Proudový chránič bez nadproudové ochrany

 

vydavatelství Hüthig & Pflaum Verlag GmbH München, upravil Ing. Josef Košťál, redakce Elektro

 

 

Protože proudové chrániče (RCD – Residu-al Current Device) bezpečně detekují i vel­mi malé proudy zemního zkratu, resp. spoje­ní na kostru a vypínají ve všech pólech, jsou velmi vhodnými přístroji pro ochranu osob a ochranu proti požáru. Proudový chránič však může být poškozen nebo zničen přetí­žením či zkratem. Vady v proudovém chrá­niči narušují, nebo dokonce zcela znemož­ňují jeho fungování, a je proto třeba zamezit vzniku těchto vad.

 

Pro vysvětlení ochrany čtyřpólovým prou­dovým chráničem (obr. 1) je v dalším textu popsána jeho konstrukce a princip činnosti v soustavě TN-S.

 

Všechny aktivní vodiče (L1, L2, L3 a N), které vedou od sítě k elektrickým zařízením chráněným proudovým chráničem, prochá­zejí součtovým měřicím transformátorem proudu. Tyto vodiče představují primární vi­nutí transformátoru. Za normálního stavu, tj. není-li v chráněném obvodu žádná závada (zemní zkrat/spojení na kostru), je v měřicím transformátoru geometrický, resp. vektorový součet proudů přitékajících a odtékajících roven nule. V tomto případě se rovná nule rovněž geometrický, resp. vektorový součet všech magnetických toků v jádře součtové­ho transformátoru (W). Při zemním zkratu/spojení na kostru za proudovým chráničem v síti TN-S dojde k porušení této rovnováhy (nulového stavu) a ochranným vodičem (PE) a zemí poteče vyrovnávací chybový proud k uzemněnému nulovému bodu napájecího transformátoru. V důsledku toho se výsledný magnetický tok již nebude rovnat nule. Tento nestacionární magnetický tok v jádře součto­vého transformátoru indukuje do sekundár­ního vinutí (WS) součtového transformátoru napětí. Protože sekundární vinutí tvoří uza­vřený obvod, bude jím protékat také proud. Tímto způsobem se vybudí cívka elektromag­netického vypínače (A) a uvede se do činnos­ti zámek vypínače (S). Konečným důsledkem těchto procesů je pak vypnutí proudového chrániče na všech pólech.

 

Na základě uvedeného principu fungování nemusí proudový chránič při bezporuchovém stavu chráněného elektrického zařízení vůbec zaregistrovat provoz při přetížení. Proudový chránič nezaznamená přetížení, ani když pro­vozní proud překročí několikanásobně hod­notu jmenovitého proudu a v důsledku tohoto stavu dojde k poškození jeho kontaktů. Toto proudové přetížení totiž nenarušuje zmíněnou elektromagnetickou rovnováhu.

 

V katalozích výrobců lze u technických údajů najít např. tuto informaci: „…max. provozní proud nesmí překročit jmenovitý proud proudového chrániče.“ Z tohoto vy­plývá, že proudový chránič je třeba chrá­nit před přetížením. Toto lze řešit buď ome­zeným počtem výkonových jističů zapoje­ných v sérii, nebo vhodnou nadproudovou ochranou.

 

Při řešení ochrany před přetížením čtyřpó­lového proudového chrániče, který je použit ke skupinové ochraně proudovými chrániči, používají elektrotechnici v praxi většinou tav­né pojistky s charakteristikou gG (dříve gL). Tyto pojistky jsou určeny především k ochra­ně kabelů a vedení před přetížením. K ochra­ně proudového chrániče před přetížením jsou však méně vhodné.

 

Pro lepší objasnění tohoto problému je v dalším textu analyzováno skupinového za­pojení proudových chráničů (obr. 2). V tom­to zapojení je čtyřpólový proudový chránič se jmenovitým proudem I_{n= 63 A a se jme­novitým chybovým proudem 30 mA chráněn před přetížením tavnou pojistkou 63 A s cha­rakteristikou gG.}

 

