Ochrana před úrazem elektrickým proudem

Střední škola, Havířov-Šumbark, Sýkorova 1/613, příspěvková organizace Ochrana před úrazem elektrickým proudem Ing. Pavel Chmiel, Ph.D.

OBSAH VÝUKOVÉHO MODULU 1. Základní pojmy. 2. Prostředky ochrany při poruše elektrického zařízení. 3. Přehled opatření pro ochranu před úrazem elektrickým proudem. 4. Princip a použití proudového chrániče. 2

ZÁKLADNÍ POJMY Elektrické zařízení je zařízení, které ke své činnosti využívá elektrický proud. Skládá se z elektrických obvodů, elektrické instalace a elektrických předmětů (např. zdroj, spotřebič atd.). Elektrický spotřebič el. obvod nebo zařízení, ve kterém se elektrická energie mění na jiný druh energie (světelnou, tepelnou, mechanickou, akustickou atd.). Bezpečnost elektrických zařízení je souhrn takových opatření, aby el. zařízení nezpůsobilo škody na zdraví nebo na majetku. 3

ZÁKLADNÍ POJMY Z hlediska úrazu elektrickým proudem má každé el. zařízení tyto části: živé části při běžném užívání el. zařízení jsou určeny k vedení elektrického proudu (např. pracovní vodiče, svorky, propojky atd.) a jsou tedy standardně pod napětím. neživé části je vodivá část el. zařízení, které se lze dotknout a při běžném užívání (bezporuchový stav) nejsou určeny k vedení elektrického proudu. Při poruše se zde může objevit el. napětí! (např. ochranný vodič, kovový kryt spotřebiče atd.) 4

ZÁKLADNÍ POJMY Pracovní vodič vodič v elektrické síti, který slouží k přenosu elektrické energie: (L) fázový vodič (N) střední pracovní vodič, spojen s uzlem zdroje Ochranný vodič neslouží k přenosu elektrické energie, jeho funkce je čistě ochranná (PE) 5

ZÁKLADNÍ POJMY Střídavá jednofázová soustava Střídavá třífázová soustava 6

ZÁKLADNÍ POJMY Prostory z hlediska nebezpečí úrazu elektrickým proudem Normální vnější vlivy nezvyšují nebo snižují riziko úrazu el. proudem (sucho, teplo, nevodivé okolí). Nebezpečné působením vnějších vlivů je buď přechodné nebo stálé nebezpečí úrazu el. proudem (extrémní teplota, vlhkost, vodivé okolí). Zvlášť nebezpečné působením zvláštních okolností a vnějších vlivů trvale hrozí nebezpečí úrazu el. proudem (např. prostory mokré se slanou vodou, extrémní teploty, vodivé okolí, hořlaviny). 7

ZÁKLADNÍ POJMY Prostory z hlediska nebezpečí úrazu elektrickým proudem Prostory (+dotyk částí zařízení) Normální a nebezpečné Živé části Kryty izolované od živých částí Zvlášť nebezpečné Živé části Kryty izolované od živých částí střídavé napětí 25 V 50 V --- 12 V stejnosměrné napětí 60 V 120 V --- 25 V 8

ZÁKLADNÍ POJMY Zemnič vodivé těleso uložené do země tak, aby vytvořilo vodivé spojení se zemí. Uzemnění vodivé spojení živých nebo neživých částí se zemí. Ochranné uzemnění přímé spojení neživých částí elektrického zařízení se zemí, za účelem ochrany před nebezpečným dotykem. Pracovní uzemnění přímé uzemnění některé části proudového obvodu (např. uzlu zdroje, středního vodiče) nebo nepřímé uzemnění přes svodiče přepětí 9

ZÁKLADNÍ POJMY 10

Elektrické rozvodné sítě ZÁKLADNÍ POJMY Základní označení elektrických rozvodných sítí je mezinárodně stanoveno a je dvoupísmenové: -TN -TT -IT Rozvodná síť TN nese v označení další písmeno (C, S, C-S) s doplňující informací. 11

ZÁKLADNÍ POJMY XX X 3. písmeno: určuje uspořádání vodiče N a PE S: vodičepe a N jsou odděleny (S = séparé; oddělený) C: vodiče PE a N jsou spojeny do jednoho vodiče PEN (C = combiné; kombinovaný) 2. písmeno: určuje způsob ochrany neživé části el. zařízení T: neživá část je přímo uzemněna (T = terré; země) N: neživá část je připojena na ochranný vodič (N = neutré; neutrální) 1. písmeno: určuje způsob provozování uzlu zdroje T: uzel zdroje (soustavy) je uzemněný (T = terré; země) I: uzel zdroje (soustavy) je izolovaný (I = isolé; izolovaný) 12

