Sistemi zaštite od strujnog udara u električnim instalacijama niskog napona

Strujni udar (kaže se još i električni udar ili električni šok) predstavlja patofiziološko dejstvo električnog napona na organizam čoveka i drugih živih bića. Ova pojava je smrtonosna ako je napon iznad određene vrednosti i dovoljno dugo traje.

Ukoliko se radi o naizmeničnom naponu, proticanje struje veće od 50mA kroz organizam čoveka izaziva grč srčanog mišića. Ta pojava se u medicini stručno naziva ventrikaularna fibrilacija srca. Kako je prosečan otpor ljudskog tela na pravcu ruka-noga oko Rč=1kΩ, to znači da je opasan naizmenični napon dodira u električnim instalacijama niskog napona od Ud=50V ako se ne isključuje odnosno traje dugo (duže od 5s). U slučaju da se ima situacija kada se radi o vlažnoj prostoriji ili mokroj koži, smrtonosan može da bude i napon od Ud=25V. Ljudski organizam bolje podnosi jednosmerni napon, jer on ne izaziva grč srčanog mišića, tako da dozvoljeni napon dodira iznosi Ud=120V za suvu i Ud=60V za vlažnu situaciju. Napon dodira je onaj koji se ima na pravcu ruka-noga ako osoba stoji na rastojanju od 1m od predmeta pod naponom koji dodiruje.

Strujni udar može nastati kao posledica direktnog ili indirektnog dodira delova pod naponom. Ovom problematikom bavi se standard SRPS.N.B2.741 koji predstavlja preimenovani JUS standard iz 1989.god.

Direktni dodir ili kako se ranije govorilo slučajni dodir delova pod naponom ima se ako rukovaoc nehotice dodirne delove koji se u normalnom radu nalaze pod naponom. Zaštite od direktnog dodira se izvodi:

- izolovanjem delova pod naponom,- pregradama ili kućištima,- preprekama,- postavljanjem van dohvata ruku,

Indirektni napon dodira se pojavljuje kao posledica kvara ili greške, to jest kontakta delova pod naponom sa izloženim provodnim delovima (metalnim kućištima električnih aparata i uređaja). Zaštita od indirektnog napona dodira izvodi se:

1. Automatskim isključenjem napajanja (pregorevanjem umetaka topljivih osigurača ili delovanjem automatskih osigurača, zaštitnih relea, zaštitnih uređaja diferencijalne struje, kontrolnika izolacije itd.). Ovo je najčešći način zaštite. On ima više varijanti u zavisnosti od tipa niskonaponske mreže koji se označava sa dva slova, pri čemu prvo slovo označava tretman neutralne tačke (zvezdišta) transformatora 0,4kV napojne mreže a drugo slovo predstavlja tretman kućišta (izloženog provodnog dela) prijemnika koji se štiti. Slovo T ( od latinske reči tera) znači uzemljenje odnosno povezivanje na zemni čvor a slovo N znači nulovanje, odnosno povezivanje na neutralni provodnik napojne mreže. Sistemi koji se sada koriste u praksi su:

1.1 TT-sistem ili sistem zaštitnog uzemjenja po staroj terminologiji,1.2 TN- sistem nulovanja koji ima tri podvarijante TN-C; TN-C-S i TN-S o kojima

će kasnije biti reči detaljnije,1.3 IT- sistem.

2. Upotrebom uređaja klase II ili odgovarajućom izolacijom. Ovi uređaji se označavaju žigom koji se sastoji od dva kvadrata utisnuta jedan u drugi. To znači da su dvostruko izolovani i sa unutrašnje i spoljne strane tako da je nemoguće da u slučaju greške (kvara) kućište dođe pod napon. Na ovaj način štite se uglavnom kućni aparati ko što su: usisivači, kaloriferi, mikseri, mlinovi za kafu, fenovi za kosu i neke vrste prenosnih ručnih alata kao što su bušilice, brusilice i slični.

3. Zaštita električnim (galvanskim) odvajanjem. Električno odvajanje se postiže upotrebom transformatora prenosnog odnosa 230/230V pri čemu nijedna tačka sekundarnog kola ne sme imati kontakt sa zemljom. Na ovaj način najčeće se štite kola aparata za brijanje u kupatilima luksuznih hotela tako što se transformator za galvansko odvajanje ugrađuje u zid zajedno sa priključnicom bez zaštitnog kontakata. U ovu priključnicu ne sme se uključivati nikakav drugi prijemnik. Na ovaj način štite se još pojedini skupi medicinski aparati i elektronski mikroskopi. Najčešće se vezuje samo jedan prijemnik na jedan transformator za galvansko odvajanje.

