Impedance smyčky v obvodech chráněných proudovými chrániči

Impedance smyčky v obvodech chráněných proudovými chrániči
Informace k novým a připravovaným normám

Ing. Michal Kříž, IN-EL s. r. o., www.iisel.com, www.in-el.cz

Ochrana při poruše (jinak též ochrana před dotykem neživých částí) zajišťuje ochranu osob a hospodářských zvířat, jestliže selžou prostředky základní ochrany (poruší se základní izolace, dojde k dotyku živé části s vodivým krytem apod.). V takovém případě, převážně v sítích TN nebo TT, se uplatňují ochranná opatření automatického odpojení od zdroje. K tomu se jako prvky, které jsou k automatickému odpojení v případě poruchy určeny, používají:

• nadproudové ochranné přístroje, tzn. pojistky a jističe,
  a
• proudové chrániče.

Tyto prvky musejí být voleny tak, aby byly splněny podmínky odpojení v předepsaném čase. Kromě toho se v sítích TT může na zemniči po značnou dobu vyskytovat napětí – ne však vyšší než bezpečná mez, tj. pro normální prostory 50 V.

Proudové chrániče a automatické odpojení

Sítě TN
U nově zřízených zařízení se impedance (nebo u koncových obvodů v podstatě odpor) smyčky měřená v zásuvkách, popř. u vývodů pro spotřebiče, obvykle pohybuje mezi jedním až jedním a půl ohmem. Tím je, jak ukazuje tabulka, podmínka odpojení v čase do 0,4 s lehce splnitelná i s pomocí nadproudových ochranných přístrojů, v současné době obvykle jističů s charakteristikami B nebo C. Proto zde neexistuje všeobecně platný požadavek, aby se pro odpojení v případě poruchy (ochranu před dotykem neživých částí) v sítích TN používaly proudové chrániče. Přesto se však dnes použití tohoto opatření v síti TN-S doporučuje. Je to z těchto důvodů:

• ve stále větší míře se pro zásuvky a ostatní obvody v určitých případech vyžaduje a v jiných případech doporučuje doplňková ochrana proudovými chrániči,

• uplatněním přemístitelných spotřebičů se při zkratu na neživé části (na kostru) zvyšuje účinná impedance smyčky; to může vést k nepřípustnému zhoršení podmínek odpojení, pokud je ochrana při poruše zajišťována pojistkami nebo jističi, na ochranu pomocí chráničů však takové zvýšení impedance smyčky nemá žádný vliv,

• uplatnění chráničů ve srovnání s jinými ochrannými přístroji zajišťuje nesrovnatelně účinnější ochranu před požárem,

• usnadňuje se práce projektanta i revizního technika, protože výpočet impedance smyčky jako důkaz splnění podmínek odpojení není vlastně nutný.

Tabulka přípustných impedancí smyček v síti TN pro pojistky, jističe a chrániče

Sítě TT
V některých případech může k rozvodu a přívodu elektrické energie být využita síť bez vodiče PEN, podle dohody nazývaná síť TT. V současné době již v podstatě není možné ochranu v těchto sítích realizovat s jinými prvky než s proudovými chrániči. Důležité přitom je nejen to, aby při poruše bylo zajištěno automatické odpojení, ale i to, aby při poruchovém proudu, který ještě nedosahuje hodnoty dostačující pro toto odpojení, nebylo na zemniči napětí vyšší než 50 V (popř. 25 V v prostorách zvlášť nebezpečných). I splnění této podmínky je u ochrany pomocí proudového chrániče snadno dosažitelné.

Poruchová smyčka a proudové chrániče v normách

Podmínky podle ČSN 33 2000-4-41
Ustanovení, které pro měření impedance poruchové smyčky i přes velké změny v požadavcích na ochranu před úrazem elektrickým proudem nadále zůstává jedním ze základních pojmů v ochraně při poruše (před dotykem neživých částí), je měření impedance poruchové smyčky. Toto měření je jedním ze základních požadavků na revize elektrických instalací.

