Rozdzielnice elektryczne i aparatura nn

Rozdzielnice elektryczne niskiego napięcia powinny spełniać wymogi norm. Dotyczą ich trzy. Taką jest obowiązująca od 2016 roku dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2014/35/UE określana jako dyrektywa niskonapięciowa (Low Voltage Directive, LVD). Jej wprowadzenie miało na celu poprawę bezpieczeństwa sprzętu elektrycznego dostępnego na rynku europejskim i przeznaczonego do użytku w określonych przedziałach napięć. Te ostatnie to 50 V ‒ 1 kV prądu przemiennego i 75 V ‒ 1,5 kV prądu stałego.

Do polskiego prawa dyrektywę LVD wdrożyło rozporządzenie ministra rozwoju z 2 czerwca 2016. Określono w nim wymogi dla sprzętu elektrycznego, których spełnienie gwarantuje, że nie zagraża zdrowiu ani bezpieczeństwu ludzi, zwierząt domowych ani mieniu, o ile jest właściwie zainstalowany, utrzymywany i użytkowany zgodnie z przeznaczeniem. W dokumencie opisano również procedurę oceny zgodności, zakres dokumentacji technicznej sprzętu elektrycznego, sposób jego oznakowania oraz elementy deklaracji zgodności.

Kolejną normą jest PN-EN 62208 pt. Puste obudowy do rozdzielnic i sterownic niskonapięciowych, która ma zastosowanie do obudów przed montażem w nich aparatury rozdzielczej i sterowniczej. Zebrano w niej definicje, klasyfikację, charakterystyki oraz wymogi testowania tych stanowiących część rozdzielnic i sterownic o napięciu znamionowym nie większym niż 1 kV prądu przemiennego albo 1,5 kV prądu stałego, które są przeznaczone do zastosowań wnętrzowych lub napowietrznych, zgodnych z normą PN-EN 61439. W dziedzinie rozdzielnic ta ostatnia ma kluczowe znaczenie.

Normy serii PN-EN 61439

Jest to zbiór dokumentów, jednego ogólnego i kilku szczegółowych norm produktowych. Pierwszy to PN-EN 61439-1 z ogólnymi definicjami, warunkami eksploatacji, wymogami konstrukcyjnymi, cechami technicznymi i wymogami w zakresie weryfikacji. Wytyczne te są wspólne dla rozdzielnic i sterownic niskonapięciowych różnych rodzajów, do których odnoszą się normy produktowe. Te dotyczą: rozdzielnic do rozdziału energii elektrycznej (PN-EN 61439-2), tablicowych, które są obsługiwane przez osoby postronne (PN-EN 61439-3), instalowanych na placu budowy (PN-EN 61439-4), do dystrybucji mocy w sieciach publicznych (PN-EN 61439-5), systemów przewodów szynowych (PN-EN 61439-6) i rozdzielnic do specjalnych zastosowań jak: mariny, kempingi, place targowe i stacje ładowania pojazdów elektrycznych (PN-EN 61439-7). Zgodność z normą PN-EN 61439 jest zapewniona, jeżeli rozdzielnica spełnia wymogi części ogólnej oraz odpowiedniej normy produktowej.

PN-EN 61439 jakiś czas temu zastąpiła normę PN-EN 60439. Oznaczało to kilka zmian. Taką było wprowadzenie koncepcji zestawu (rozdzielnicy) zgodnego, czyli takiego, który pomyślnie przeszedł weryfikację. Wyróżniono trzy równoważne sposoby stwierdzania zgodności: badanie laboratoryjne, porównanie z wcześniej sprawdzonym projektem odniesienia oraz ocenę weryfikacyjną.

Na przykład w przypadku odporności na korozję i wytrzymałości na udary mechaniczne dozwolone są wyłącznie badania laboratoryjne. Wytrzymałość zwarciową można sprawdzić przez badania, jak i porównanie z projektem referencyjnym. W przypadku limitów wzrostu temperatury akceptowane są z kolei wszystkie trzy sposoby.