4. Zaštita postavljanjem u neprovodne prostorije.

5. Zaštita lokalnim izjednačenjem potencijal bez spajanja sa zemljom.

TT-sistem zaštite

TT sistem zaštite je istorijski najstariji i primenjuje se od kada je počela elektrifikacija naizmeničnim naponom. Pogonsko (radno) uzemljenje zvezdišta trafostanice obeležava se ozanakom Rb i prema našim važećim propisima ono mora biti manje od 5Ω. U slučaju da su radno i zaštitno uzemljenje trafostanice izvedena kao zajedničko (ili združeno), tada ono mora imati otpor niži od 3,25 Ω. U praksi vrednost ovog uzemljenja je dosta manja, pogotovo u krajevima sa niskom specifičnom otpornošću tla. Na primer u Nišu i okolini u većini trafostanica vrednost otpora Rb je manja od 1Ω.

Otpor uzemljivača prijemnika koji se štiti označava se kao Ra i ona obuhvata i otpornost zaštitnog (PE) provodnika do izloženih provodnih delova. Vrednost ovog otpora nije eksplicitno definisana, ali prema citiranom standardu mora da bude zadovoljena relacija:

(1)Ia je struja koja obezbeđuje delovanje zaštitnog uređaja. To je u stvari struja kvara (greške) koja se računa kao:

(2)

Prema tome napon didira na kućištu prijemnika može se izračunati iz formule razdelnika napona kao:

(3)

Da bi ovaj uslov bio ispunjen uzemljivač štićenog objekta mora biti 3,6 puta bolje izveden od radnog uzemljenja trafostanice, što je praktično nemoguće ili ako je i moguće nije ekonomski racionalno za izvođenje. Zato se ovaj sistem pokazao kao istorijski neuspešan.

To je bilo jasno još krajem šesdesetih godina prošlog veka pa je problem pokušan da se reši ugradnjom zaštitne naponske sklopke tipa ZNS 25/IV. Ova

sklopka je imala naponski kalem koji je trebao da isključi napajanje pri pojavi napona većeg od 65V na zaštitnom vodu. Da bi mogla da funkcioniše ova sklopka je zahtevala radno uzemljenje od 200Ω, koje je lako izvodljivo. Tadašnji propisi dozvoljavali su da se u slučajevima tla sa visokom specifičnom otpornošću naponska sklopka priključuje na radno uzemljenje do 800Ω. Iskustva u eksploataciji pokazala su da je naponska sklopka ZNS 25/IV relativno nepouzdana u reagovanju.

Pravilnik o tehnikim normativima za električne instalacije niskog napona koji je donešen 1988.god. a stupio na snagu u proleće 1989.god. zabranio je upotrebu naponskih sklopki. U to vreme dozvoljeni napon dodira u instalacijama niskog napona smanjen je od 65V na 50V i samim tim upotreba ovakvih naponskih sklopki postala je deplasirana. Međutim zakonodavac ništa nije rekao do kada ih treba zameniti mnogo pouzdanijim strujnim sklopkama, koje se pravilno nazivaju zaštitni uređaji diferencijalne struje (ZUDS).

Trenutna situacija je takva da se TT-sistem održao u ruralnim sredinama i manjim gradovima. U jugoistočnoj Srbiji TT-sistem je aktuelan u Aleksincu, Dimitrovgradu, Svrljigu, jednoj polovini Prokuplja i svim selima u okolini Niša.

Uvođenje strujnih sklopki počelo je masovnije krajem sedamdesetih i početkom osamdesetih godina prošlog veka. U početku problem je bila njihova relativno visoka cena ali vremenom ona je pala na prihvatljivu. U našoj zemlji strujne sklopke se prodaju i ugrađuju za nazivne struje od 25, 40 i 63A, dok u drugim zemljama postoje sklopke od 100 i 200A. Izrađuju se za diferencijalne struje 0,5; 0,3 i 0,03A. To znači da ako se koristi uređaj diferencijalne struje 0,5A, tada struja Ia u formuli (1) ima tu vrednost. Da bi se zadovoljila ova nejednakost uzemljivač RA mora biti bolji od 100 Ω, što je lako postići i na zemljištu sa visokom specifičnom otpornošću.