Co se týče požadavků na impedanci smyčky, ty jsou předepsány jednak pro sítě TN a podle připravovaného nového vydání ČSN 33 2000-4-41 se s nimi bude uvažovat i v rámci sítí TT. Samozřejmý je požadavek na impedanci smyčky i v sítích IT.

Pro síť TN, která je v ČR nejrozšířenější, platí:

charakteristiky ochranných přístrojů (pojistek, jističů, ale i proudových chráničů) a impedancí musí splňovat tento požadavek:

Z_s × I_a Ł U_o

kde Z_s je impedance v ohmech (W) poruchové smyčky obsahující:
– zdroj,
– vodič vedení až k místu poruchy a
– ochranný vodič mezi místem poruchy a zdrojem,
I_a proud v ampérech (A) vyvolávající automatickou funkci odpojovacího přístroje v době stanovené v normě (0,4 s pro zásuvkové obvody a 5 s při napájení větších zařízení); jestliže je použit proudový chránič, je tímto proudem jeho jmenovitý vybavovací reziduální proud (výjimkou mohou být selektivní proudové chrániče, pro které je nutné počítat s větším než jmenovitým vybavovacím reziduálním proudem),
U_o jmenovité střídavé nebo stejnosměrné napětí vodiče vedení proti zemi ve voltech (V).

Obr. 1. Princip činnosti proudového chrániče v síti TT (totéž platí i pro sítě TN a IT)

Všimněme si, že smyčka se určuje i pro případ, kdy je jako ochranný prvek použit proudový chránič, tj. přístroj reagující na proudy o velikosti řádově desítek nebo stovek miliampérů. Při jeho použití pro impedanci smyčky vychází, že nesmí být větší než řádově stovky až tisíce ohmů. Je-li tento požadavek vzat do důsledků, postačuje naprosto nedokonalé, a tím lze říci i nespolehlivé spojení neživé části se zdrojem. Není možné předpokládat, a ani z hlediska předpisových požadavků to není možné, aby někdo použil ochranný vodič o průřezu desetin nebo pouze setin milimetru, který by ještě zaručoval splnění podmínky pro impedanci smyčky. Průřez ochranného vodiče musí být alespoň minimální předepsaný (viz ČSN 33 2000-5-54 a kapitola Průřezy ochranných vodičů v informačním systému), ať už se jedná o automatické odpojení zajišťované klasickými prvky, tj. pojistkou nebo jističem, nebo citlivým prvkem, kterým je proudový chránič.

I v souvislosti s tímto zdůvodněním z hlediska impedance smyčky je možné hledět na ustanovení připravované normy pro ochranu před úrazem elektrickým proudem v elektrických instalacích (připravované nové vydání ČSN 33 2000-4-41). Nově se do normy dostává vysvětlení o předpokládané velikosti proudu chrániče, s kterým se z hlediska odpojení počítá, i o jištění obvodů chráněných chráničem.

Nové vysvětlení v normě uvádí, že pokud je splnění požadavku na impedanci smyčky zajišťováno proudovým chráničem, vztahují se doby odpojení podle (nové) tabulky dob odpojení v normě k předpokládaným reziduálním poruchovým proudům, které jsou podstatně větší než jmenovité vybavovací reziduální proudy proudových chráničů. Za typickou hodnotu se považuje proud rovný 5 I_Dn. Do výše uvedeného vzorce je tedy třeba dosadit tuto hodnotu – a už vycházejí hodnoty impedance smyčky podstatně nižší než při dosazování jmenovitého reziduálního vybavovacího proudu chrániče.