Odpowiedzialność producentów

Ważną zmianą było także odróżnienie producenta oryginalnego od producenta zestawu. Generalnie pierwszy z nich opracowuje projekt, buduje oraz weryfikuje prototyp zgodnie z odpowiednią normą produktową, natomiast drugi odpowiada za montaż zestawu.

Szczegółowe obowiązki producenta oryginalnego to: przygotowanie projektu, testowanie prototypu, zbadanie zgodności zestawu z normą produktową, wyprowadzenie jego innych konfiguracji przez ich poddanie ocenie weryfikacyjnej lub sprawdzenie przez porównanie z konstrukcją referencyjną i udostępnienie dokumentacji technicznej zawierającej instrukcje dotyczące doboru komponentów i montażu.

Zadaniem producenta oryginalnego jest sprawdzenie: wytrzymałości materiałów i części zestawu, stopnia ochrony obudów, odstępów i dróg upływu, ochrony przed porażeniem prądem elektrycznym i integralności obwodów ochronnych, urządzeń i komponentów przełączających, wewnętrznych obwodów elektrycznych i połączeń oraz zacisków dla przewodów zewnętrznych. Powinien również zweryfikować: właściwości dielektryczne, limity wzrostu temperatur, wytrzymałość zwarciową, kompatybilność elektromagnetyczną, działanie mechaniczne.

Producent zestawu jest natomiast odpowiedzialny za: jego budowę zgodnie z instrukcją producenta oryginalnego, weryfikację każdego zakończonego montażu i sporządzenie deklaracji zgodności CE załączanej do dokumentacji technicznej. Powinien sprawdzić: stopień ochrony obudów, odstępy i drogi upływu, montaż komponentów, wewnętrzne obwody elektryczne i połączenia, ochronę przed porażeniem prądem elektrycznym oraz integralność obwodów ochronnych, działanie mechaniczne, zaciski przewodów zewnętrznych, właściwości dielektryczne, okablowanie, wydajność operacyjną i funkcjonalność zestawu.

Weryfikacja limitów wzrostu temperatury

W PN-EN 61439 nie zmieniono podanych we wcześniejszej normie limitów wzrostu temperatury elementów rozdzielnicy, definiowanych jako różnica między ich temperaturą a średnią temperaturą otoczenia. Podane wartości graniczne obowiązują dla +35°C. Jeżeli nie odpowiada to warunkom pracy rozdzielnicy i średnia temperatura otoczenia jest większa, wtedy limity wzrostu temperatury należy przeliczyć tak, by suma temperatury otoczenia i wartości granicznej wzrostu temperatury dla danego elementu nie uległa zmianie.

Przykłady limitów to: dla zacisków izolowanych przewodów zewnętrznych 70°C, elementów obsługi ręcznej z metalu 15°C, z tworzyw sztucznych 25°C i dostępnych obudów zewnętrznych oraz pokryw z metalu 30°C, z tworzyw sztucznych 40°C. Dla tych, do których można uzyskać dostęp, ale których nie trzeba dotykać podczas normalnej pracy, to dodatkowe 10°C.

Jak pisaliśmy limity wzrostu temperatur można weryfikować dowolną z trzech dozwolonych metod, w przypadku porównania z konstrukcją referencyjną trzeba jednak spełnić pewne warunki. Zestaw wywodzący się z innego, już przetestowanego pod kątem limitów wzrostu temperatury nie wymaga badań, jeśli jednostki funkcjonalne obu należą do tej samej grupy. To oznacza, że takie same są: ich funkcjonalność, schemat połączeń obwodu głównego, wartości znamionowe parametrów, rodzaj konstrukcji montażowej, rozmieszczenie urządzeń, typ, układ i przekroje poprzeczne przewodów. Ponadto wymiary zestawu poddawanego weryfikacji muszą być takie same albo większe, podobnie jak warunki chłodzenia muszą być takie same albo lepsze. Z kolei straty mocy powinny być takie same albo mniejsze niż w zestawie odniesienia.

