Proudové chrániče (třetí aktualizované vydání)

KNIéNICE Ing. František Štěpán Proudové chrániče (třetí aktualizované vydání) SVAZEK 98 www.iisel.com Internetov InformaËnÌ SystÈm pro Elektrotechniky iisel

Ing. František Štěpán PROUDOVÉ CHRÁNIČE (třetí aktualizované vydání) Text k inzerátu na první straně obálky Mezinárodní firma FINDER s téměř 60tiletou tradicí výroby elektrotechnických a elektronických přístrojů: pro spínání: pro instalace budov: relé do plošných spojů impulzně ovládané spínače průmyslová relé soumrakové spínače vazební členy pohybová čidla schodišt, ové automaty pro ovládání a kontrolu: spínací hodiny relé s nuceně vedenými kontakty stmívače časová relé modulární stykače elektroměry kontrolní a měřicí relé pro drážní aplikace snímače hladiny napájecí zdroje pro fotovoltaické aplikace přepět, ové ochrany polovodičová relé Kontakt: Finder CZ, s. r. o., Radiová 1567/2b, 102 00 Praha 10 tel. 286 889 504, fax: 286 889 505 findernet.cz@findernet.com www.findernet.com IN-EL, Pardubice, 2015

IN-EL, spol. s r. o., Gorkého 2573 530 02 Pardubice Tel.: 466 303 032 www.in-el.cz E-mail: info@in-el.cz IN-EL partner všech elektrotechniků Internetový informační systém pro elektrotechniky iisel : Legislativa informace o nových legislativních předpisech, Technická normalizace informace o nových technických normách, Bezpečnost a spolehlivost elektrických zařízení, Elektroenergetika, Bezpečnost práce, Veličiny, jednotky a jmenovité hodnoty, Názvosloví, zkratky, značky a jejich význam, Výrobky a materiály pro elektrotechniku, Vnitřní elektrické rozvody, Praktické pomůcky, Elektrická zařízení vn a vvn. Diskusní fórum komerční informační servis odpovědi na odborné dotazy Odborná způsobilost Testy TIČR odpovědi na aktuální otázky pro zkoušky a přezkoušení revizních techniků Odborné články a referáty Záruka odbornosti, průběžná aktualizace vše na http://obchod.in-el.cz. Pro uživatele, kteří si zakoupí přístupové heslo. ISBN 978-80-87942-11-6

Proudové chrániče (třetí aktualizované vydání) 3

Třetí vydání této příručky aktualizuje předchozí druhé vydání a jsou do ní zapracovány nejdůležitější změny elektrotechnických předpisů, ke kterým od roku 2001 došlo. Povinné používání proudových chráničů téměř ve všech instalacích nízkého napětí přineslo zásadní přelom v přístupu k zajištění ochrany před úrazem elektrickým proudem, zejména v případech, kde se předpokládá laická obsluha. Základem pro pochopení významu ochrany citlivými proudovými chrániči jsou výsledky výzkumů působení elektrického proudu na lidský organizmus. Zjištěné výsledky mají zásadní význam pro stanovení mezí bezpečného působení proudu a s tím úzce související definice vlastností proudových chráničů. V první polovině příručky je probrána většina dnes používaných typů s odkazy na příslušné výrobkové normy. Na tyto informace navazuje druhá část, kde jsou uvedena doporučení pro výběr vhodných typů a rovněž i přehled nejčastějších chyb v zapojení s vysvětlením příčin a návrhem řešení. Při znalosti typů chráničů a jejich charakteristik je možné poměrně rychle najít správné řešení a uzpůsobit jejich výběr podle konkrétní situace. Při správné volbě je možné splnit požadavky na co nejlepší bezpečnost a současně i odolnost proti nežádoucímu vypínání. V porovnání s doposud publikovanými materiály se zde věnuje poměrně velká pozornost výběru vhodných typů podle citlivosti na různé druhy proudů, což přímo souvisí s nárůstem elektrických zařízení, jakými jsou frekvenční měniče, záložní zdroje napájení, svářecí invertory a mnohé další, která obsahují usměrňovače a výkonové spínací prvky. Pozornost je věnována i situacím, kdy proudový chránič z principu nemůže fungovat, jak by si uživatel představoval a je nutné zajistit ochranu jiným vhodným způsobem. Nezapomnělo se ani na měření při revizích, spolehlivost a s tím související pravidelné testování funkce. V poslední části jsou soustředěny užitečné přílohy. Vzhledem k poměrně dlouhé době od zavedení nových elektrotechnických předpisů v polovině devadesátých let minulého století a s ohledem na pravidelné přezkušování elektrotechniků při kvalifikačních školeních by se dalo předpokládat, že je skoro zbytečné vysvětlovat základní principy a pravidla správného použití proudových chráničů a že má snad smysl věnovat se jen typům se speciálními vlastnostmi a novinkám. Reálná praxe je ovšem poněkud jiná. Často se stává, že potíže činí již samotný výběr citlivosti, vznikají problémy se zapojením a výběr vhodného typu podle dané aplikace je velkým problémem. Stačí vyslechnout diskuze elektrotechniků nebo navštívit jakékoli elektrotechnické diskusní fórum a z úrovně otázek a odpovědí je možné odhadnout skutečnou míru znalostí diskutujících. Příručka jen určena co nejširší odborné veřejnosti a své si v ní určitě najdou projektanti, revizní technici i studenti elektrotechnických oborů. IN-EL, spol. s r. o., Pardubice, 2015 4