Pro jistotu se doplňuje i nové ustanovení o tom, že pokud jsou pro ochranu při poruše použity proudové chrániče, měl by být obvod stejně ještě chráněn nadproudovým ochranným přístrojem podle IEC 60364-4-43. Je to sice nové ustanovení, nicméně platilo i dříve, protože bylo předepsáno bez ohledu na požadavky na automatické odpojení. Ochrana před nadproudy musela být zajištěna bez ohledu na to, jak byla provedena ochrana před dotykem (podle nově zaváděné terminologie „ochrana před úrazem elektrickým proudem při poruše“). Tím, že se uplatní proudový chránič, se tedy povinnosti chránit obvod před nadproudy, tj. v sérii s proudovým chráničem zařazovat ještě jistič, nelze zbavit. Porucha musí být odpojena i nadproudovým ochranným prvkem. Někomu se tento požadavek možná může zdát nadbytečný, ale není v normě pouze proto, že by mohl selhat proudový chránič, ale i proto, že mnoho poruch (přetížení vedení zvýšeným odběrem, zkrat mezi pracovními vodiči) chránič v principu vůbec nerozezná, a nemůže na ně reagovat. Proto je impedance smyčky důležitá a je důležité ji měřit i v případě obvodů, které jsou chráněny proudovým chráničem. Nejedná se přitom jenom o impedanci smyčky fázový vodič – ochranný vodič, ale i o smyčku fázový vodič – nulový vodič, tzv. vnitřní impedanci sítě.

Podmínky podle ČSN 33 2000-6-61
Obdobně, ale s důrazem na ověřování ochranných opatření je uvedený požadavek rozebrán v normě zabývající se měřením impedance smyčky, tj. v ČSN 33 2000-6-61. Tam se praví:

Při použití proudových chráničů není obvykle třeba provádět měření impedance poruchové smyčky z důvodu ověření podmínky samočinného odpojení pomocí proudového chrániče. Ověřením impedance smyčky se však ověřuje, zda je zajištěno samočinné odpojení obvodu i při poruše před chráničem a zda je zajištěna spojitost vodičů obvodu. To je důležité zejména v případech, kdy je ochranný vodič za proudovým chráničem spojen pouze s ochranným vodičem sítě (popř. vodičem PEN) před proudovým chráničem. Z důvodu ověření spojitosti obvodu je vhodné měřit i impedanci smyčky fázový vodič – střední vodič, a to i v obvodech nechráněných proudovým chráničem (to znamená ověřovat vnitřní impedanci sítě, jak již bylo uvedeno i výše).

Nově uplatňované přístupy k poruchové smyčce
V současné době se v připravovaných vydáních norem souboru ČSN 33 2000 ještě více, než tomu bylo ve vydáních předchozích, sjednocuje pohled na ochranu automatickým odpojením. Připomeňme si, že dříve se jako samostatné způsoby ochrany rozeznávala ochrana nulováním, ochrana zemněním v síti s uzemněnou nulou a ochrana zemněním v síti s izolovanou nulou. V roce 1996 byly tyto tři, dříve samostatné způsoby ochrany sloučeny pod sjednocující ochranu samočinným – dnes automatickým – odpojením. V současné době již nově vydané normy ČSN 33 2000-4-41 a ČSN 33 2000-6-61 jdou v tomto sjednocení ještě dále – vzala se totiž na vědomí – ta doposud mlčky předpokládaná podmínka automatického odpojení, totiž: aby k tomuto odpojení došlo, musí být, a to nejen v síti TN, ale i v sítích TT a IT, uzavřena smyčka poruchového proudu. Tato podmínka se již nyní bude odrážet v ustanoveních připravovaných vydání těchto norem.

ČSN 33 2000-4-41 bude nově i pro síť TT uvádět podmínku Z_s × I_a Ł U_o, která se bude uplatňovat při použití nadproudových ochranných přístrojů (vedle podmínky R_A × I_Dn Ł 50 V uplatňovaném při užití proudových chráničů).

ČSN 33 2000-6 (která zavede již nyní platnou mezinárodní normu IEC 60364-6 a která již bude zahrnovat i kapitolu o pravidelných revizích) bude dovolovat v místech, kde je obtížné, nebo dokonce nemožné změřit odpor samostatného uzemnění, aby se změřila impedance smyčky obdobně jako u sítě TN (rozdíl je jen v tom, že odpor ochranného vodiče a vodiče PEN mezi neživou částí a zdrojem je nahrazen odporem uzemnění chráněné neživé části a odporem uzemnění sítě v nulovém bodě zdroje).