Elektrické rozvodné sítě TN ZÁKLADNÍ POJMY Sítě TN-S a TN-C-S jsou v současné době nejrozšířenějším provedením rozvodné soustavy v ČR. T uzemněný uzel zdroje (soustavy) N neživé části jsou spojeny s uzlem zdroje pomocí ochranného vodiče PE, popřípadě PEN. C, S Doplňující písmena upřesňují uspořádání vodičů PE, N. 13

Elektrické rozvodné sítě TN ZÁKLADNÍ POJMY 14

ZÁKLADNÍ POJMY TN C S V první části sítě jsou vodiče PE a Nsloučeny do jediného vodiče (TN-C). V další části sítě jsou oba vodiče vedeny odděleny (TN-S). Poté se již nesmí opět spojit! 15

Elektrické rozvodné sítě TT ZÁKLADNÍ POJMY Síť TT se používá v ČR v některých oblastech jižní Moravy, v některých oblastech Německa, ve Francii a v dalších zemích jižní Evropy. T uzemněný uzel zdroje (soustavy) T neživé části jsou uzemněny 16

ZÁKLADNÍ POJMY 17

Elektrické rozvodné sítě IT ZÁKLADNÍ POJMY V síti IT je střed zdroje izolován a neživé části jsou spojené se zemí nebo mohou být navzájem pospojovány, ale neuzemněny V případě poruchy (poškození izolace) zde nevzniká jednofázový zemní zkrat, protože poruchový proud se nemá kudy uzavřít, ale vzniká tzv. zemní spojení. Síť obvykle provozujeme dál a pracujeme na odstranění poruchy. Poruchu signalizuje tzv. hlídač izolačního stavu. 18

ZÁKLADNÍ POJMY 19

ZÁKLADNÍ POJMY Zapojení zásuvek v jednotlivých rozvodných sítích 20

ZÁKLADNÍ POJMY Třídy ochran elektrických předmětů Ochrany je dosaženo kombinací konstrukčního uspořádání zařízení a přístrojů spolu se způsobem instalace. Pojem třída ochrany se vztahuje na ochranu neživých částí elektrických předmětů. Rozlišujeme čtyři třídy 0, I, II a III. 21

ZÁKLADNÍ POJMY Třída 0 Zařízení se základní izolací jako prostředkem základní ochrany a bez jakéhokoliv opatření pro ochranu při poruše. V ČR a EU se nesmí používat! 22

ZÁKLADNÍ POJMY Třída I Neživé části (el. vodivé kryty), na kterých by se mohlo při poruše objevit nebezpečné dotykové napětí, jsou připojeny na ochranný vodič. např. lednice, pračka, osobní počítač, elektrická trouba atd. 23

ZÁKLADNÍ POJMY Třída II Neživé části jsou pro případ jedné poruchy chráněny dvojitou nebo zesílenou izolací. Kryt je z elektricky nevodivého materiálu. K instalaci se tyto spotřebiče (jednofázové) připojují dvouvodičově. např. televizní přijímač, fén, šlehač, nabíječka mobilu atd. 24

ZÁKLADNÍ POJMY Třída III Dotyk na živé ani neživé části el. zařízení není nebezpečný. Používá se napájení ze zdroje bezpečného napětí (SELV, PELV, baterie). např. digitální fotoaparát, dětské hračky, mobil, hodinky atd. 25

Obvody SELV a PELV ZÁKLADNÍ POJMY SELV: Safe Extra-Low Voltage PELV: Protective Extra-Low Voltage U těchto obvodů a jejich zdrojů nemůže přesáhnout napětí horní hranici bezpečného napětí pro daný prostor. Obvody SELV nebo PELV jsou odděleny od všech ostatních sítí jiných než SELV a PELV, používají vidlice a zásuvky nezaměnitelné s jinými rozvody. 26

Obvody SELV a PELV ZÁKLADNÍ POJMY Živé části obvodů SELVjsou od sebe navzájem elektricky odděleny, neživé části nesmějí být uzemněné nebo spojené s ochrannými vodiči nebo s cizími vodivými částmi. Obvody PELVjsou podobné obvodům SELV, neživé části jsou vzájemně pospojovány a mohou být uzemněny, 27

Přehled ochranných prostředků před úrazem el. proudem Norma ČSN EN 61140 ed. 2 a ČSN 332000-4-41 ed. 2 rozeznává prostředky: základní ochrany (dříve ochrana před dotykem živých částí), prostředky ochrany při poruše (dříve ochrana před dotykem neživých částí). 28