Obsah 1. OBLASTI POUŽITÍ PROUDOVÝCH CHRÁNIČŮ 9 2. ÚČINKY ELEKTRICKÉHO PROUDU NA ČLOVĚKA 11 3. TYPY A CHARAKTERISTIKY PROUDOVÝCH CHRÁNIČŮ 19 3.1 Princip funkce proudového chrániče 19 3.1.1 Základní konstrukční části proudového chrániče 20 3.2 Typy a konstrukce proudových chráničů 22 3.2.1 Proudové chrániče (RCD) 25 3.2.2 Proudové chrániče bez nadproudové ochrany (RCCB) 25 3.2.3 Proudové chrániče s nadproudovou ochranou (RCBO) 25 3.2.4 Proudové chrániče pro pohyblivou montáž (PRCD) 27 3.2.5 Proudové chrániče pro zabudování do instalační krabice (SRCD) 29 3.2.6 Hlídače reziduálního proudu (RCM) 29 3.2.7 Jistič zahrnující proudový chránič (CBR) 31 3.2.8 Stavebnicové proudové chrániče (MRCD) 31 3.3 Hlavní parametry proudových chráničů 34 3.4 Závislost na napájecím napětí 34 3.4.1 Proudové chrániče funkčně nezávislé na napájecím napětí 34 3.4.2 Proudové chrániče funkčně závislé na napájecím napětí 35 3.5 Zkušební zařízení (TEST) 36 3.6 Počet pólů 38 3.7 Odolnost proti zkratu a přetížení 38 3.8 Citlivost na různé druhy reziduálních proudů 41 3.9 Časová závislost vypnutí (vypínací charakteristiky) 46 3.10 Ochrana proti vnějším vlivům 50 3.11 Frekvence 50 3.12 Teplota okolního vzduchu 54 3.13 Značení 54 3.14 Proudové chrániče s vícenásobným nastavením 57 3.15 Provozní napětí 57 3.16 Požadavky předmětových norem na proudové chrániče 57 5

4. STUPŇOVÁNÍ OCHRAN A KVALIFIKACE OSOB 59 5. OCHRANA PŘI PORUŠE 61 5.1 Ochrana v sítích TT 61 5.2 Ochrana v sítích TN 62 5.2.1 Dotyková napětí při poruše 63 5.2.2 Rozdělení vodičů PE a N 64 5.2.3 Odpínání středního vodiče 64 5.3 Ochrana v sítích IT 65 6. DOPLŇKOVÁ OCHRANA S PROUDOVÝM CHRÁNIČEM 69 7. OCHRANA PŘED NEBEZPEČÍM POŽÁRU 71 7.1 Ochrana před plazivými proudy 71 7.2 Ochrana proti sériovému oblouku 73 8. SELEKTIVITA A NEPŘERUŠOVANÉ NAPÁJENÍ 77 8.1 Selektivita proudových chráničů 77 8.2 Samočinné a dálkové zapnutí 79 9. HRANICE POUŽITELNOSTI PROUDOVÝCH CHRÁNIČŮ 83 9.1 Zkrat mezi pracovními vodiči 83 9.2 Ochrana před požáry v případech vzniku oblouku mezi pracovními vodiči 84 9.3 Trvale unikající proudy 85 9.4 Přerušení vodiče PEN před proudovým chráničem 85 9.5 Vnější vlivy a nevhodné krytí 86 9.6 Odolnost proti rázovému proudu 86 10. PROVOZNÍ SPOLEHLIVOST A PRAVIDELNÉ TESTOVÁNÍ 87 10.1 Pravidelné testování 88 11. MĚŘENÍ PROUDOVÝCH CHRÁNIČŮ PŘI REVIZÍCH 91 11.1 Ověření charakteristik proudových chráničů 91 11.2 Příklad postupu ověřování proudových chráničů 92 11.2.1 Ověření mezních hodnot reziduálních proudů proudových chráničů 92 6