Měření impedance smyčky za chráničem

Měřit či neměřit impedanci smyčky za chráničem – toť otázka, která je již léta rozebírána s různými závěry. Částečná odpověď byla již uvedena v rámci citace z normy:

Měření impedance poruchové smyčky není obvykle třeba provádět z důvodu ověření podmínky samočinného odpojení pomocí proudového chrániče, nicméně se jím však ověřuje, zda je zajištěno samočinné odpojení obvodu i při poruše před chráničem a zda je zajištěna spojitost vodičů obvodu.

Druhá otázka je, jak impedanci smyčky měřit. Primitivní a často zavrhovaný způsob byl – překlenout vstupní a výstupní svorky chrániče. Tomu se (kromě nedostatku elegance) zřejmě právem vyčítalo to, že je nutné svorky nejen překlenout, ale po změření překlenuté svorky i rozpojit (v podstatě uvést zapojení do původního stavu). Další možností bylo měřit pomocí proudu menšího, než je vybavovací proud chrániče (tedy zhruba o hodnotě 10 mA). Toto měření je však již v principu velice nepřesné – spíše se jedná o odhad. Třetí metoda, považovaná za elegantní a těšící se přízni svých propagátorů, spočívala v použití tzv. narkotizérů, které proudový chránič jako by uspaly, a v následném změření impedance smyčky některou z běžných metod. Připomeňme si, že princip narkotizérů, kterými byly některé přístroje vybaveny, spočíval v tom, že do obvodu se pustil stejnosměrný proud, kterým se přesytilo magnetické jádro proudového chrániče, takže chránič na proudy používané pro měření impedance smyčky již nereagoval. Uvedený způsob se bez problémů využíval před deseti lety. V současné době již tuto metodu u všech typů proudových chráničů používal nelze. Na potíže se narazí již při měření za proudovými chrániči typu A (uplatňované v obvodech s možností výskytu pulsujícího poruchového proudu) a není možné s jejich pomocí měřit za proudovými chrániči typu B (reagujícími i na čistě stejnosměrný proud). Tak v podstatě technika, která je požadovaná pro ochranu určitých typů zařízení, brání svému ověření.

Obr. 2. K principu měření impedance smyčky a dotykového napětí

V důsledku vlastností proudových chráničů, které vybavují již při velmi malých proudech, se v současné době již nevyžaduje tak přesné měření impedance smyčky za proudovým chráničem jako při jejím měření při použití nadproudových ochranných přístrojů (jističů a pojistek). Proto se vyžaduje ověřit zkouškou (zahrnující měření) propojení pomocí ochranného vodiče o malém odporu a zároveň ověřit řádnou funkci proudového chrániče. Literatura uvádí, že se to provede těmito třemi kroky:

1. Změří se úbytek napětí v poruchové smyčce pomocí impulsního poruchového proudu o velikosti asi 30 % I_Dn. Z něho se vypočítá a následně na displeji ukáže možné dotykové napětí při I_Dn i odpor smyčky (resp. odpor uzemnění v síti TT – obr. 2).
2. Pomocí krátkodobého zkušebního proudu o velikosti I_Dn se ověří řádné vybavení chrániče.
3. Zvláštním měřením se metodou narůstajícího zkušebního proudu ověří skutečný vybavovací proud chrániče.

Zatímco měřením provedeným ve druhém kroku se přesně prokáže, zda chránič vypíná, jak má, měření vykonané v prvním kroku jednoznačné posouzení stavu zařízení, tzn. především ochranného vodiče, neposkytuje. V důsledku malého proudu pro měření jsou údaje o naměřeném odporu:

• u citlivějších chráničů (měří se proudy 10 nebo 30 mA) sotva použitelné,
• u méně citlivých chráničů (měří se proudy nad 100 mA) se musí počítat s chybou i větší než obvyklých 30 %.