Wytrzymałość zwarciowa

Rozdzielnice muszą być tak skonstruowane, by wytrzymywały skutki termiczne prądu zwarciowego do określonej wartości, poza tym, że są przed nimi chronione przez automatyczne wyłączniki albo bezpieczniki, które można instalować w zestawie lub po stronie zasilania. W normie PN-EN 61439 określono, w jaki sposób należy weryfikować wytrzymałość zwarciową, jak również kiedy nie jest to wymagane.

Nie jest to na przykład konieczne w przypadku rozdzielnic o znamionowym prądzie krótkotrwałym wytrzymywanym albo znamionowym warunkowym prądzie zwarciowym o wartości skutecznej, która nie przekracza 10 kA. Wymóg ten nie dotyczy również zestawów albo obwodów zestawów zabezpieczonych urządzeniami ograniczającymi prąd o prądzie odcięcia nieprzekraczającym 17 kA, odpowiadającym maksymalnemu dopuszczalnemu spodziewanemu prądowi zwarciowemu na zaciskach obwodu wejściowego zestawu. Wykluczone są ponadto obwody pomocnicze rozdzielnic przeznaczonych do podłączenia do transformatorów, których moc znamionowa nie przekracza 10 kVA dla znamionowego napięcia wtórnego nie mniejszego niż 110 V albo 1,6 kVA dla napięcia nie mniejszego niż 110 V, których impedancja zwarciowa jest nie mniejsza niż 4%. W pozostałych przypadkach wytrzymałość zwarciowa wymaga weryfikacji.

Badanie wytrzymałości zwarciowej

Sprawdzenie wytrzymałości zwarciowej opiera się na dwóch parametrach zespołu: znamionowym krótkotrwałym prądzie wytrzymywanym oraz znamionowym warunkowym prądzie zwarciowym.

Znamionowy krótkotrwały prąd wytrzymywany to wartość skuteczna prądu podawanego w próbie zwarciowej przez określony czas bez zadziałania urządzeń zabezpieczających. Producent zestawu deklaruje warunki dopuszczalnego zwarcia wyrażane przez prąd i czas. Dla danego zestawu może określić różne wartości prądu zwarciowego dla różnych czasów jego trwania. Norma definiuje też znamionowy prąd szczytowy jako gwarantowaną przez producenta zestawu wytrzymywaną wartość maksymalnego prądu zwarciowego.

Znamionowy warunkowy prąd zwarciowy to z kolei spodziewany prąd zwarciowy zadeklarowany przez producenta zestawu, który rozdzielnica może wytrzymać przez cały czas działania urządzenia zabezpieczającego przed zwarciem w określonych warunkach. Powinien być równy lub większy od spodziewanej wartości skutecznej prądu zwarciowego przez czas, który jest ograniczony działaniem urządzenia zabezpieczającego przed zwarciem, które chroni zestaw albo jego obwód.

Na podstawie wartości znamionowego krótkotrwałego prądu wytrzymywanego albo znamionowego warunkowego prądu zwarciowego można stwierdzić, czy rozdzielnica sprawdzi się w określonych warunkach instalacji, odnosząc je do spodziewanego prądu zwarciowego.

Właściwości dielektryczne

PN-EN 61439 wprowadza dwa parametry: napięcie znamionowe wytrzymywane o częstotliwości sieciowej oraz napięcie znamionowe wytrzymywane udarowe. Badanie pierwszego jest wymagane – nie dopuszcza się alternatywnych metod jego weryfikacji przez obliczenia ani ocenę.

Test określający znamionowe napięcie izolacji należy do obowiązków producenta oryginalnego. Po odłączeniu wszystkich obwodów pod napięciem, po stronie zasilania i obciążenia, przeprowadza się go w dwóch odrębnych fazach w obwodach głównych i obwodach pomocniczych.