Prostředky základní ochrany 1. základní izolace 2. přepážky a kryty 3. zábrany 4. ochrana polohou 5. omezení napětí 6. omezení proudu a náboje 29

1. Základní izolace Izolace nebezpečných živých částí, tepelně i mechanicky odolná. Je navržena na jmenovité izolační napětí, lze odstranit zničením. 30

2. Přepážky a kryty Kryty poskytují ochranu před přímým dotykem s živými a pohybujícími se částmi a dosahuje se jimi ochrana před poškozením vniknutím cizích předmětů, prachu, vody, plynů apod. 31

2.1 Stupeň krytí Stupeň ochrany se udává pomocí IP kódu (International Protection): 32

33

Stupeň ochrany před dotykem nebezpečných částí a před vniknutím cizích pevných těles 0 nechráněno 0 nechráněno 1 2 3 4 před vniknutím pevných cizích těles o průměru 50 mm a větších a před dotykem hřbetem ruky před vniknutím pevných cizích těles o průměru 12,5 mm a větších a před dotykem prstem před vniknutím pevných cizích těles o průměru 2,5 mm a větších a před dotykem nástrojem před vniknutím pevných cizích těles o průměru 1 mm a větších a před dotykem drátem 5 před prachem a před dotykem drátem 5 Stupeň ochrany před vniknutím vody 1 2 3 4 svisle kapající voda kapající voda ve sklonu 15 kropení, déšť stříkající voda tryskající voda 6 prachotěsnost 6 7 intenzivně tryskající voda dočasné ponoření 8 vodotěsnost 34

3. Zábrany Brání neúmyslnému přiblížení osoby k živým částem a nahodilému dotyku živých částí. Provedení: uzamčením nebo neodnímatelným, dostatečně pevným a vysokým ohrazením. 35

4. Ochrana polohou Umístění nebezpečných živých částí mimo dosah ruky. Brání nahodilému přímému dotyku. 36

4. Ochrana polohou 37

5. Omezení napětí Ochrana bezpečným napětím (třída ochrany el. předmětů III). Dotyk na živé ani neživé části el. zařízení není nebezpečný. Používá se napájení ze zdroje bezpečného napětí (SELV, PELV, baterie). 38

5. Omezení napětí Napájení spotřebiče třídy III z elektrické sítě: 39

5. Omezení napětí Napájení spotřebiče třídy III z elektrické sítě: 40

6. Omezení proudu a náboje maximální bezpečný stejnosměrný proud 10 ma maximální bezpečný střídavý proud 3,5 ma maximální nashromážděný náboj pro dotyk 50 µc 41

Prostředky ochrany při poruše přídavná izolace nevodivé okolí ochranné pospojování ochranné stínění jednoduché oddělení obvodů automatické odpojení od zdroje 42

1. Přídavná izolace Ochrana je zajišťována: el. zařízením s dvojitou nebo zesílenou izolací označené značkou, Doplnění el. zařízení se základní izolací přídavnou izolací. 43

Příklad přídavné izolace:

Požadavky na izolaci (resp. kryty): Izolační kryt musí odolávat mechanickým, elektrickým a tepelným namáháním, povrchové úpravy barvou nebo nevodivým lakem se nepovažují za dostatečnou izolaci, izolačním krytem nesmí procházet vodivé části, na kterých se může v případě poruchy objevit nebezpečné dotykové napětí, náhrada šroubů z izolačního materiálu kovovými nesmí narušit izolační stav, vodivé části umístěné v krytu nesmí být spojeny s PE vodičem, kryt nesmí mít nepříznivý vliv na funkci zařízení. 45

2. Ochrana nevodivým okolím Zabraňuje současnému dotyku s částmi o různém potenciálu. Neživé části musí být uspořádány tak, aby se za běžných podmínek osoby nemohly dotýkat současně: - dvou neživých částí, - neživé části a kterékoliv cizí vodivé části, pokud tyto části mohou mít různý potenciál. Za dostatečnou se považuje vzdálenost 2,5 m nebo při umístění mimo hranici dosahu ruky 1,25 m (vzdálenost lze snížit pomocí vhodných izolačních zábran). 46

V prostorách s nevodivým okolím nesmí být ochranný vodič PE. Řešení musí být trvalé. 47

3. Ochranné pospojování Vodiče pospojování musí vodivě spojit neživé části a cizí vodivé části, které jsou současně přístupné dotyku = mezi místy na stejném el. potenciálu neteče elektrický proud. Místní propojení nesmí být v elektrickém spojení se zemí. Systém ochranného pospojování musí být spojen sochrannými vodiči PE všech zařízení včetně zásuvek. 48

