Kara za pobór mocy biernej

Moc bierną można podzielić na pojemnościową i indukcyjną onegdaj nazywaną mocą bierną oddaną i pobraną. Wszyscy krajowi operatorzy zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Klimatu i Środowiska z dnia 5 stycznia 2022 r. zmieniającego rozporządzenie w sprawie szczegółowych zasad kształtowania i kalkulacji taryf oraz rozliczeń w obrocie energią elektryczną nakładają karę za nadmiarowe wprowadzanie mocy biernej pojemnościowej do sieci, niezależnie od współczynnika mocy oraz karę za ponad umowny pobór mocy indukcyjnej przy tgα=0,4, co w przybliżeniu odpowiada wartości współczynnika mocy 0,92.

Dlaczego odbiorcy karani są bardziej za moc pojemnościową względem indukcyjnej? Dzieje się tak dlatego, że moc bierna która pobierana z sieci jest naturalnie wytwarzana przez generator czy niedługie linie WN. Dodatkowo ze względów historycznych sieci skompensowane są w sposób, w którym nie spodziewano się tak dużej generacji mocy biernej pojemnościowej, zatem jest jej dużo więcej niż zakładano. Dodatkowo ten rodzaj mocy może powodować nadmierne miejscowe narastanie napięcia, co jest szczególnie niebezpieczne.

Podsumowując całą „definicję” moc bierna w obwodach prądu przemiennego jest niezbędna, jednak jej nadmierne przepływy niosą za sobą realne zagrożenia. Póki co odbiorcy indywidualni w taryfie G nie muszą się martwić karą za moc bierną.

Współczynnik PF (Power Factor)

W przypadku rozpatrywania odbiorników energii elektrycznej dla odbiorców rozliczanych z mocy biernej ważny będzie współczynnik mocy, tzw. power factor. Jest on ściśle związany z trójkątem mocy. Oczywiście taki trójkąt odnosi się do szczególnego przypadku z czysto sinusoidalnym przebiegiem, co rzecz jasna w życiu zdarza się bardzo rzadko.

Gdzie:
S – moc pozorna
P – moc czynna
Q – moc bierna

Widoczny na rysunku kąt φ to nic innego jak współczynnik mocy.

Analizując powyższy rysunek można się domyślić skąd wzięły się określenia związane z funkcjami trygonometrycznymi. Większość krajowych OSD opiera się o tangens kąta alfa, który związany jest ze współczynnikiem mocy, bardzo często błędnie określanym cosinusem fi. Jednakże zgodnie z nomenklaturą cosinus jest określony z góry dla pewnych warunków znamionowych oraz czysto sinusoidalnego przebiegu. Dlatego dla nas ważniejszy będzie współczynnik mocy, który jest określany dla warunków mierzonych, z angielskiego power factor.

Moc bierna a oświetlenie LED

Skupiając się na problematyce związanej z mocą bierną w instalacjach oświetleniowych, a zwłaszcza na zdobywających popularność oprawach LED, można powiedzieć, że przedział współczynnika mocy jest ogromny. Związane jest to z kiepskimi układami zasilania. Oczywiście oświetlenie tego typu jest „z natury” urządzaniem o charakterze pojemnościowym, to jednak niedopuszczalne powinny być takie oprawy, gdzie zdarza się, że na 100W mocy czynnej moc bierna wynosi 100var. Poniższy przykład przedstawia problem wymiany oświetlenia dla obiektu biurowo-magazynowego na tuby ledowe marki „noname”. Widoczny w kolorze czerwonym pik pobranej mocy czynnej przedstawia uruchomienie oświetlenia w części magazynowej, nagły „spadek” mocy biernej – na rysunku kolor niebieski to tak naprawdę moc bierna pojemnościowa, która poszybowała w dół ze względu na ujemny znak przepływu mocy.

Jest to bardzo skrajny przykład chyba najgorszych źródeł jakie obecnie można dostać na rynku, gdzie moc czynna nie przekracza 1 kW, natomiast moc bierna zmierza do ponad 2 kvar, co daje nam współczynnik mocy na poziomie 0,45. A przypominam: jego wartość nie powinna być poniżej 0,92. W przypadku wymiany oświetlenia dla odbiorców indywidualnych pewnie moc czynna spadłaby 3-krotnie, co nie zmienia faktu, że oświetlenie takie nadal powoduje wcześniej wymienione skutki związane np. z „zapychaniem” przewodów i kabli zasilających, choć nie jest to widoczne na rachunku jak ma to miejsce w rozliczeniu taryf przemysłowych. Być może zdarzało się wam wyzwolenie zabezpieczenia nadmiarowo-prądowego, gdzie teoretycznie przepływa mała moc? Być może właśnie płyną tam duże moce bierne, których nie zmierzymy najprostszym miernikiem.