11.2.2 Ověření proudových chráničů se zpožděnou vypínací charakteristikou (typ S, G aj.) 92 11.2.3 Ověření chráničů typů AC, A a B citlivých na různé druhy reziduálních proudů 93 11.2.4 Měření impedance smyčky poruchového proudu 93 11.2.5 Ověření funkce kontrolního tlačítka 96 11.3 Měření speciálních typů 96 11.4 Měřicí přístroje 97 11.5 Lhůty pravidelných revizí 98 12. ZAPOJENÍ V INSTALACÍCH 99 12.1 Neúplný počet pracovních vodičů a nerovnoměrná zátěž 99 12.2 Sdružování obvodů za jedním proudovým chráničem 100 12.3 Koordinace se svodiči přepětí (EMC) 103 12.4 Použití proudových chráničů typů AC, A a B 105 12.4.1 Oblasti použití chráničů typu AC a A 107 12.4.2 Oblasti použití chráničů typu B 107 12.4.3 Proudové chrániče v obvodech s frekvenčními měniči 110 12.4.4 Unikající proudy při vyšších frekvencích 111 13. NEŽÁDOUCÍ VYPÍNÁNÍ PROUDOVÝCH CHRÁNIČŮ 115 13.1 Chyby v zapojení 115 13.2 Trvalé unikající proudy 119 13.3 Rázové proudy v pracovních vodičích 120 14. POUŽITÍ PROUDOVÝCH CHRÁNIČŮ V JEDNOÚČELOVÝCH ZAŘÍZENÍCH A VE ZVLÁŠTNÍCH OBJEKTECH 123 PŘÍLOHY IN-EL, spol. s r. o., Gorkého 2573, 530 02 Pardubice Příloha I Druhy sítí TN, TT a IT 128 Příloha II Zkratky 129 Příloha III Schématické značky 130 Příloha IV Příklad postupů ověřování proudových chráničů podle ČSN 33 2000-6 131 LITERATURA 134 7

22 nových patentů zkušenosti 5 generací IN-EL, spol. s r. o., Gorkého 2573, 530 02 Pardubice Acti 9 systém modulárního jištění Vyzkoušejte výhody Acti 9 Komunikační systém pro řízení, monitoring a měření koncových obvodů. Dvojité svorky pro rychlé zapojení dvou vodičů různého průřezu i konstrukce. Upínací zámečky z čela přístroje usnadní montáž na DIN lištu, bez nástrojů. Zkracuje dobu výpadku. Pro rozlišení vybavení přístroje poruchou či vypnutí obsluhou. Jednoznačná indikace odpojení napájení. www.schneider-electric.com/acti-9/cz