ZUDS-evi isključuju za vreme kraće od 0,1s (30 do 40ms) što je jako dobro i koriste se i u TN sistemima (ako se pravilno povežu) kada je potrebno ubrzati isključenje. U nekim zemljama se vreme isključenja kod ZUDS-eva vremenski stepenuje, da bi se postigla selektivnost zaštite kao kod prekostrujnih relea u visokonaponskim mrežama. Kod nas se tako nešto ne praktikuje.

U slučaju da se imaju instalacije sa maksimalnom jednovremenom strujom većom od 63A u našoj zemlji se ne upotrebljavju sklopke za veće struje, već se instalacija deli na dva ili više delova i štiti sa više sklopki. Moguće je primeniti i rešenje preko takozvane FIT-FIR kombinacije za 100 ili 200A, kada se strujne sklopke napajaju preko strujnih transformatora.

Iako su vrlo pouzdane i strujne sklopke imaju neke nedostatke. Kod udara groma u blizini, strujne sklopke mogu reagovati bez razloga ako struja veća od diferencijalne potekne kroz obuhvatni transformator (torus) sklopke. Takođe atmosferski prenaponi mogu da unište sklopku ako instalacija nije zaštićena odvodnicima prenapona, jer je najveći deo Srbije sa manje od 40 dana godišnje sa grmljavinom gde upotreba odvodnika prenapona na kućnim priključcima nije obavezna.

Na kraju treba napomenuti da je u velikom broju domaćinstava u ruralnim delovima jugoistočne Srbije sistem zaštite od indirektnog dodira i dalje neefikasni TT sistem bez ikakve dodatne zaštitne sklopke. Naime, do avgusta 1998.god. elektične instalacije u privatnim zgradama priključivane su na distributivni napon bez pregleda, merenja i izdavanja stručnog nalaza od strane treće nezavisne firme. Elektrodistibutivna preduzeća radila su samo površan vizuelni pregled pre priključenja, tako da se može reći da ljude u tim domaćinstvima štiti samo mala verovatnoća dešavanja kvara.

TN-sistemi zaštite

Prvi TN sistemi ili po staroj terminologiji sistemi zaštitnog nulovanja uvedeni su u Srbiji početkom sedamdesetih godina prošlog veka izgradnjom Novog Beograda. Niskonaponka mreža grada Niš nulovana je 1978.god. a Pirota 1980.god., tako da se imaju dobra iskustva sa ovim sistemom zaštite u već dugom vremenskom periodu.

U ovom slučaju struja kvara (greške) ima povratni metalni put. Impedansa petlje kvara je najčešće u opsegu između 0,1Ω i 1Ω. Struje kvara su reda veličine nekoliko stotina ampera pa sve do par hiljada ampera. Ovako velike struje izazvaju brzo topljenje umetaka osigurača ili aktiviranje drugih vrsta zaštita.

Ukoliko su fazni i zaštitni (PE) provodnik napojnog kabla jednakog poprečnog preseka (što je najčešći slučaj u praksi), očekivani napon dodira kod kvarova tada iznosi:

(4)

U tom slučaju ovaj napon dodira mora biti eliminisan za vreme isključenja koje iznosi ti=0,4s za suve prostorije i ti=0,2s za vlažnu situaciju. Ako se radi o glavnim razvodnim ormanima i glomaznim prijemnicima koji se ne drže u rukama i kojima se retko rukuje, uslov je blaži, pa vreme isključenja može potrajati ti=5s

Kada je zaštitni provodnik manjeg poprečnog preseka od faznog, tada se za svaku konkretnu situaciju mora izračunati očekivani napon dodira koji je nešto veći od 115V. U tom slučaju vreme isključenja se očitava sa krivih L1 i L2 na sl. A.2 datoj u standardu SRPS.N.B2.741.

Sistem TN ima tri podvarijante i to su:

1. TN-C. To je četvoroprovodnički sistem u kome su zaštitni (PE) i nulti provodnik (N) fuzionisani u jedinstveni zaštino-neutralni (PEN) provodnik koji je obavezno žuto-zelene boje. Prednost ovog sistema je što je najeftiniji. Najveći nedostatak je što se kroz neutralni provodnik vraća povratna struja zbog nesimetrije opterećenja po fazama (In=Ia+Ib+Ic) i struje viših harmonika deljivih sa tri, koje se ne poništavaju već se sabiraju. Posledica toga je da se napon jednak padu napona na neutralnom provodniku pojavljuje na kućištima svih prijemnika štićenim na taj način. Taj napon je reda nekoliko volti i najčešće nije opasan u običnim instalacijama u zgradama. Međutim takav napon je opasan u eksploziono ugroženim prostorima, medicinskim ustanovama, računskim centrima i centrima za daljinsko upravljanje i na mnogim drugim mestima, što sužava mogućnosti upotrebe sistema TN-C. Ovaj problem se vremenom zaoštrava uvođenjem u pogon novih prijemnika u instalacijama kao što su na primer klima uređaji koji poseduju monofazne asinhrone motore koji direktno startuju i izazivaju značajne padove napona na PEN provodniku . Sistem TN-C ostaje povoljan za grube industrijske prijemnike, velikih snaga, koji su približno simetrični i koji se napajaju relativno kratkim kablovima.