Na základě standardních dob a proudů (podle DIN VDE 0636, idt IEC 60269 Pojist­ky nízkého napětí), které určují chování tav­ných pojistek při přetížení, nesmí tavná pojist­ka se jmenovitým proudem 63 A a s charakte­ristikou gG přerušit zatěžovací proud 78,75 A (tj. nevybavovací proud I_{nf) v délce trvání 1 h.Tento typ tavné pojistky musí však bezpeč­ně zareagovat (vypnout) zatěžovací proud 100,8 A (tj. vybavovací proud If) v době krat­ší než 1 h. Oba standardní proudy tavné po­jistky překračují přitom významně jmenovi­tý proud proudového chrániče 63 A. Použi­je-li se k ochraně před přetížením u stejného proudového chrániče předřadný selektivní hlavní jistič vedení se jmenovitým proudem 63 A, vybavovací charakteristikou E a jme­novitým spínacím proudem 25 kA (obr. 3),situace se změní.}

 

Podle zkušebních dob a zkušebních prou­dů (podle DIN VDE 0645), které určují cho­vání selektivních hlavních jističů vedení při přetížení, nesmí selektivní hlavní jistič vedení se jmenovitým proudem 63 A přerušit zatě­žovací proud 66,15 A v délce trvání 2 h. Ten­to jistič musí však bezpečně zareagovat (vy­pnout) při zatěžovacím proudu 75,6 A v době kratší než 2 h.

 

Při srovnání selektivního hlavního jističe vedení s tavnou pojistkou se stejným jmeno­vitým proudem lze konstatovat, že také oba standardní proudy tohoto jističe překračují jmenovitý proud proudového chrániče, i když ne tak výrazně.

 

Hodnoty zkušebních proudů a zkušebních dob tavných pojistek 63 A/gG a 50 A/gG, jis­tičů vedení 63 A/B, jakož i selektivních hlav­ních jističů vedení 63 A/E a 50 A/E jsou uve­deny v tab. Při jejich porovnání lze zjistit, že u všech tří nadproudových ochran (tavná po­jistka, jistič vedení a selektivní jistič vede­ní) se jmenovitým proudem odpovídajícím jmenovitému proudu proudového chrániče existuje možnost proudo­vého přetížení chrániče. Nejpřízni­vější situaci s ohledem na ochranu před přetížením proudového chrá­niče představuje zapojení s předřa­zeným selektivním hlavním jisti­čem vedení.

 

Na základě principu fungování je proudový chránič schopen dete­kovat pouze zkraty mezi fázovým vodičem a ochranným vodičem (viz chyba F1 na obr. 1). Nezjistí však již dvou- nebo třípólové zkraty mezi fázovými vodiči ani zkraty mezi fá­zovým vodičem a neutrálním (nu­lovým) vodičem (viz chyby F2, F3 a F4 na obr. 1).

 

Dokonalé zkraty mezi fázovým vodičem a ochranným vodičem, kte­ré proudový chránič detekuje, však velmi často svým zkratovým zatí­žením překračují hodnotu jmenovi­té chybové spínací schopnosti I_{Dm, resp. zkratové odolnosti proudové­ho chrániče proti chybovému prou­du. V} těchto případech musí prou­dový chránič ale také u zkratů, které vůbec nedetekuje, spínat a přenášet chybové zkra­tové proudy bez poškození až do okamžiku, než nějaká vhodná předřazená nadproudová ochrana přeruší zkratovou cestu. Takováto nadproudová ochrana musí ovšem zaručo­vat, že jmenovitý podmíněný chybový zkra­tový proud I_{DC, resp. jmenovitý podmíněný zkratový proud InC příslušného proudového chrániče nebude v} žádném případě překročen.

 

Výrobci proudových chráničů jsou podle DIN VDE 0664 Část 10 povinni uvádět tepel­nou a dynamickou zkratovou odolnost prou­dových chráničů bez vestavěné nadproudové ochrany. Nejsou-li tyto hodnoty výrobcem uvedeny, platí nejmenší hodnoty, které jsou uvedeny v tab. 15 normy DIN VDE 0664-10 (idt IEC 61008-1 Proudové chrániče bez ve­stavěné nadproudové ochrany pro domovní a podobné použití (RCCB) – Část 1: Všeobecná pravidla).

 

Výrobci uvádějí v katalozích těchto pří­strojů efektivní hodnotu střídavé složky ne­ovlivněného zkratového proudu, do které je příslušný proudový chránič při zkratu chráněn při použití určité nadproudové ochrany. Do­poručuje se tuto hodnotu porovnat s vypočte­nou hodnotou zkratového proudu. Tímto způ­sobem lze zajistit dodržení zkratové pevnosti proudového chrániče.