1. OBLASTI POUŽITÍ PROUDOVÝCH CHRÁNIČŮ Před samotným popisem jednotlivých typů proudových chráničů a jejich použití je dobré uvést, že jejich povinné nebo doporučené použití je dáno ustanoveními jednotlivých článků elektrotechnických předpisů. Jedná se o následující tři oblasti použití: 1. doplňková ochrana proudovým chráničem s citlivostí I n 30 ma (viz ČSN 33 2000-4-41 ed. 2, čl. 411.1), 2. ochrana automatickým odpojením v případě poruchy (viz ČSN 33 2000-4-41 ed. 2, čl. 411.3.2), 3. ochrana před vznikem požáru od plazivých proudů proudovým chráničem s I n 300 ma (viz ČSN 33 2000-4-482, čl. 482.1.7). Pozornost si zasluhuje zejména první z uvedených oblastí, tj. doplňková ochrana citlivým proudovým chráničem, která přinesla největší změnu v nových instalacích nízkého napětí. Samotný princip diferenciální ochrany byl popsán již v roce 1928, tehdy zmíněn jako řešení pro ochranu při dotyku s vysokým napětím. První skutečně funkční citlivé proudové chrániče pro nízkonapět, ové instalace (100 ma) byly představeny v Německu začátkem čtyřicátých let. Od poloviny padesátých let, kdy podmínky pro nové způsoby ochran všeobecně nazrály, se v Evropě objevilo hned několik firem, které zvládly sériovou výrobu proudových chráničů a byly ochotné investovat prostředky do dalšího vývoje. Prvními zeměmi v Evropě, které v šedesátých a sedmdesátých letech zavedly povinné používání citlivých proudových chráničů pro dodatečnou ochranu osob, bylo Rakousko a Švýcarsko. Dnes se s povinností používat citlivé proudové chrániče setkáváme téměř ve všech nových instalacích [19], a proto se jí v textu této příručky věnuje největší pozornost. Samostatnou oblastí je ochrana před požáry s použitím proudových chráničů s citlivostí do 300 ma. Její povinné zavádění v různých zemích, a od roku 2000 i u nás, znamenalo prokazatelný pokles požárů. Přesto ale stále zůstává mnoho případů, kdy nevznikne žádný zemní poruchový proud a proudový chránič proto nezareaguje. Pak je nutné se poohlédnout po jiných opatřeních. Jednou z nových možností je přístroj pro obloukovou ochranu, který je v kombinaci s chrániči nebo samostatně schopen vyhodnotit téměř všechny poruchy v instalaci, které mohou způsobit požár. Této oblasti je proto věnována pozornost v kapitolách 8 a 9. Delší dobu se zdálo, že v oboru proudových chráničů se vývoj jaksi zastavil. Ve skutečnosti ale výrobci v posledních letech uvedli na trh mnoho nových nebo inovovaných typů, se kterými se zajistí požadovaná vysoká bezpečnost před úrazem elektrickým proudem a současně se s jejich použitím významně omezí počet nežádoucích vypnutí. Tím se odstranila i obava, že s použitím citlivých proudových chráničů si sice vylepšíme bezpečnost, ale současně si přidáme i starosti s výpadky napájení. Základní parametry proudových chráničů přímo vycházejí z výsledků výzkumů působení elektrického proudu na člověka, a proto je dobré znát důvody, proč je jejich používání tak důsledně vyžadováno. 9

10 IN-EL, spol. s r. o., Gorkého 2573, 530 02 Pardubice

2. ÚČINKY ELEKTRICKÉHO PROUDU NA ČLOVĚKA Od samého počátku používání elektrické energie bylo známo mnoho případů, kdy poměrně malé napětí způsobilo smrt a naproti tomu byly známy i případy, kdy člověk přežil krátkodobý dotyk s vysokým napětím několika tisíc voltů. Za účelem získání objektivních výsledků se proto začaly provádět systematické výzkumné práce, které měly přinést odpověď na mnoho otázek. Pokusy probíhaly nejdříve na mrtvých zvířatech. Na základě teoretických a praktických pokusů byly provedeny experimenty i na živých organizmech a ze získaných výsledků se potupně odvozovaly analogie pro člověka. Byly tak potvrzeny předpoklady, že účinky elektrického proudu se projevují u každého člověka s různým výsledkem, a to v závislosti na dotykovém napětí, na velikosti procházejícího proudu, frekvenci a době působení. Velkou měrou závisí i na podmínkách okolních vlivů, jakými je vlhkost, mokro, teplo atd. Závěry výzkumů byly podrobně diskutovány na mezinárodní úrovni a zapracovány do dokumentu Report IEC 479 Účinky elektrického proudu procházejícího lidským tělem. Dnes máme k dispozici druhé vydání i v české verzi jako ČSN IEC/TS 60479-1 Účinky proudu na člověka a domácí zvířectvo Část 1: Obecná hlediska (TS technická specifikace) [1]. Zde jsou shrnuty výsledky výzkumů působení střídavého proudu s frekvencí do 100 Hz a také působení stejnosměrného proudu. Exaktní výsledky výzkumů slouží pro stanovení bezpečnostních limitů a bezpečnostní normy se na tuto zprávu také odvolávají. Jedná se zejména o základní bezpečnostní předpis ČSN EN 61140 ed. 2 Ochrana před úrazem elektrickým proudem Společná hlediska pro instalace a zařízení [18] a na něj navazující ČSN 33 2000-4-41 ed. 2:2007 Elektrické instalace nízkého napětí Část 4-41: Ochranná opatření pro zajištění bezpečnosti Ochrana před úrazem elektrickým proudem [19]. Naprosto jasná vazba je pak na normy pro proudové chrániče, jejichž vlastnosti přímo vycházejí ze zjištěných výsledků (vypínací časy, citlivost, frekvence). Vedle zmíněné části 1 jsou k dispozici i další pokračování tohoto souboru norem, které si všímají různých průběhů proudů, vysokých frekvencí a rovněž i závěrů souvisejících se zasažením bleskem. Jedním ze základních zjištění při působení střídaného proudu bylo, že impedance těla člověka je nižší, než odpor při působení stejnosměrného proudu. Dále bylo prověřeno, že s narůstající frekvencí impedance klesá a že nejnebezpečnější je frekvence střídavého proudu okolo 50 Hz, což je právě frekvence nízkonapět, ové sítě. Impedance těla se mění i s tím, je-li pokožka suchá nebo vlhká a dále je závislá i na velikosti dotykového napětí. S rostoucím napětím impedance těla klesá. Protože není možné stanovit stejné podmínky pro všechny možné případy, většinou se berou v úvahu fyziologické vlastnosti těla u 90 % lidské populace. Závislost impedance na napětí má tvar klesající křivky. Se zohledněním všech rizik se jako výchozí hodnota obvykle bere impedance těla Z T = cca 1 000 Ω. Nejnebezpečnější je průchod proudu z levé ruky do obou nohou, kdy hlavní část tělového proudu zasahuje srdce. Správná funkce srdce je řízena elektrickými vzruchy a jakýkoliv vnější zásah může vést k jeho zástavě nebo k neřízenému kmitání srdečních komor, neboli k fibrilaci. Pro posouzení rizika vzniku fibrilace srdečních komor se používá faktor proudu procházejícího srdcem (F), který umožňuje přibližný výpočet proudů I h pro jiné dráhy, než nejnebezpečnější případ z levé ruky do chodidel: 11