2. TN-S. Ovaj sistem izvodi se petoprovodničkim kablovima do zvezdišta napojne trafostanice 10/0,4kV, pri čemu neutralni provodnik (N) uvek mora biti svetlo plave boje a zaštitni provodnik (PE) žuto-zelene boje. N i PE provodnik ne smeju se nigde spajati na čitavoj dužini do trafostanice. Na taj način izbegava se nedostatak prethodno opisan kod TN-C sistema ali su u ovoj varijanti upotrebljeni kablovi za oko 20% skuplji. Petoprovodnički kablovi proizvode se samo do preseka 16mm2, tako da se kod većih preseka pored četvorožilnog kabla mora polagati još jedan jednožilni kabl koji može biti za dve klase manjeg poprečnog preseka.

Kako sve više poslovnih zgrada, banaka, fakulteta i medicinskih ustanova zbog ugradnje skupe računarske opreme i opreme koja je po svojim karakteristikama

slična njoj, počinju da liče na velike računske centre, sistem zaštite TN-S se sve više nameće kao najbolje moguće rešenje za ovakve objekte.

3. TN-C-S. Ova varijanta predstavlja kompromis između dveju prethodno pomenutih. Ona se najčešće koristi, uglavnom za napajanje stambenih zgrada i svih ostalih objekata kod kojih nema problema zbog pojavljivanja malih napona na izloženim provodnim delovima prijemnika koji se štite na taj načim.

U tom slučaju napojni kabl od trafostanice do glavnog razvodnog mesta objekta je četvorožilni, jer je velikog preseka, pa je mali pad napona na delu trase na kome je zaštitno-neutralni provodnik izveden kao jedinstven, jer je velika verovatnoća da je opterećenje na tom delu blisko simetričnom. Usponski vodovi od glavnog razvodnog mesta do podtabli u stanovima izvode se kao petožilni i taj deo instalacije nalikuje na varijantu TN-S.

Problemi sa efikasnošću zaštite TN sistemima počinju da se pojavljuju na rastojanjima većim od 700m od napojne trafostanice 10/0,4kV, kada impedansa petlje kvara poraste tako da struja kvara ne može da aktivira zaštitnu komponentu u zahtevanom kratkom vremenskom roku. To najčešće nije veliki problem, jer se problem pada napona obično javlja ranije (na rastojanjima oko 400m). Ako se problem predugog vremena isključenja ipak pojavi, za ubrzanje se može primeniti ZUDS kao i u TT sistemu, ali se spajanje neutralnog i zaštitnog voda sme obaviti tek ispred ZUDS-a gledano sa strane napojne mreže, odnosno iza ZUDS-a ako se gleda sa strane štićenog prijemnika.

IT-sistem zaštite

Kod ovog sistema zvezdište 0,4kV napojne trafostanice nije uzemljeno ali jeste kućište štićenog prijemnika. U tom slučaju kod prvog kvara struja greške praktično nema putanju po kojoj se može zatvoriti. Jedini put su dozemne kapacitivnosti provodnika ispravnih faza, što je slična situacija kao kod srednjenaponskih mreža sa izolovanom neutralnom tačkom. Međutim, kako su niskonaponke mreže mnogo manjih dužina i manjih preseka kablova, ove kapacitivne struje su reda veličine svega nekoliko miliampera. Zato se može slobodno smatrati da je prvi kvar u ovakvoj mreži bezopasan. Realnu opasnost predstavlja nastanak drugog kvara na nekoj od ispravnih faza i tada nastaje dvofazni kratak spoj a to je situacija koja počinje da liči na TT ili TN sistem.

