Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 12/2016 vyšlo tiskem
7. 12. 2016. V elektronické verzi na webu od 6. 1. 2017. 

Téma: Měření, měřicí přístroje a měřicí technika; Zkušebnictví a diagnostika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu (2. část – dokončení)

Aktuality

Svítící fasáda FEL ČVUT nabídne veřejnosti interaktivní program s názvem Creative Colours of FEL Dne 13. prosince v 16.30 hodin se v pražských Dejvicích veřejnosti představí interaktivní…

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Více aktualit

Proudové chrániče v instalacích s laickou obsluhou

Ing. Milan Hubálek, Ph.D., Eaton Elektrotechnika, s. r. o.
 
Proudové chrániče a jejich použití již od svého počátku často vyvolávají různé více či méně vášnivé diskuse o jejich vhodnosti a možných problémech. Tyto diskuse ob­vykle vznikají z důvodu špatného pochopení či přecenění funkce těchto prvků.
 
V posledních několika letech s vydáním no­vých verzí norem, jako např. ČSN 33 2000-4-41 ed. 2, ČSN 33 2130 ed. 2 či vybraných částí ČSN 33 2000-7-7xx, byly v oblasti povinné­ho použití proudových chráničů zpřísněny po­žadavky. Z uvedených norem vyplývá obecně povinné použití chráničů se jmenovitým rezi­duálním proudem 30 mA pro všechny jedno­fázové zásuvkové okruhy do 20 A a všechny třífázové zásuvkové okruhy do 32 A. Zmíně­ná ČSN 33 2130 ed. 2 navíc vyžaduje použi­tí chrániče se jmenovitým reziduálním prou­dem 100 mA pro třífázové zásuvkové okru­hy nad 32 A jmenovitého proudu. Společným jmenovatelem povinného použití chrániče je ve všech těchto případech přítomnost laické obsluhy. To se netýká pouze bytů, ale i ko­merčních objektů.
 
Odpůrci používání proudových chráničů se v nových normách zaměřují zejména na části, které popisují možné výjimky s odka­zem, na který je možné se instalaci chrániče vyhnout. Jsou jimi zejména obecná výjimka z ČSN 33 2000-4-41 ed. 2 v případě rizika značných škod (rozumějme ekonomických) a česká národní výjimka z ČSN 33 2000-7-701 ed. 2 pro pevně uložený ohřívač teplé vody. V těchto případech je však nutné mít na paměti, že využitím zmíněných výjimek jsou upřednostňovány ekonomické zájmy před ochranou osob, což musí být odborník schopen obhájit. Zcela jistě však nelze argu­mentovat, že zamezení znehodnocení potra­vin v hodnotě stovek či jednotek tisíců korun v chladničce při případném vybavení chrániče je dostatečným důvodem pro omezení opatře­ní na ochranu osob před úrazem elektrickým proudem. Nesmyslnost tohoto důvodu nyní potvrzují i právní analýzy této otázky. Je ne­zbytné říci, že požadavky na ochranu osob a ekonomické zájmy rozhodně nemusí jít při použití proudových chráničů proti sobě, jest­liže je při navrhování instalace řádně vnímá­na funkce chrániče.
 

Jak proudový chránič funguje

 
Proudový chránič je principiálně jednodu­chý, avšak funkčně naprosto uni­kátní prvek. Funkce proudového chrániče jakékoliv konstrukce je založena na vektorovém součtu všech proudů, které protékají vo­diči vedenými skrz měřicí trans­formátor chrániče. V klasickém případě, kdy za chráničem je za­pojen prvek s čistě spotřebičovou charakteristikou, plyne z prvního Kirchhoffova zákona, že vektoro­vý součet proudů tekoucích v obou směrech musí být vždy nula, pokud neexistuje proudová dráha odvádě­jící proud v jednom směru mimo sčítací obvod chrániče. Takovou­to drahou může být právě nešťast­ník, který se dotkl obvodu pod na­pětím a jehož tělem začal prochá­zet proud, který se ke svému zdroji vrací přes uzemnění. Je však nut­né pamatovat i na skutečnost, že např. rušivé harmonické složky, které jsou přes filtr od­váděny do ochranného vodiče, jenž v obvyk­lých aplikacích není veden sčítacím obvodem, taktéž způsobují nenulový vektorový součet. Z hlediska zákona zachování energie musely do spotřebiče přitéci přes proudový chránič, byť zdánlivě na jiné frekvenci. Z uvedeného principu vyplývají základní funkční vlastnos­ti proudových chráničů. Unikátním parame­trem je dynamický rozsah těchto prvků. Do­kážou identifikovat rozdíl přitékajících a zpět­ných proudů v hodnotě desítek miliampérů v obvodech se jmenovitými proudy až stovek či tisíc ampérů, tj. dynamický rozsah je v současnosti běžně až 105. Z principu čin­nosti jsou proudové chrániče jedinými prv­ky, které dokážou velmi rychle vypnout i při kontaktu člověka se živou částí obvodu, byť tělový proud je řádově menší než běžné pra­covní proudy obvodu. Tato vlastnost je důvo­dem, proč mají proudové chrániče v oblasti ochrany osob před úrazem elektrickým prou­dem svou nezastupitelnou úlohu.
 