kde: I ref I h F I h = F/I ref, proud procházející tělem dráhou z levé ruky do chodidel, proud procházející tělem pro dráhy, faktor proudu procházejícího srdcem. Tab. 1 Faktor proudu procházejícího srdcem F pro různé dráhy proudu lidským tělem [1] Dráha proudu Faktor proudu procházející tělem F Z levé ruky do levého chodidla, pravého chodidla nebo do obou chodidel 1,0 Z obou rukou do obou chodidel 1,0 Z levé ruky do pravé ruky 0,4 Z levé ruky do levého chodidla, pravého chodidla nebo obou chodidel 0,8 Ze zad do pravé ruky 0,3 Ze zad do levé ruky 0,7 Z hrudi do pravé ruky 1,3 Z hrudi do levé ruky 1,5 Ze zadku do levé ruky pravé ruky nebo do obou rukou 0,7 Z levé nohy do pravé nohy 0,04 Faktor proudu procházejícího srdcem je třeba považovat za odhad nebezpečí odpovídajícího různým drahám proudu, ale poskytuje velmi dobrý obraz o riziku. Příklad: Při proudu 250 ma z jedné ruky do druhé (F = 0,4) je stejná pravděpodobnost vyvolání komorové fibrilace srdce jako při proudu 100 ma z levé ruky do obou chodidel (F = 1). Obr. 1 Vnitřní dílčí impedance Z ip lidského těla (končetiny, hlava) [1] 12

Zásadní posun v kvalitě ochrany před úrazem elektrickým proudem přišel až s nástupem používání citlivých proudových chráničů. První typy se začaly objevovat v instalacích v padesátých letech dvacátého století, nejprve pro ochranu neživých částí a o několik let později byly k dispozici i citlivé typy (35 ma). Dlouho však panovaly pochybnosti o schopnostech těchto nových přístrojů skutečně zachránit život člověka, který se přímo dotkne fázového napětí. Pro potvrzení opodstatněnosti používání citlivých proudových chráničů podstoupil v osmdesátých letech profesor Gottfried Biegelmeier z Rakouska sérii pokusů na vlastním těle. Konstrukci proudových chráničů na vědecké úrovni se věnoval po mnoho let a byl autorem několika patentů v této oblasti (nejznámější je patent na typ G z roku 1957, později v roce 1988 na proudový chránič s vysokou spolehlivostí). Celosvětově je znám jako jeden z evropských průkopníků ve výzkumu působení elektrického proudu na člověka. Sám se postupně vystavil působení střídavého elektrického proudu při napětí od 25 do 220 V. Pomocí tehdy dostupných nejmodernějších měřicích metod byly zaznamenány všechny potřebné údaje (viz obr. 2). Pro vypnutí napájení byly použity proudové chrániče s citlivostí 10, 30 a 100 ma. Protože takovéto pokusy doposud nebyly provedeny nikde na světě, muselo být vyloučeno každé nebezpečí. Pro případ selhání byly pro jistotu použity vždy dva proudové chrániče v sérii. Rovněž byly stanoveny postupy první pomoci za přítomnosti zkušeného lékaře. Z výzkumů prováděných jak Evropě, tak i v Americe bylo známo, že nejnebezpečnější reakcí organizmu člověka při zásahu elektrickým proudem je fibrilace srdečních komor, což jsou Obr. 2 Snímek z experimentů profesora Biegelmeiera s účinky elektrického proudu na vlastním těle [3, 4] 13