W szczególności dla obwodów głównych zdefiniowano dwie różne procedury, w których napięcie probiercze przykładane jest w określony sposób. W pierwszej jest podawane pomiędzy wszystkimi połączonymi ze sobą częściami obwodu głównego pod napięciem, w tym obwodami sterującymi i pomocniczymi podłączonymi do obwodu głównego, a częściami przewodzącymi dostępnymi, przy czym styki główne wszystkich urządzeń przełączających są w pozycji zamkniętej. W drugiej z kolei napięcie probiercze jest podawane między każdą częścią obwodu głównego pod napięciem o innym potencjale a pozostałymi częściami pod napięciem o innym potencjale i częściami przewodzącymi dostępnymi połączonymi ze sobą, przy czym styki główne wszystkich urządzeń przełączających są w pozycji zamkniętej.

Niegdyś opcjonalny test napięcia udarowego wytrzymywanego jest obecnie wymogiem. Zaleca się badanie napięciem impulsowym 1,2/50 μs. Impuls taki podaje się pięć razy dla każdej polaryzacji w odstępach co najmniej 1 s w zestandaryzowany sposób. Zgodnie z PN-EN 61439 możliwa jest też, jako alternatywa, weryfikacja tego parametru przez ocenę. Ta nakazuje sprawdzenie, czy odstępy pomiędzy wszystkimi częściami pod napięciem, w przypadku których istnieje ryzyko wyładowań zakłócających, są co najmniej 1,5 razy większe niż wartości określone w normie.

Ochrona przed porażeniem

Ochronę przed porażeniem prądem elektrycznym w rozdzielnicach zapewnia eliminacja zagrożeń związanych z dotykiem bezpośrednim i pośrednim. Zabezpieczenia przed kontaktem bezpośrednim można podzielić na dwie grupy. Do pierwszej zalicza się izolację części pod napięciem. Powinno się ją wykonać z materiałów, które będą w stanie wytrzymać naprężenia mechaniczne, elektryczne i termiczne, którym mogą być poddane w trakcie użytkowania. Oprócz tego usunięcie izolacji musi być możliwe jedynie przez jej zniszczenie.

Drugą kategorię rozwiązań stanowią bariery i obudowy. Zaleca się, aby wszystkie powierzchnie zewnętrzne zapewniały stopień ochrony przed bezpośrednim kontaktem co najmniej IPXXB, czyli przed dostępem do części niebezpiecznych palcem. Poziome górne powierzchnie dostępnych obudów o wysokości równej lub mniejszej niż 1,6 m powinny z kolei zapewniać stopień ochrony co najmniej IPXXD, czyli przed dostępem do części niebezpiecznych drutem. Oprócz tego odległość między barierami a chronionymi przez nie częściami pod napięciem nie powinna być mniejsza niż wartości określone dla odstępów izolacyjnych powietrznych i powierzchniowych. Ważne jest także, by bariery i obudowy były stabilnie zamocowane. Powinny się też charakteryzować wystarczającą trwałością, aby mogły wytrzymać odkształcenia i naprężenia, które ,mogą wystąpić w czasie ich normalnej eksploatacji.

Zabezpieczenie przed kontaktem pośrednim stanowią obwody ochronne automatycznego systemu odłączania zasilania. Z obowiązku podłączenia do nich są zwolnione odsłonięte części przewodzące rozdzielnicy, które nie stanowią zagrożenia, gdyż nie można ich dotknąć na dużych powierzchniach lub chwycić rękoma ze względu na ich małe rozmiary. Przykład to śruby i tabliczki znamionowe.

Elementy do obsługi ręcznej, takie jak dźwignie, uchwyty oraz inne części metalowe, powinny być z kolei w sposób pewny połączone elektrycznie z częściami podłączonymi do obwodów ochronnych albo zaopatrzone w dodatkową izolację odpowiednią do maksymalnego napięcia izolacji zestawu. Jeżeli istnieje konieczność połączenia odsłoniętych części przewodzących przewodem ochronnym, pole jego przekroju poprzecznego powinno się dobrać odpowiednio do najwyższego znamionowego prądu roboczego.

