Zasada działania wyłącznika różnicowoprądowego, rozłączanie toru N oraz problemy w częstym wyzwalaniu wyłączników RCD

Jednym z głównych wymagań stawianych przed instalacjami elektrycznymi jest ochrona przeciwporażeniowa. To ona w bezpośredni sposób przekłada się na bezpieczeństwo osób korzystających z urządzeń elektrycznych. Na całość instalacji elektrycznej spełniającej wszystkie potrzeby ochrony przeciwporażeniowej składa się kilka współgrających ze sobą czynników. Przy projektowaniu, montażu i pomiarach instalacji pamiętajmy o tym, że łańcuch jest tak silny jak jego najsłabsze ogniwo.

1. Przewód Neutralny – dlaczego jest ważny?

Jest to przewód połączony bezpośrednio z punktem neutralnym całego układu lub części sieci, przewód ten może brać udział w przesyłaniu energii, zazwyczaj w większej jego części, jest to PEN, czyli pełniący funkcje roboczo-ochronne. Jednak w tym artykule skupimy się na typowym przewodzie N, czy to w układzie TT, czy też po podzieleniu w układzie TN-C-S, TN-S.

W przypadku jeżeli w sieci TN lub TT przekrój przewodu neutralnego odpowiada przekrojowi przewodów fazowych, nie jest wymagana wykrywanie prądów przetężeniowych, jednakże biorąc pod uwagę kierunek rozwoju elektrotechniki, a zwłaszcza gałęzi energoelektronicznych, w przyszłości może się to zmienić, np. konieczne może się okazać przewymiarowanie przewodów neutralnych ze względu na wpływy wyższych harmonicznych oraz problemów związanych z nadmiarem mocy biernej pojemnościowej.

Jeśli wymagany jest pomiar prądów na przewodzie neutralnym, to najlepszym sposobem jest odłączenie od zasilania wszystkich przewodów fazowych, pozostawiając tor N lub zgodnie z normą należy najpierw rozłączyć tory fazowe i dopiero potem tor N, załączając w kolejności odwrotnej.

Jeśli weźmiemy pod uwagę tzw. instalacje mieszkaniowe, spełnienie warunku do braku wykrywania przeciążenia przewodu neutralnego wynika z zabezpieczeń zainstalowanych na przewodach fazowych. I tutaj ważna podpowiedź: przewód neutralny jest najlepiej chroniony jeśli obciążenia odbiorcze w sieci trójfazowej są rozłożone jak najbardziej równomiernie.

Inaczej ma się sytuacja w sieci IT, ale tu to tylko o niej wspomnę, gdyż jest to układ, który powinien być obsługiwany przez wykwalifikowany personel. W przypadku tego układu prądy przetężeniowe powinny być wykrywane na całości sieci. Wyjątkiem jest zabezpieczenie przeciwzwarciowe na początku sieci (nie zawsze stosowane). Jeśli brak tego zabezpieczenia, tor N układu winien być zabezpieczony wyłącznikiem różnicowym o obciążeniu dla przewodu neutralnego spełniając zależność:

I_∆N ≤ 0,15 I_ZN

2. Załączanie i rozłączanie toru N

Wbrew obiegowej opinii tor N w pewnych przypadkach można rozłączać, a w niektórych trzeba, jednak zgodnie z normą IEC60364-1 oraz PN-HD 60364-1:2010. Trochę danych znajdziemy także tutaj: PN-HD 60364-4-41:2017-09 i tutaj: PN-HD 60364-6:2016-07.

Najważniejszą zasadą, którą są zobligowani producenci, w przypadku produkcji jakiegokolwiek osprzętu z oznaczeniem toru N, jest kolejność łączeniowa, tzn. najpierw zostają rozłączone tory fazowe, następnie tor neutralny, a przy załączeniu aparatu najpierw zostaje załączony tor N, następnie tory fazowe.