To znamená, že spolehlivé určení stavu ochranného vodiče jako části změřené smyčky není u citlivých chráničů tímto způsobem možné. Z tohoto měření nelze určit, jaký podíl z naměřené hodnoty připadá na ochranný a jaký na fázový vodič. K tomu je nutné ještě uvážit, že naměřená hodnota napětí nepředstavuje úbytek napětí na ochranném vodiči, ale v důsledku toho, co se vlastně měří, představuje úbytek napětí na celé smyčce. Proto uvedené měření samotné není dostačující. Z toho důvodu, je-li třeba mít o měřeném obvodu jistotu, se musí jako další krok ověřit nízký odpor propojení ochranného vodiče obvodu s přivedeným ochranným vodičem sítě.

K čemu je údaj o naměřeném dotykovém napětí?

Jak již bylo uvedeno, přestože to není dostatečné, ověřuje se spojitost ochranného vodiče a pro orientaci se zjišťuje napětí na ochranném vodiči v místě měření. Takže nepřesným měřením souvisejícím s ověřováním již zmíněných vysokých, z hlediska ochrany automatickým odpojením dostatečných hodnot impedance smyčky, kterým měření dotykového nebo poruchového napětí při ochraně chráničem je. I toto měření se dříve vyžadovalo, dnes je součástí programového vybavení řady „lepších“ měřicích přístrojů. Z hlediska ověření ochrany v sítích TT je smysl tohoto měření zřejmý. Pokud není odpor uzemnění v pořádku, projeví se to tím, že při poruše, která ještě nezpůsobí odpojení, je na neživých částech nebezpečné dotykové napětí. Tím je prokázáno, že na ochraně (uzemnění nebo ochranném vodiči) je určitá závada. Toto měření se vyžadovalo i z hlediska ochrany v síti TN, ačkoliv se to zdálo zcela zbytečné. Přesto tomu tak není. Toto měření totiž probíhá u moderních měřicích přístrojů, kterými se zjišťuje impedance smyčky a které odpovídají ČSN EN 61557-3, zcela automaticky, ještě před tím, než se impedance smyčky změří a než se zobrazí naměřená hodnota. Toto měření v případě proudových chráničů není zcela korektní, ale při zjednodušeném pohledu na otázku bezpečnosti má význam. Uvedeným měřením se totiž odhalí tyto poruchy:

1. Naměřená nebo vypočítaná a potom na displeji zobrazená hodnota je vlastně úbytek napětí vyvolaný zkušebním proudem na celé poruchové smyčce. Z hlediska ochrany v síti TN nemá tato nesprávnost význam. V důsledku nepatrného odporu smyčky je úbytek napětí na smyčce, a tím také poruchové napětí na ochranném vodiči nepatrné, tedy v podstatě nulové. V síti TT je úbytek napětí o něco málo větší než napětí, které je na zemniči. Chyba je přitom na straně bezpečnosti, takže je možné ji zanedbat. Pouze při uplatnění metody pomocí sondy (která není příliš praktická) by se zjistilo poruchové napětí, tj. napětí na odporu zemniče.

2. Dotykové napětí je většinou pouze částí poruchového napětí (tj. napětí na zemniči a celém ochranném vodiči) a jenom v nejnepříznivějším případě se rovná celému poruchovému napětí. Je změřeno a popř. vypočítáno pro I_Dn.

S uvedeným měřením souvisí i častá otázka, co vlastně vyvodit z údaje na měřicím přístroji, že dotykové napětí nebo odpor uzemnění je roven nule.

Jak již bylo častokrát vysvětlováno, každý měřicí přístroj má dolní mezní hodnotu, kterou ještě může s danou přesností ukázat (dolní mez měřicího rozsahu). Jestliže však naměřená hodnota leží pod touto mezí, je elektronicky zaokrouhlena na nulu. To je důležité při měření vědět a rovněž je nutné uvedené zobrazené nulové hodnotě správně porozumět.

Jestliže se tedy při měření v síti TN ukáže, že dotykové napětí U_d = 0, je možné usuzovat, že úbytek napětí na smyčce je v podstatě nulový a že spoje ochranného vodiče jsou zřejmě v pořádku (jedná se o informativní zjištění). Jestliže se však při měření v síti TN ukáže údaj U_d = 1 V…, 2 V…, 3 V, znamená to, že impedance smyčky je vysoká a že spoje ochranného vodiče zřejmě nejsou v pořádku.