Wyłączniki różnicowoprądowe

Jak pisaliśmy we wstępie, rozdzielnice niskiego napięcia stanowią nagromadzenie aparatury nn. Są to m.in.: wyłączniki różnicowoprądowe, wyłączniki nadmiarowoprądowe i przekaźniki.

Tytułowe wyłączniki są przystosowane do długotrwałej pracy w stanie zamkniętym i przeznaczone do załączania, przewodzenia oraz wyłączania prądów w warunkach normalnej pracy, czyli takich, w których suma geometryczna prądów w przewodach fazowych i neutralnym jest równa zeru. Wtedy prądy te wzajemnie się znoszą i przez przewód neutralny prąd nie płynie.

W razie zakłócenia stanu równowagi w przewodzie neutralnym pojawia się prąd różnicowy. Jeżeli przekroczy on wartość graniczną, zestyki wyłączników różnicowoprądowych otwierają się. W instalacjach elektrycznych niskiego napięcia wyłączniki tego rodzaju zapewniają odłączenie zasilania w ramach ochrony przed porażeniem w razie zwarć doziemnych L-PE, uzupełniają ochronę podstawową albo są elementem ochrony przed pożarem na skutek przepływu prądu upływu w razie uszkodzenia izolacji kabli w instalacji. Nie chronią jednak przed przeciążeniem ani prądami zwarciowymi ani uszkodzeniowymi w razie zwarcia międzyprzewodowego.

Klasyfikacja wyłączników różnicowoprądowych

Wyróżnia się kilka typów wyłączników różnicowoprądowych. Takimi są te o działaniu pośrednim i bezpośrednim (niezależne od napięcia sieci, załączane tylko prądem różnicowym), klasyfikowane ze względu na czas zadziałania wyłączniki bezzwłoczne i zwłoczne (selektywne) oraz ze względu na typ wyzwalania wyłączniki typu AC, A i B. Pierwsze są przystosowane do działania wyłącznie przy prądzie przemiennym sinusoidalnym o częstotliwości 50 Hz. Wyłączniki typu A zadziałają również przy prądzie pulsującym stałym ze składową stałą nieprzekraczającą 6 mA, natomiast te typu B dodatkowo przy prądzie stałym o niewielkim tętnieniu niezależnie od biegunowości.

Główne parametry wyłączników różnicowoprądowych to: napięcie znamionowe, znamionowy prąd różnicowy zadziałania, dla którego zalecane są następujące wartości: 0,006, 0,01, 0,03, 0,1, 0,2, 0,3, 0,5, 1, 2, 3, 5, 10, 20 oraz 30 A, prąd znamionowy ciągły, czyli maksymalny przy długotrwałej pracy wyłącznika w stanie zamkniętym, dla którego typowe wartości to na przykład: 6, 10, 13, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100 oraz 125 A, częstotliwość znamionowa, obciążalność zwarciowa, na podstawie której wyłączniki dzieli się na te bez i z wyzwalaczami nadprądowymi i liczba biegunów, w oparciu o którą rozróżnia się wyłączniki dwubiegunowe, trójbiegunowe oraz czterobiegunowe do obwodów odpowiednio jednofazowych, trójfazowych bez i z przewodem neutralnym. W ramce przedstawiamy budowę tytułowych wyłączników.

Wyłączniki nadmiarowoprądowe

Wyłączniki nadmiarowoprądowe (nadprądowe) chronią instalację przed przepływem prądów o zbyt dużym natężeniu. Stanowią one alternatywę dla bezpieczników topikowych. W przeciwieństwie do nich nie ulegają przepaleniu, co pozwala na ich wielokrotne użycie. Inaczej niż różnicowoprądowe nie chronią jednak użytkowników przed porażeniem prądem.