Rys. 1. Jak widać przy torze N jest kreseczka oznaczająca kolejność łączeniową, w tym wypadku wyłącznik RCD

Rys. 2. Różnica między aparatem 3P+N a 4P

Jeśli na urządzeniu jakiegokolwiek producenta zobaczymy oznaczenie toru N, czy taki schemacik to możemy być pewni, że tor ten działa zgodnie z w/w normami. Czasami jednak schemat jest bez kreseczki, a tor oznaczony i wtedy jest to tak samo działające urządzenie. W niektórych przypadkach producenci odsyłają do not katalogowych i tam możemy znaleźć więcej informacji na ten temat – np. dla RCD Legranda brak kreseczki na schemacie, jednak dokładną różnicę można znaleźć w dokumentacji wyłącznika:

Nie będę się tutaj rozwodził kiedy należy rozłączać przewód neutralny, a kiedy nie jest to wymagane. Jednak często przy publikacjach na ten temat padają pytania: po co więc buduje się wyłączniki 4P, skoro dużo lepsze jak by wszystkie 4-polowe było z torem N, a tylko do niektórych rozwiązań można by stosować 4P z jednoczesnymi torami? A więc prawda jest taka, że chodzi o pieniądze – wykonanie rozłącznika 4P jest po prostu tańsze, a w wielu przypadkach w zastosowaniach przemysłowych, gdzie za takim rozłącznikiem mamy same symetryczne obciążenia trójfazowe, takie rozwiązanie jest wystarczające. A właśnie przemysł jest największym odbiorcą osprzętu, także modułowego. Największym problem jest gdy za takim rozłącznikiem znajdują się odbiory nie symetryczne, nie równo obciążone fazy itp. Dla czułej elektroniki w przypadku rozłącznika 4P nawet ta 1 milisekunda załączenia faz przed N może być szkodliwa. Napięcie dążą wtedy do napięcia międzyfazowego. Prawdą też jest, że gdy przeważały odbiorniki czysto rezystancyjne, problem ten nie był aż tak zauważalny. Podając tylko dla przykładu, tor N rozłącza się w niektórych strefach wybuchowych, spotykane jest to także w niektórych dużych maszynach przejezdnych zasilanych kablem na zwijaku wykorzystywanych np. w górnictwie odkrywkowym.

Dla układu TT zaleca się aby wyłącznik czy rozłącznik, zwłaszcza w mieszkaniówce, był zastosowany właśnie z torem N. Czasami zdarza się, że wymagane jest stosowanie wszystkich wyłączników nadmiarowo-prądowych z torem N, często spotykane u naszych zachodnich sąsiadów, także w układzie TN-S. Głównym tego powodem jest właśnie płynięcie prądów przewodem N związanych z asymetrią obciążeń. Wyłączenie wszystkich przewodów roboczych ułatwia w dużym stopniu zarówno wykrycie usterek w danym obwodzie, jak i ich usunięcie.

3. Wyłączniki RCD

Po tym wstępie widać dlaczego następną częścią są wyłączniki RCD, każdy z 4-polowych wyłączników, który korzysta z przewodu N, posiada kolejność łączeniową opisaną wcześniej. Dla wyłączników 1-fazowych nie jest to konieczne.

Pierwsze wyłączniki powstały dość dawno – tego typu urządzenie opisano już w 1928 r. Były stosowane jako zabezpieczenia ziemnozwarciowe głównie dla sieci SN i nadal są w ten sposób wykorzystywane. Jeśli zaś chodzi o wyłączniki RCD, które kontrolowały bardziej stan izolacji, ich czułość wynosiła 100 mA i pojawiły się już około 1940 r. Natomiast wyłączniki o czułości 30 mA to już lata 50-te. Problemem były ich częste wyzwolenia, zwłaszcza podczas przepięć związanych z wyładowaniami atmosferycznymi w czasie burz. W chwil obecnej większość problemów z poprzednich lat zostało wyeliminowanych, a same aparaty działają naprawdę dobrze jeśli wykorzystujemy je w sposób zgodny z zaleceniami producenta. Do dzisiaj zasada działania zarówno wyłączników modułowych, większych przekładników Ferrantiego wyglądającego po prostu jak duży przekładnik, powiązanych zależnie od sposobu ochrony z modułem ziemnozwarciowym czy też wyzwalaczem działającym identycznie jak wyłącznik modułowy, jest taka sama.

Jak działają wyłączniki i dlaczego nie potrzeba do jego działania wszystkich faz czy przewodu neutralnego?