nekoordinované stahy svalových vláken srdečních komor, kdy srdce přestává plnit svoji funkci. Elektrokardiograf znázorňoval případné nepravidelnosti průběhu elektrických vzruchů srdce. V obzvlášt, nepříznivých případech může dojít k průchodu až tří půlvln (tj. 30 ms), než proudový chránič vypne. Pro krajní případ vzniku fibrilace srdce byl připraven vysokonapět, ový defibrilátor. Řízeným proudovým rázem z vysokonapět, ového zdroje s přesně definovanou hodnotou energie dojde k zastavení rozkmitaného srdce a posléze i k obnovení jeho normální funkce (obvyklá energie výboje je kolem 300 Joulů). Pokusům asistoval zkušený lékař, který měl připraveny oživovací preparáty, kromě jiného se počítalo i s krajní možností, kterou je zástava srdce. Pro tento případ byla připravena injekce do srdce. První série pokusů byly prováděny se suchýma rukama. Proud protékal od levé do pravé ruky a dotykové napětí bylo v jednotlivých pokusech zvyšováno z 25 až na 220 V. Registrační přístroje přitom zaznamenávaly průběhy napětí a proudu po celou dobu pokusu. Měření bylo provedeno se suchýma rukama s pomocí válcových elektrod, proud procházel mezi oběma rukama. Dotykové napětí bylo 200 V, počáteční odpor těla byl R 0 = 1 550 Ω, počáteční impedance těla byla Z t = 666 Ω. Počáteční proudový ráz provázely silné a bolestivé pocity a bezděčné svalové reakce v rukách, ramenou a nohách. Ačkoliv byla hlavní dráha proudu mezi rukama, došlo k nadzvednutí těla, což dokazovalo, že byly aktivovány i svaly nohou. Dále bylo ověřováno, jakým způsobem dochází ke změně odporu těla při změně vlhkosti pokožky. Před měřením byly ruce po dobu 1 minuty ponořeny do čisté vody. Měření přinesla nečekaně malý rozdíl v odporu těla se suchýma a mokrýma rukama. V obou případech se odpor těla snižoval s narůstajícím dotykovým napětím. Jestliže jsou ruce mokré, je naměřená hodnota odporu těla při malých napětích pod hranicí 300 Ω. Dalšího snížení odporu těla bylo dosaženo máčením rukou v roztoku vody a kuchyňské soli, což odpovídá vodivosti mořské vody. Při malých napětích jsou účinky proudu přibližně dvakrát silnější než se suchýma rukama. Rovněž svalové reakce byly mnohem silnější. Obr. 3 Celková impedance Z T pro dráhu proudu mezi oběma rukama s velkou plochou kontaktního povrchu pro střídavá dotyková U T = 25 až 700 V, 50/60 Hz v různých podmínkách (vztaženo k 50 % populace) [1] 14