Z pohledu ochrany osob je zásadním pa­rametrem proudového chrániče rychlost jeho vypnutí. Je důležité si uvědomit, že proudový chránič není prvek omezující velikost prou­du. Pouze musí zaručit, že reziduální proud příslušné velikosti je při použití pro ochra­nu osob přerušen dříve, než způsobí zraně­ní zasažené osoby. Typický tělový proud při zásahu napětím 230 V je přibližně 150 mA. Jelikož proudový chránič musí vybavovat v rozsahu 50 až 100 % svého jmenovitého reziduálního proudu, je zjevné, že použití 10mA chrániče namísto předepsaného 30mA v běžných aplikacích v podstatě nijak ne­zvyšuje ochranu osob. Tělový proud je totiž v obou případech mnohonásobně větší než proud vybavovací. U chrániče klasické konstrukce je rychlost vypnutí více závislá na ak­tuální polaritě reziduálního proudu (vypnout může vždy pouze během půlperiody s pola­ritou, jejíž magnetické pole působí proti poli permanentního magnetu) než na jeho jmeno­vitém reziduálním proudu. Oba typy však vy­baví v předepsaném čase do 40 ms. Naproti tomu z vypínacích charakteristik jasně vyplý­vá, že při typickém tělovém proudu chránič se jmenovitým reziduálním proudem 100 mA již neposkytuje požadovanou ochranu. Na tom­to místě je vhodné vyvrátit jednu paradoxně poměrně častou domněnku. Proudový chránič v žádném případě nedokáže zamezit zásahu člověka elektrickým proudem. I pro něj pla­tí princip kauzality – nedokáže předvídat, že se někdo dotkne vodiče pod napětím. Když se tak však stane, velmi rychle přeruší elek­trický obvod. Člověk je tak proudem zasažen, ale jen po velmi krátkou dobu.
 

Výjimky z norem

 
Vybavení jakéhokoliv jisticího prvku, včetně proudového chrániče, znamená pře­rušení dodávek elektrického proudu. To má v některých situacích nepříjemné dopady. V případě proudových chráničů je, alespoň teoreticky, situace o to horší, že kromě žá­doucích vybavení může chránič vypnout i v době, kdy žádný poruchový proud nena­stal. Právě z těchto důvodů normy uvádějí možné výjimky, kdy chrániče nemusí být použity. Nežádoucí přerušení napájení obvo­dů lze rozdělit do dvou kategorií. První jsou situace, kdy vlivem i žádoucího vybavení chrániče vypadne napájení i pro nezasaže­né části elektroinstalace, kde je však odpo­jení napájení z určitého důvodu nevhodné. Druhé jsou situace, kdy zařízení svou při­rozenou bezporuchovou činností způsobu­jí reziduální proudy, které mají dostatečnou intenzitu pro vybavení chrániče. Ten vnímá pouze reziduální proud a není schopen roz­lišit, zda jde o reziduální proud poruchový, či neporuchový.
 
Prvním příkladem výjimky je pevně ulo­žený ohřívač teplé vody v koupelně, viz ČSN 33 2000-7-701 ed. 2. Jde o situaci, kdy vlast­ní provoz takovéhoto spotřebiče může způso­bit vybavení chrániče. Topná tělesa umístěná přímo v ohřívané vodě nemají nulový nepo­ruchový reziduální proud. To vyplývá z fy­zikální podstaty. Je totiž více než kompliko­vané vyrobit izolaci topného tělesa tak, aby byla současně dokonalým tepelným vodičem i ideálním elektrickým izolantem. Zejména u starších ohřívačů může nastat situace, kdy takto vzniklý reziduální proud je dostateč­ný pro vybavení chrániče. Nicméně bezhla­vé uplatnění výjimky má svá úskalí. Předně, s ohledem na platné normy spotřebič s uni­kajícím proudem intenzity schopné vybavit 30mA proudový chránič, tj. min. 15 mA, by vůbec neměl být provozován. Je zjevné, že není-li provozován nedovolený spotřebič, sa­motný ohřívač vybavení chrániče způsobit ne­může. Příčinou problému i jeho odstraněním je slučování, resp. neslučování více potenciálně problematických spotřebičů pod jeden chránič. Z ČSN 33 2000-7-701 ed. 2 navíc dále vyplývá, že v typicky provedené kou­pelně musí být proudovým chráničem chrá­něny všechny vodiče, např. i napájecí kabely osvětlení. Neuváženým uplatněním probíra­né výjimky jsou obvykle porušeny dva jiné požadavky na danou část elektroinstalace stanovené normou.
 