Zasada działania przekładnika Ferrantiego jest nadzwyczaj prosta – jest to po prostu przekładnik sumujący. Dlatego ważna jest tylko i wyłącznie suma geometryczna prądów. Spełniona musi być więc taka zależność:

 I_L1 + I_L2 + I_L3 + I_N = 0

Zatem jeśli prąd będzie płynął jedynie przez fazę np. L1 i L3, a brak będzie upływności do przewodu PE, który nie przebiega bezpośrednio przez przekładnik, to nie ma możliwości zadziałania wyłącznika. Podobnie sprawa się ma, jeśli odbiornik jest symetryczny, np. silnik asynchroniczny, który do działania nie potrzebuje w ogóle przewodu neutralnego, np.:

2A – 1A – 1A + 0 = 0

Dla tego przykładu (bardzo uproszczonego, więc proszę nie brać go na serio 😉) w pierwszej fazie silnik pobiera 2A, natomiast w fazie drugiej i trzeciej są oddawane po 1A – w przewodzie neutralnym nie płynie żaden prąd.

Dlatego też producenci często na opakowaniach wyłączników 4-polowych podają różne możliwości podłączenia takiego wyłącznika. Bo po prostu nie jest konieczne podłączenie wszystkich jego zacisków. W chwili obecnej nawet przycisk testu często jest przystosowany do 400 V, żeby wyeliminować potrzebę podłączenia przewodu neutralnego.

Budowa wyłącznika różnicowoprądowego:

A – Przycisk zwierający rezystor testowy
B – Tory prądowe
C – Włącznik
D – Przekładnik Ferrantiego
E – Wyzwalacz w przypadku upływu
1 – Przycisk testujący
2 – Rezystor
3 – Rdzeń przekładnika
4 – Uzwojenie wtórne
5 – Uzwojenie wyzwalacza
6 – Kotwica
7 – Magnes stały

Przykładowe zastosowania 4-polowego RCD w innych kombinacjach:

Wyłącznik RCD w całej okazałości oraz jego schemat połączeniowy – w tym wypadku jednak rezystor wymaga podłączenia toru N aby zadziałał przycisk TEST.

W instrukcji dołączonej do opakowania producent podaje prawidłowy sposób podłączenia, a prawidłowe oprzewodowanie przycisku testowego jest wymogiem poprawnej eksploatacji.

Źle podłączony obwód testowy = obwód testowy nie działa = aparat do wymiany!

Typy oraz selektywność zabezpieczeń różnicowoprądowych

Nie będziemy się całkowicie rozwodzić nad typami wyłączników. Opisze je pokrótce, a następnie poruszę rzecz, o której niestety niewielu elektryków zdaje się wiedzieć, że w ogóle istnieje.

Najczęściej spotykane są wyłączniki RCD typu:

• AC – działają dla prądu przemiennego sinusoidalnego
• A – działają dla prądów zmiennych pulsujących ze składową stałą (DC) do 6mA
• B – dla wszystkich prądów tj. zmiennego, pulsującego oraz stałego DC

Istnieje jeszcze kilka typów działających przy dużych częstotliwościach itp. Nie będę także wskazywał jakie wyłączniki RCD gdzie stosować, bo jest cała masa poradników udostępnianych często przez samych producentów.

Moje osobiste zdanie jest takie, że czasy RCD typu „AC” w tzw. „mieszkaniówce” bezpowrotnie mijają i ja staram się zawsze stosować aparaty typu „A” (jeśli oczywiście jest zgoda inwestora). W przypadku wielu gałęzi przemysłu wyłączniki „AC” będą jednak służyć jeszcze wiele lat.

Kolejna klasyfikacja związana jest ze zwłocznością:

1. Bez zwłoczności – brak oznaczenia
2. Krótkozwłoczne do 10 ms – np. typ G
3. Selektywne z czasem zwłoki do 40 ms – typ S

Selektywność zabezpieczeń różnicowoprądowych to temat tabu dla dużej rzeszy instalatorów w naszym kraju. A spoglądając na wykres powyżej łatwo zauważyć, że selektywność RCD łatwiej zachować niż selektywność wyłączników nadmiarowo-prądowych, bo charakterystyki nie zazębiają się. W przypadku układu sieci TT, gdzie często wyłącznik RCD jest podstawową ochroną, należy zabezpieczyć „różnicówki” ogólnego zastosowania wyłącznikiem najlepiej selektywnym. Dodatkowo przyjęto, że zabezpieczamy wyłącznikiem o prądzie różnicowym trzykrotnie większym niż prąd zadziałania wyłącznika pierwszego od strony obciążenia, więc w przypadku 30 mA kolejny typoszereg to 100 mA, a nie 300 mA, jak niejednokrotnie mogłem spotkać podczas pomiarów takich instalacji.

