsáhlých průmyslových a energetických objektech, kde jsou použity stovky jističů, daří dosáhnout elektromagneticky kompatibilní situace potřebné např. pro funkci nových řídicích systémů.