Dalším často zmiňovaným případem uplatnění obecné výjimky stanovené v ČSN 33 2000-4-41 ed. 2 je chladnička či mraznička s potravinami. Zde je třeba zopakovat, že ochrana domácí zásoby potravin rozhodně není ekonomickou hodnotou, která může odů­vodnit snížení ochrany osob před úrazem elek­trickým proudem. Kompresorové chladničky jsou typem spotřebiče, pro který z hlediska jeho funkce není vhodný dlouhodobý výpa­dek napájení, ale zároveň spotřebič samotný dokáže způsobit nežádoucí vybavení proudo­vého chrániče. Jak se s tím vypořádat bez vy­užití velmi diskutabilní výjimky? Relativně jednoduše. Nežádoucí vybavení jsou způsobe­na rázovým proudem vznikajícím při zapnutí kompresoru. Stačí tedy použít chránič s vyšší odolností proti těmto proudům, tj. typ G. Od­pojení napájení vlivem poruchy v jiné části instalace se zamezí opět vhodným návrhem, kdy nejsou nesmyslně zapojovány nesouvi­sející okruhy pod činnost jednoho chrániče. V neposlední řadě, v případě, že obsah lednič­ky má velkou hodnotu, lze využít zařízení pro automatickou obnovu napájení. V sortimentu firmy Eaton je takovýto prvek k dispozici; je jím motorový pohon s automatickým režimem Z-FW-LP (obr. 3).
 
Třetí typickou oblastí, která je v souvis­losti s využitím výjimek často uváděna, je výpočetní technika. Problémy jsou opět dva. Jednak i krátkodobý výpadek napájení způ­sobí výpadek počítače. Zde je ale třeba při­znat, že tento možný problém by měl být ře­šen i v případě, kdy by žádný chránič použit nebyl. Použití záložního zdroje UPS problé­my krátkodobých výpadků napájení vyře­ší, při dlouhodobých tyto zdroje poskytnou dostatečně dlouhou dobu pro řádné ukonče­ní aplikací a vypnutí počítače. Problémem, který ale přímo souvisí s proudovými chrá­niči, jsou spínané zdroje. To je společné pro velkou většinu moderních spotřebičů. Stolní a sálové počítače však nejsou zařízení třídy II,a tudíž musí mít připojen i ochranný vo­dič. Vyšší harmonické generované spínaný­mi zdroji mohou být odváděny filtrem částeč­ně i do ochranného vodiče a jsou proudovým chráničem vnímány jako proudy reziduální.
 
Jelikož ale i PC musí splňovat požadavky na maximální velikost unikajícího proudu, je snadné problém vyřešit. Jednoduše lze vypo­čítat maximální počet takovýchto rizikových spotřebičů zapojených na jeden chránič tak, aby součet neporuchových unikajících prou­dů nezpůsobil jeho vybavení.
 
Důležitým obecným aspektem při případ­ném uplatnění výjimky z norem je skutečnost, že když bude pro určitý spotřebič a jemu pří­slušný zásuvkový okruh výjimka uplatněna, je nutné zajistit, aby příslušná zásuvka byla z hlediska laické obsluhy vyhrazena právě jen pro tento daný spotřebič. Jak lze splnění tohoto požadavku zajis­tit např. v bytech, kde se pohybu­jí děti, nechme na fantazii čtenáře.
 

Jak navrhovat proudové chrániče

 
Nejčastějším problémem, kte­rý způsobuje nežádoucí vybavení proudového chrániče, je neuvážené slučování mnoha okruhů pod jeden proudový chránič. Je příznačné, že osoba, která se odvolává na národ­ní výjimku pro nepoužití chráni­če pro ohřívač vody a zdůvodňuje to jako nezbytné funkční opatření, dokáže navrhnout jeden čtyřpólo­vý 30mA chránič jako centrální pro rodinný dům. Centrální proudový chránič pro rodinný dům je zcela jistě doporučeným a vhodným řešením, ale pouze pokud má jmenovitý reziduální proud 300 mA, a neřeší tedy hledisko ochrany osob před úrazem elektrickým proudem. Z uvede­ného popisu fungování proudového chrániče plyne další důležitý, byť obecně opomíjený aspekt. Zcela odlišné chování, ale tím i úro­veň bezpečnosti osob, má použití tří samo­statných dvoupólových chráničů pro tři okru­hy napájené z různých fází a zcela jiné pou­žití jednoho čtyřpólového chrániče pro tyto okruhy. Vektorový součet reziduálních prou­dů z různých fází totiž dává výrazně odlišný výsledek než součet aritmetický. O dopadu na provozní spolehlivost celé elektroinstala­ce u těchto dvou odlišných přístupů ani není třeba diskutovat.
 
Obecná zásada tedy je, navrhovat prou­dové chrániče v kontextu celé elektroinstala­ce tak, aby součty neporuchových reziduál­ních proudů nezpůsobovaly jejich nežádou­cí vybavení, aby nevypínaly nezasažené, ale provozně důležité části elektroinstalace při problému ve zcela jiné části, a rovněž uči­nit taková technická opatření, která dokážou zajistit napájení důležitých obvodů při (i žá­doucím) vybavení chrániče. To pak zname­ná, že není dostačující navrhovat zásuvkový okruh pouze do úrovně zásuvek, ale projek­tant by měl znát i vlastnosti potenciálně při­pojených spotřebičů.
 
 
Obr. 1. Proudový chránič řady Moeller PF7
Obr. 2. Digitální proudový chránič řady Moeller dRCM
Obr. 3. Motorový pohon s automatickým režimem Z-FW-LP