49

50

4. Ochranné stínění Mezi živou část krytou pouze základní izolací a část, která má být chráněna je vložena vodivá stínicí vložka. Stínicí vložka musí být připojena k systému ochranného pospojování. V případě průrazu základní izolace nedojde k ohrožení bezpečnosti, protože poruchový proud je odveden ochranným pospojováním, kterým se také vyrovná potenciál. 51

5. Oddělení obvodů 52

5. Oddělení obvodů Proudový okruh chráněného spotřebiče je galvanicky oddělen od veřejné elektrické napájecí sítě pomocí oddělovacího ochranného transformátoru (izolace mezi primárním a sekundárním vinutím). Živé části odděleného obvodu nesmí být spojeny s jiným obvodem nebo zemí! Mezi živou částí odděleného obvodu a zemí tedy nevzniká napětí. Je-li na oddělený okruh napojen více než jeden spotřebič, musí být vodivě spojeny jejich neživé části (nesmí však být spojeny se zemí!). Napětí elektricky odděleného obvodu nesmí překročit 500 V. Nutná kontrola izolačního stavu oddělovacího obvodu. 53

6. Automatické odpojení od zdroje Při poruše dojde k automatickému odpojení postiženého obvodu od zdroje v předepsaném čase. Odpojení se realizuje: - pojistkou, -jističem, - proudovým chráničem. 54

Princip ochrany automatickým odpojením od zdroje: 55

Vypínací čas závisí především na druhu zařízení a velikosti napětí proti zemi. koncová síť (AC 230 V): -TN do času 0,4 s -TT do času 0,2 s distribuční obvody: -TN do času 5 s -TT do času 1s 56

Síť TN-C: 57

Vodič PEN zastává funkci středního pracovního i ochranného vodiče. Objeví-li se na neživé části napětí větší než bezpečné pro daný prostor (např. průraz izolace), prochází obvodem poruchový proud. Vzniká zkrat mezi L a PEN vodičem. Poruchový proud musí být dost velký na vypnutí pojistky nebo jističe v předepsaném čase. Nevýhody ochrany: Přerušení vodiče PEN ohrožuje uživatele (zaniká ochranná funkce). Ochranu nelze doplnit proudovým chráničem. 58

Síť TN-S: 59

Při přerušení středního pracovního vodiče N dojde k přerušení činnosti el. zařízení, ale funkce ochranného vodiče PE je zachována. Podmínky pro správnou činnost ochrany: - Vodič PEN, resp. PE (vždy zelenožlutá barva) se nesmí jistit. -Použije-li se jako ochranný prvek proudový chránič, musí být v tomto obvodě zařazen i nadproudový ochranný přístroj (pojistka, jistič). - Bezporuchové uzemnění instalace, spolehlivé a účinné spojení ochranného vodiče PE se zemí. 60

Podmínky pro správnou činnost ochrany: - Impedance ochranné vypínací smyčky musí splňovat podmínku: U 0 1,5 Z s I a Z U 0 efektivní hodnota střídavého fázového napětí (např. AC 230 V) Z s impedance ochranné vypínací smyčky (vhodný průřez PE, PEN) I a proud, který způsobí vypnutí obvodu v předepsaném čase 1,5 korekční součinitel zahrnující nepříznivé podmínky (oteplení vedení při zkratu způsobí zvýšení impedance, pokles napětí v síti vlivem jednofázového zkratu) 61

Vypínací smyčku s impedancí Z s tvoří: - impedance zdroje, - impedance pracovních vodičů vedení až k místu poruchy, - impedance ochranného vodič mezi místem poruchy a zdrojem. Minimální průřez vodiče PEN je 10 mm 2 (Cu), 16 mm 2 (Al) Zemní odpor pracovního uzemnění uzlu zdroje (generátor, transformátor) nemá překročit hodnotu 5 Ω. 62

Velikost poruchového proudu, který způsobí samočinné odpojení od zdroje v předepsaném čase vychází z vypínací charakteristiky nadproudového jistícího přístroje (jističe): 63

Důležité: V současné době se nadproudové jistící prvky zapojují společně s proudovým chráničem (neplatí pro síť TN-C). 64

Definice a použití proudového chrániče Elektrický přístroj, který chrání člověka a živé organismy před nebezpečným dotykovým napětím na neživé, případně živé části. Automaticky odpojí chráněné zařízení od zdroje, prochází-li z některé fáze proud do země. 65

Důležité: Proudový chránič neslouží k ochraně zařízení, např. před účinky zkratového proudu či proudovému přetížení (pojistka, jistič) 66