Długotrwały przepływ prądu o nadmiernym natężeniu może spowodować stopienie się izolacji na przewodach. To zwiększa ryzyko wystąpienia pożaru. Oprócz tego może wówczas dość do zwarcia się przewodów. Głównymi zadaniami wyłączników nadmiarowo-prądowych w związku z tym są: ochrona przewodów przed uszkodzeniem termicznym, zabezpieczenie ich przed skutkami zwarć i zapobieganie przyspieszonemu starzeniu się izolacji elektrycznej.

Najważniejsze elementy typowego wyłącznika nadmiarowoprądowego to: dźwignia napędowa, styk stały, styk ruchomy, zaciski i wyzwalacze, przeciążeniowy i zwarciowy. Te pierwsze to wyzwalacze termiczne (termobimetalowe), zbudowane z dwóch złączonych ze sobą płaskich płytek metalowych różniących się współczynnikami rozszerzalności cieplnej. Wzrost temperatury bimetalu wywołany przepływem prądu powoduje jego stopniowe wyginanie się, bo każda jego część ulega termicznemu odkształceniu w innym tempie. Ostatecznie odgina się on w stopniu powodującym mechaniczne przerwanie ciągłości obwodu elektrycznego.

Co wyróżnia wyzwalacze elektromagnetyczne?

Wyzwalacz termobimetalowy nie reaguje więc na przekroczenie prądu znamionowego natychmiast, zamiast tego aktywuje się dopiero w razie długotrwałego przeciążenia (stosunkowo niewielkiego 1,13‒1,45 prądu znamionowego) inaczej bowiem niepotrzebnie wyłączałby zasilanie w sytuacji niestwarzającego zagrożenia chwilowego przeciążenia, przykładowo w czasie rozruchu maszyn. Czas reakcji zależy od wartości natężenia prądu, typowo mieszcząc się w przedziale od ułamków sekundy do 1 godziny.

Na zwarcie reagują wyzwalacze elektromagnetyczne. Są zbudowane z cewki z dwoma rdzeniami. Jeden z nich może się przemieszczać. W przypadku nagłego wzrostu natężenia prądu na skutek namagnesowania rdzeni ten ruchomy wysuwa się z cewki. To powoduje mechaniczne rozwarcie styków wyłącznika i przerwanie ciągłości obwodu elektryczne go. Ponieważ przy zwarciu natężenie prądu szybko wzrasta do bardzo dużej wartości, wyzwalacz elektromagnetyczny powinien działać natychmiast – w praktyce w czasie krótszym niż 30 ms.

Charakterystyki wyzwalania

Wyłączniki nadprądowe klasyfikuje się ze względu na charakterystykę wyzwalania w zależności od natężenia przepływającego przez nie prądu. Wyróżnia się ich cztery typy podstawowe: A, B, C i D.

Wyłączniki nadprądowe o charakterystyce czasowo-prądowej typu A, o działaniu bezzwłocznym, które są wyzwalane przy prądzie przekraczającym 2‒3 razy prąd znamionowy, są rzadko używane, przede wszystkim do zabezpieczania wrażliwych urządzeń elektronicznych.

Popularne w instalacjach domowych są wyłączniki o charakterystyce typu B, które są wyzwalane przy prądzie zwarciowym stanowiącym 3‒5-krotność prądu znamionowego. Te o charakterystyce wyzwalania typu C przy prądach zwarciowych od 5 do 10 razy przekraczających prąd znamionowy są z kolei najczęściej wykorzystywane w instalacjach w przemyśle. Zabezpieczają w nich maszyny o dużych prądach rozruchowych, na przykład silniki elektryczne. Najmniej czułe są wyłączniki o charakterystyce typu D wyzwalane przy prądach zwarciowych od 10 do 20 razy większych niż prąd znamionowy. Także są popularne w przemyśle, w ochronie transformatorów, generatorów, sprzętu spawalniczego.