W przypadku wyzwalaczy stosowanych w przemyśle sprawa jest jeszcze prostsza, bo wyzwalacze często posiadają regulowane nastawy zarówno prądów jak i czasu zadziałania. W przypadku RCD ogólnego zastosowania selektywność między 30 mA a nawet 500 mA jest praktyczne równa zero. Związane jest to oczywiście z prądem wyzwalania.

Dlaczego warto stosować 1-fazowe wyłączniki RCD dla odbiorów 1 fazowych?

Mimo że można stosować wyłączniki 4-polowe czy inaczej trójfazowe do odbiorów jednofazowych to nie zaleca się ich używania, zwłaszcza przy obecnych cenach RCD. Najważniejszą wadą takiego rozwiązania jest możliwość uszkodzenia właśnie toru rozłączającego przewód neutralny. Nie byłoby to problemem, jeśli nie zabezpieczałby ten wyłącznik grupy odbiorów. I chociaż niezawodność „różnicówek” wciąż rośnie to awarie nadal się zdarzają. Należy pamiętać, że życie wyłącznika znacząco się wydłuża, jeśli jest testowany zgodnie z zaleceniami producenta, a jego przeglądy wykonywane są przez pomiarowca rzetelnie.

Więc jeśli elektryk chce spać spokojnie, najlepiej jeśli dla odbiorów jednofazowych zastosuje po prostu wyłączniki różnicowoprądowe 2P. W tym artykule pominąłem problemy z wyzwalaniem wyłącznika RCD z powodu ponownych połączeń przewodów neutralnych z ochronnymi za „różnicówką” czy też błędy montażowe. Skupię się na jednym z problemów, który trudniej wychwycić.

Jeśli chodzi o jeden wyłącznik różnicowoprądowy dla całej instalacji to czasy te minęły bezpowrotnie! Koniec kropka. Biorąc pod uwagę zastosowanie jednego trójfazowego wyłącznika dla całej instalacji domowej mija się całkowicie z celem i jest źródłem problemów i zniechęcenia dla tego typu ochrony przeciwporażeniowej, która wykonana z głową pracuję naprawdę dobrze. Nie ma możliwości wykonania instalacji z jednym wyłącznikiem ze względu na charaktery obciążeniowe zarówno w sieciach przemysłowych jak i domowych, a także na stałe prądy upływowe.

Każda instalacja wykazuje jakiś poziom stałych prądów upływowych związanych z ładowaniem izolacji i jej upływności, starzeniem się tej izolacji, czynnikami zewnętrznymi (najczęściej wilgoć), zmianami temperatury, a także zwykłą pracą urządzeń z zasilaczami impulsowymi posiadającymi filtry oraz wszelkie przemienniki częstotliwości niezależnie od ich mocy.

Tabela z normy IEC 61140:

Na poniższym zdjęciu można zauważyć, że za przekształtnikiem częstotliwości może pojawić się nawet 3,5 mA upływu:

Jak widać same urządzenia biurowe mogą powodować prąd upływu 5 mA. Wystarczy, że dorzucimy do tego TV, radio, pralkę i zmywarkę, parę źródeł światła typu LED i może się okazać, że normalna praca instalacji powoduje zadziałanie wyłącznika RCD.

Zachęcam do komentowania tego artykułu. Mam nadzieję, że zakończy wiele on dziwnych tematów na forum naszej Grupy. Chciałbym aby było to raczej utrwalenie wiedzy, a nie jej poszerzenie. Być może otworzy też oczy niektórym inwestorom, bagatelizującym problemy w dzisiejszych instalacjach elektrycznych i może uratuje to kiedyś od tragedii.