Při dalších měřeních protékal proud z levé ruky do obou nohou. Jako elektrody pro nohy sloužily vložky do bot z měděného plechu, jak je patrné z popisu měřicího pracoviště na obrázku 2. Tento způsob průchodu elektrického proudu je obzvlášt, nebezpečný, protože největší část tělového proudu prochází přes srdce. Proto byla činnost srdce při pokusech kontrolována pomocí elektrokardiografu. Díky tomu bylo možné zjistit, ve které fázi srdeční činnosti se vliv působení elektrického proudu projevuje nejvíce. Okamžik zapnutí proudu byl náhodný a nebyl řízen podle průběhu srdeční činnosti. Proudové rázy přitom často zasahovaly i do zranitelné fáze srdce (vulnereabilní fáze). Na obrázku 4 je tato zranitelná vlna znázorněna jako T-vlna, která trvá přibližně 200 ms. Poznámka: Z doby trvání T- vlny vychází požadavek starších německých předpisů na vypínací časy proudových chráničů sloužící k doplňkové ochraně osob, podle kterých musí proudové chrániče vypínat do 200 ms, přestože mezinárodní předpisy uvádějí vypínací časy 300 ms (při I n). Toto je rozdíl, se kterým se setkáváme například i v českých katalozích německých výrobců, kteří stále uvádějí údaj podle starších norem. Pro selektivní typ je shoda mezi IEC a předpisy VDE s mezním časem vypnutí do 500 ms (při I n). Provedené pokusy v zásadě potvrdily předpoklad, že hlavní podíl na impedanci těla mají přibližně stejnou měrou jak ruce, tak i nohy (viz obr. 1). Profesor Biegelmeier přestál bez následků na zdraví téměř 500 proudových rázů. Tím se jednoznačně potvrdilo, že citlivé proudové chrániče jsou schopné ochránit před smrtelnými úrazy i při přímém dotyku s částí pod napětím, o čemž se do té doby vedly nekonečné diskuze. To byl také jeden z rozhodujících momentů pro definitivní uznání doplňkové ochrany citlivým proudovým chráničem při přímém dotyku osoby s částí pod napětím. Pravděpodobnost vzniku fibrilace srdce závisí na velikosti tělového proudu a také na okamžiku, kdy začne proud procházet. Spadá-li začátek působení proudu do citlivé části srdeční periody (T-vlna, cca 0,2 sekundy), je vysoká pravděpodobnost vzniku fibrilace. Tato situace je znázorněna na obrázku 4. Nedojde-li vnějším zásahem k přerušení proudu a k následné defibrilaci srdce (úderem, vn defibrilátorem), zastaví se oběh krve a během několika minut Obr. 4 Záznam průběhu EKG (elektrokardiogramu) lidského srdce při zasažení elektrickým proudem 15

dochází k nevratným změnám v organizmu, zejména v mozkové tkáni. Protéká-li proud tělem déle než 0,8 s, tj. doba průchodu proudu je delší než 1 srdeční perioda, je T-vlna zasažena úplně, což významně zvyšuje riziko zástavy krevního oběhu a následné smrti. Na obr. 5 jsou uvedeny smluvené zóny účinnků střídavého proudu na člověka. Na základě těchto závislostí byly zavedeny všechny meze bezpečných proudů v nízonapět, ových instalacích. Označení AC1 až AC4 vyjadřuje zóny působení střídavého proudu (angl. Alternating Current). Křivky a, b a c vyjadřují hranice pro různé účinky proudu: křivka a je mez vnímání (brnění, píchání ČSN stanovuje 0,5 ma), křivka b je mez uvolnění, kdy se zasažený člověk už nemůže sám o své vůli pustit předmětu pod napětím (ČSN 33 2000-4-41 ed. 2 stanovuje 3,5 ma), křivka c1 je tzv. hranicí bezpečnosti. Mohou se objevit patofyziologické účinky, jako je zástava srdce, zástava dýchání, popáleniny nebo jiná poškození na buněčné úrovni. Pravděpodobnost komorových fibrilací se zvyšuje s intenzitou proudu a dobou jeho trvání. Uvedené křivky posloužily jako základ pro stanovení mezí vypínacích časů citlivých proudových chráničů, které vypínají dříve, než by mohlo dojít ke vzniku fibrilace srdce. Obr. 5 Smluvené zóny čas/proud účinků střídavých proudů (15 až 100 Hz) na osoby pro dráhu proudu odpovídající dráze z levé ruky do chodidel [1] a porovnání s mezemi vypínacích časů proudových chráničů I n = 30 ma 16