Konstrukce proudového chrániče 67

Princip proudového chrániče 68

Princip proudového chrániče 69

Princip proudového chrániče V bezporuchovém stavu tečou fázovými vodiči L a středním pracovním vodičem N stejně velké proudy, součet jejich okamžitých hodnot je roven nule (stejný proud teče od zdroje i zpět). V magnetickém obvodu transformátoru se nevybudí žádný magnetický tok φ Indukované napětí ve výstupním vinutí transformátoru je tedy rovno nule (u i = 0 V). = 70

Princip proudového chrániče Při poruše (proud teče také neživou částí a ochranným vodičem PE) se část proudu, který tekl do spotřebiče již nevrací pracovním vodičem N. Vzniká unikající (tzv. reziduální, rozdílový) proud I Δ, který z obvodu odtéká buď ochranným vodičem PE nebo přes člověka do země. Tento rozdíl v proudech vyvolá v magnetickém obvodu magnetický tok φ= φ 1 -φ 2, který v sekundárním vinutí indukuje napětí. Vybavovací zařízení spustí volnoběžku = rozpojení silových kontaktů. 71

Tlačítko TEST Tlačítko je součástí zkušebního obvodu, jehož součástí je zatěžovací rezistor a pomocné kontakty. Obvod uměle vytváří reziduální proud, kterým se testuje správná funkce zapojeného proudového chrániče pod napětím. 72

Základní parametry počet pólů (fází) jednofázové, trojfázové jmenovitý proud I N (A), obvykle 16 A jmenovitý reziduální proud I ΔN (ma), obvykle 10, 30, 100, 500 ma zkratový proud (A) jmenovité napětí U N (V), obvykle 230V / 400V síťový kmitočet (Hz), obvykle 50 Hz vypínací doba (s) 73

Důležité: Proudový chránič se musí vždy zapojit společně s pojistkou nebo jističem, neboť nechrání spotřebič a vedení před zkratem a nadproudem! 74

Zapojení v síti TN C S: 75

Dráha poruchového proudu I a : 76

Síť TT: Pro ochranu při poruše v sítích TT se musí přednostně používat proudové chrániče. Proudové chrániče zajišťují: - automatické odpojení od zdroje, - při poruchovém proudu, který ještě nedosahuje hodnoty dostačující pro toto odpojení, nesmí být na zemniči napětí vyšší než 50 V (resp. 12 V pro zvlášť nebezpečné prostory). 77

Při ochraně proudovým chráničem musí být splněny podmínky: R A I ΔN 50 V R A součet odporů zemniče a ochranného vodiče I ΔN jmenovitý reziduální vybavovací proud proudového chrániče Musí dojít k odpojení od zdroje v předepsaném čase do 0,2 s. 78

79

Při poruše, tj. průrazu napětí ze živé na neživou část, dojde k zemnímu spojení. Protože je uzel zdroje uzemněn, prochází poruchový proud ze zdroje fázovým vodičem až do místa poruchy, odtud ochranným vodičem a uzemněním chráněného zařízení do země a zemí přes uzemnění uzlu zdroje ke zdroji. Vzniká obdobná smyčka poruchového proudu jako při poruše v síti TN. 80

Síť IT: Síť IT se používá tam, kde je nežádoucí automatické odpojení od zdroje v případě vzniku první poruchy (důlní provozy, operační sály v nemocnici atd.) Za podmínky jedné poruchy mezi živou a neživou částí nebo živou částí a zemí je poruchový proud velmi malý, nedojde k vytvoření nebezpečného dotykového napětí a proto se automatické odpojení nepožaduje. Musí být neprodleně zahájeny úkony o odstranění závady. 81

Vadná část sítě musí být odpojena v okamžiku vzniku druhé poruchy. V sítích IT musí být živé části izolovány od země (neuzemněny) nebo spojeny se zemí přes dostatečně vysokou impedanci. Neživé části musí být uzemněny jednotlivě, po skupinách nebo společně. V případech, kdy je síť IT použita z důvodu zajištění kontinuity napájení, musí být použit hlídač izolačního stavu, aby signalizoval výskyt první poruchy mezi živou částí a neživými částmi a zemí. 82

Síť IT neživé části uzemněny společně 83

Síť IT neživé části uzemněny jednotlivě 84

Vznikne-li první porucha, protéká poruchový proud přes odporové a kapacitní svody vedení nadproudový ochranný přístroj (pojistka, jistič) nemusí zareagovat. Při druhé poruše (stejné nebo jiné zařízení) dojde k odpojení stejně jako u sítě TT. 85

KONEC PREZENTACE Děkuji za pozornost chmiel@outech-havirov.cz 86