 

V současné době je kladen stále větší dů­raz na selektivní vypínání zkratů v rozvodné síti. Tak by měly být dokonalé zkraty v mís­tech poruchy F6 a F7 (obr. 2 a obr. 3) odpo­jeny jističem vedení, a ne tavnou pojistkou, resp. selektivním jističem. Kromě dostatečné jmenovité vypínací schopnosti jističe vedení je požadováno také jeho selektivní chování za podmínek zkratu mezi ním a nadřazenou tavnou pojistkou, resp. selektivním jističem.

 

Tavné pojistky a jističe vedení mají – na základě rozdílné konstrukce a rozdílné­ho způsobu účinkování – také rozdílné vyba­vovací charakteristiky. Vzájemná selektivita je splněna, je-li specifická propustná energie následně zapojeného jističe vedení menší než specifická tavná energie nadřazené tavné po­jistky, resp. je-li Jouleův integrál (integrál propustné energie) jističe vedení menší než tavný integrál tavné pojistky:

 

rovnice (1)

 

U skupinové konfigurace proudových chráničů podle obr. 2 jde o sériové zapojení tavné pojistky 63 A/gG, čtyřpólového prou­dového chrániče 63 A/30 mA a dále ještě jističe vedení 16 A/B/10 kA. V tomto pří­padě leží tzv. mez selektivity na efektivní hodnotě střídavé složky zkratového proudu 2 900 A. Jak však již bylo zmíněno, není tím automaticky dána ochrana proudové­ho chrániče před přetížením. Proto by se zde použila tavná pojistka 50 A/gG a mez selektivity by se pak nacházela na hodno­tě 2 000 A.

 

U sériového zapojení tavné pojistky 35 A/gG, proudového chrániče 40 A/30 mA a jističe vedení 16 A/B/10 kA by se snížila mez selektivity na efektivní hodnotu střídavé složky zkratového proudu 1 300 A.

 

Je-li k dispozici pro ochranu proudového chrániče 63 A/30 mA selektivní hlavní jistič vedení 63 A/E/25 kA (obr. 3), bude dodrže­na selektivita mezi tímto jističem a následně zapojeným jističem vedení do jmenovité vy­pínací schopnosti jističe vedení.

 

Proudový chránič se zabudovanou nad­proudovou ochranou RCBO (Residual Cur­rent circuit-Breaker with Overcurrent protection) podle DIN VDE 0664-20 (EN 61009-1 Proudové chrániče s vestavěnou nadproudo­vou ochranou pro domovní a podobné použití (RCBO) – Část 1: Všeobecná pravidla) jako kombinace proudového chrániče a jističe ve­dení se jmenovitým proudem 63 A a jmeno­vitým chybovým proudem 30 mA, vybavova­cí charakteristikou B a jmenovitou vypínací schopností např. 15 kA by byla pro ochranu stejné skupiny zásuvkových obvodů s ohle­dem na selektivitu méně vhodná, protože uva­žované selektivní chování by bylo možné jen do efektivní hodnoty střídavé složky zkrato­vého proudu 315 A.

 

Nachází-li se rozdělení v elektrické blíz­kosti nízkonapěťového hlavního rozvodu, kte­rý je napájen z několika paralelně spojených transformátorů (a jehož přípojnicový sys­tém není rozdělen), musí se zkratová ochra­na proudového chrániče velmi pečlivě ověřit a specifikovat.

 

Na základě uvedeného příkladu z praxe lze konstatovat, že tavná pojistka, jejíž jmenovitý proud je roven jmenovitému proudu proudové­ho chrániče, nemůže plnit funkci ochrany před přetížením proudového chrániče bez nadprou­dové ochrany. Může ale v mnoha případech za­jišťovat zkratovou ochranu. Tam, kde lze před­pokládat velká zkratová zatížení, je proto třeba situaci pečlivě analyzovat a teprve na základě zjištěných skutečností ji dále řešit.

 

Obr. 2. Čtyřpólový proudový chránič 63 A//30 mA bez vestavěné nadproudové ochrany (RCCB) k ochraně skupiny střídavého zá­suvkového obvodu – jištění tavnou pojistkou 63 A/gG (jednopólové zobrazení)
Obr. 3. Čtyřpólový proudový chránič 63 A//30 mA bez vestavěné nadproudové ochrany (RCCB) k ochraně skupiny střídavého zásuv­kového obvodu – jištění selektivním hlavním jističem vedení 63 A/E/25 kA (jednopólové zobrazení s dokonalými zkraty F5 až F7)