Praktické závěry výzkumů jsou: proudy v rozmezí 10 až 30 ma nevedou sice ke smrti, ale při jejich delším působení dochází ke křečím svalů, potížím při dýchání atd., proudy s hodnotami nad 30 ma mohou být i smrtelné, pokud nedojde k rychlému odpojení od zdroje; proudy blížící se hodnotě 500 ma způsobí smrt, procházejí-li déle než cca 0,5 s, proudy nad 500 ma bývají smrtelné i při krátkých dobách průchodu. Tomuto stavu je nutné v každém případě zabránit (to znamená, že například ve stísněných prostorách s vodivým okolím se musí použít bezpečnostní oddělovací transformátor s bezpečným napětím). Příklad: Pracovník na stavbě uchopil rukou prodlužovací kabel s poškozenou izolací a nebyl schopen se sám pustit. Při tomto dotyku s fázovým vodičem a při uvažované hodnotě impedance těla Z T = 1 000 Ω tělem protéká proud cca 230 ma. Nedojde-li k rychlému vyproštění nebo odpojení proudu, postižená osoba zemře. Na obrázku 6 jsou uvedeny konvenční (smluvené) zóny účinků stejnosměrných proudů na člověka. Popis účinků proudu pro jednotlivé zóny (DC-1, DC-2 atd.) odpovídá účinkům střídavého proudu (viz obr. 5). Porovnáním s podobnými křivkami pro střídavý proud vychází, že hodnoty stejnosměrného tělového proudu mohou být přibližně čtyřikrát vyšší, než nastane fibrilace srdce. Vedle uvedených závislostí působení střídavého proudu s frekvencí podle obrázku 5 (frekvence od 15 do 100 Hz) a působení stejnosměrného proudu podle obrázku 6, které jsou v praxi nejdůležitější, byla podrobněji prozkoumána i oblast působení střídavých proudů s vyššími frekvencemi, se kterými se setkáváme zejména v průmyslových instalacích. Na obrázku 7 je Obr. 6 Konvenční zóny čas/proud účinků stejnosměrných proudů na osoby pro podélnou dráhu proudu směřujícího od chodidel do levé ruky 17

uvedena závislost hranice vzniku fibrilace srdce pro vyšší frekvence, která vychází z údajů uvedených v ČSN IEC/TS 60479-2 [2]. Závislosti jsou uvedeny pro frekvence do 1 khz a pro vyšší frekvence se meze odvozují pomocí lineární extrapolace (viz dále kapitola 3.11, tabulka 6). Toho se využívá při definici vlastností nových provedení proudových chráničů, přičemž dnes dostupné typy pracují s frekvencemi do 20 khz a některé speciální typy až do 1 MHz. Meze vypínacích proudů chráničů s citlivostí 30 ma musí ležet pod uvedenou křivkou meze fibrilace srdce. Průběhy frekvenčních charakteristik speciálních typů uvádí výrobci ve své katalogové dokumentaci. Poznámka: Na první pohled by se zdálo, že čím vyšší citlivost, tím lépe. Z dlouholeté praxe však jednoznačně vyplývá, že velmi citlivé chrániče jsou velmi náchylné k častému vypínání vlivem unikajících proudů, ale ani přínos ke zvýšené bezpečnosti není příliš velký. Při dotyku člověka se živou částí prochází tělem proud, který je omezen pouze impedancí těla a proudový chránič reaguje až za určitý čas (10 až 30 milisekund). V okamžiku dotyku se živou částí dostane člověk plnou elektrickou ránu a je téměř jedno, zda je použit proudový chránič s citlivostí 10 nebo 30 ma, protože v obou případech prochází tělem člověka stejně velký proud. Pokud však někdo trvá na citlivosti chráničů 10 ma, není problém je koupit. Obr. 7 Meze komorových fibrilací pro různé frekvence a meze vypínacích časů proudového chrániče I n = 30 ma [2] 18

3. TYPY A CHARAKTERISTIKY PROUDOVÝCH CHRÁNIČŮ Rozdělení typů a definice parametrů proudových chráničů jsou uvedeny ve výrobkových normách [12 až 17]. Základní vlastnosti jsou uvedeny na potisku pomocí parametrů a symbolů. Při jejich znalosti máme k dispozici všechny potřebné informace. V následujících částech této kapitoly se zaměříme na vlastnosti a jednotlivá provedení. S využitím těchto informací je možné vybrat vhodný typ pro příslušnou aplikaci. To je předmětem kapitol 12 a 13. 3.1 Princip funkce proudového chrániče Pro vysvětlení začneme s popisem nejpoužívanějšího typu proudového chrániče podle obrázku 8, který představuje typ pro všeobecné použití, bez vestavěné nadproudové ochrany, bez zpoždění, nezávislý na napájecím napětí. Každý proudový chránič má tři základní konstrukční části součtový proudový transformátor, vybavovací relé a spínací mechanizmus. Pro správnou funkci proudového chrániče musí součtovým transformátorem procházet všechny pracovní vodiče (L1, L2, L3, N, případně alespoň počet vodičů potřebný pro správnou funkci spotřebiče). Pro zjednodušení popisu je uvedena sít, TT, analogicky platí i pro ostatní druhy sítí. Obr. 8 Zapojení a činnost proudového chrániče 19