U praksi, ovaj sistem se još unapređuje dodatkom uređaja za nadzor izolacije koji se naziva kontrolnik (ili monitor) izolacije (KI). Ideja je da se ne dozvoli ni prvi kvar, kontinualnim praćenjem vrednosti otpornosti izolacije između svih žila napojnog kabla. Tih otpornosti ima maksimalno deset:

- tri između faznih provodnika- tri između faznih i neutralnog provodnika N,- tri između faznih i zaštitnog provodnika PE,- jedan između neutralnog i zaštitnog provodnika.

Sve ove otpornosti moraju biti veće od 0,5MΩ. Kontrolnik stalno pokazuje minimalnu izmerenu vrednost na displeju (ili na kazaljci kod starijih tipova kontrolnika). U slučaju približavanja minimalno dozvoljenoj vrednosti kontrolnik daje signal alarma (truba ili zvono), tako da se u tom slučaju ni prvi kvar ne može dogoditi.

IT sistem uz dodatak kontrolnika izolacije obavezno se koristi u sledećim situacijama:

- u el. instalacijama rudnika sa jamskom eksploatacijom,- u el. instalacijama hiruških sala,- u el. instalacijama u zoni 0 u sredinama ugroženim eksplozionim i zapaljivim

parama i gasovoma.Ovaj sistem pogodan je za zaštitu skupih medicinskih aparta (magnetna

rezonanca, skener, elektronski mikroskop itd) računarske i slične opreme. Međutim u Srbiji on se retko koristi, delimično zbog nedostatka iskustva sa njim a delimično zbog visoke cene kontrolnika izolacije.

Izjednačenje potencijala

Izjednačenje potencijala je dopunska mera koja se ovde pominje zato što je mnogi inženjeri ne razlikuju od pojma uzemljenje. U svakoj zgradi postoji sabirnica glavnog izjedančenja potencijala na koju se povezuju:

- glavni zaštitni (PE) provodnik,- zaštitno-nutralni (PEN) provodnik ako se radi o TN-C sistemu,- gromobranska instalacija,- temeljni uzemljivač (ako postoji),- glavne cevi vodovoda, toplovoda, gasovoda itd,- metalni delovi konstrukcije zgrade, centralnog grejanja i klimatizacije.

Glavno izjednačenje potencijala obično se izvodi provodnikom P-Y 16mm2. Cilj izjednačenja potencijala je da spreči unošenje potencijala u električnu instalaciju zgrade koji potiču od:

- kvarova na strani 10kV u trafostanicama 10/0,4kV a koji se preko združenog (radnog i zaštitnog) uzemljenja napojne trafostanice i zaštitno-neutralnog (PEN) provodnika napojnog kabla može uneti u zgradu,

- indukcije zbog paralenog vođenja kablova,- statičkog elektriciteta kao posledica trenja u tehnološkim procesima itd.

Osim glavnog, postoji i dopunsko izjednačenje potencijala u kupatilima stambenih zgrada. Ono se izvodi provodnikom P-Y minimalnog preseka 4mm2 do sabirnice za dopunsko izjednačenje potencijala a preseka 6mm2 od te sabirnice do podtable u stanu.

Osim u kupatilima, dopunsko izjednačenje potencijala izvodi se još u:- u računskim centrima,- u električnim instalacijama bolnica,- u eksploziono ugroženim prostorima obavezno u zonama 0 i 1 a poželjno je i u

zoni 2.

Teme za diskusiju

1. Postavljanje vremenskog roka za zamenu naponskih zaštitnih sklopki ZNS 25/IV, koje su već dvadeset godina stavljene van snage, odgovarajućim strujnim sklopkama (ZUDS).

2. Kako naći rešenje za električne instalacije u neefikasnom TT sistemu bez dodatne strujne sklopke u ruralnim sredinama gde su vlasnici nižeg imovnog stanja i nivoa obrazovanja?

3. Precizirati zahteve kada se projektant mora odlučiti za kvalitetniji TN-S sistem umesto malo jeftinijeg sistema zaštite TN-C-S, pogotovo u velikim zgradama u kojim su smeštene značajne državne i društvene institucije kao što su na primer: zgrada univerziteta, telekoma, i slične.

4. S obzirom da su tablično dozvoljene struje opterećenja opale uvođenjem JUS N.B2.752 1989.god., sada postoje kablovi u starim električnim instalacijama koji nisu zaštićeni osiguračima odgovarajuće veličine. S obzirom da opterećenja prirodno rastu po stopi od oko 1% godišnje, stvaraju se uslovi za dešavanje požara kod nerekonstruisanih instalacija u proteklom periodu.

5. Kakva su iskustva sa IT sistemima i kontrolnicima izolacije?