Bardzo podobna sytuacja ma miejsce na powyższym przykładzie, tutaj po remoncie i wymianie części oświetlenia na LED rachunki także wzrosły pomimo zapewnień wykonawcy o dużych oszczędnościach. O ile w budynku na poprzedniej analizie udało się uratować rachunek samą wymianą oświetlenia na takie które ma określony współczynnik mocy, akurat użyte potem zostały oprawy Philips z serii Ledinaire. Tak w tym wypadku nie obyło się bez kompensacji, ponieważ oprawy zostały zabudowane w suficie podwieszanym i bez kolejnego remontu nie udało by się ich wymienić, to także UPSy generowały stałą ilość mocy biernej pojemnościowej.

Modernizacja oświetlenia na źródła LED mimo wszystko ma sens. Nie mniej jednak nie warto stosować najtańszych opraw, zwłaszcza w obiektach przemysłowych, biurowych itp. niejednokrotnie wymiana oświetlenia w budynkach użyteczności publicznej odbija się czkawką. Niestety w przypadku takich obiektów jedynym wyznacznikiem przetargu jest cena i bardzo rzadko przed przetargiem odbywają się jakieś konsultacje, które pozwoliłyby wyeliminować nieodpowiednie oferty. Kończy się to zazwyczaj wydaniem kolejnych pieniędzy na kompensację mocy biernej lub – jak w opisanym przypadku – ponowną wymianą oświetlenia.

Większość tańszych lamp nie posiada w ogóle określonego w specyfikacji współczynnika mocy. Na szczęście wszyscy lepsi producenci podają takie informacje, dla przykładu lampa typu HighBay produkcji Philips:

Współczynnik na poziomie 0,9 pozwoli na utrzymanie rachunków na sensowym poziomie. Dzięki dużemu spadkowi ilości pobieranej mocy czynnej (i braku kar za moc bierną) taka inwestycja na pewno się zwróci.

Kiepskie układy zasilające oprócz problemów z generowaniem mocy biernej niestety posiadają także wysoki poziom współczynnika zawartości harmonicznych (tzw. THD I odnoszący się do prądu lub THD U odnoszący się do napięcia). O ile w tym przypadku THD U utrzymuje się na w miarę sensowym poziomie tak współczynnik harmonicznych w prądzie jest wręcz dramatyczny. Tym bardziej na pewno odnosi się on do wyżej wymienionych tub ledowych, bo nakreślony jest dokładnie w tym samym okresie czasowym.

Porównanie różnych źródeł światła LED

Na potrzeby tego artykułu dokonałem analizy zasilania trzech źródeł oświetlenia wykonanych w technologii LED. Pierwszym była oprawa Philips z serii Ledinaire o mocy 30W. Kolejną była jedna z opraw najczęściej spotykanych na obiektach przemysłowych czy magazynowych zmodernizowanych w nieodpowiedni sposób. Jest to oprawa na 2 tuby ledowe i początkowo każda z tych tub miała być analizowana osobno, jednak okazało się, że ich współczynnik mocy i ilość mocy były praktycznie identyczne, więc obie trafiły do oprawy. Dzięki temu nawet moc czynna jest porównywalna do lampy ze stajni Philipsa. Ostatnim źródłem jest najtańsza lampa znaleziona na portalu aukcyjnym również o mocy 30W.

Mój test trwał 50 minut, wszystkie pomiary dodatkowo uśredniłem. Jak zapewne większość czytających się domyśla, w przypadku takich odbiorników nie było zbyt dużych zmian, mimo to wyniki są dość ciekawe.

Na pierwszy ogień powędrowała moc czynna pobierana przez lampy. Faza nr 1 to lampa Philips Ledinaire, faza nr 2 to tuby ledowe oraz faza nr 3 to najtańsza lampa z popularnego portalu aukcyjnego. Na poniższym wykresie widać, że lampa Philips pobiera mniej mocy czynnej niż zadeklarował producent. Podobnie jest w przypadku dwóch tub ledowych – można to wytłumaczyć niskim napięciem z sieci, które oscylowało około wartości 224V. Jednak ostatnia lampa, która deklaruje moc na poziomie 30W, w rzeczywistości pobiera 36W.

Nie inaczej było w przypadku pomiaru współczynnika mocy – dużych zmian podczas pomiaru oczywiście nie było. Wyniki:

• Philips Ledinaire: 0,97
• Tuby ledowe „noname”: 0,64
• Lampa z portalu aukcyjnego: 0,63

Wykres powyżej pokazuje to na czym zależy nam najbardziej, czyli ilość mocy biernej. We wszystkich przypadkach mamy do czynienia z mocą bierną pojemnościową. Dlaczego to tak ważne? Bo jak wcześniej wspominałem za moc bierną pojemnościową płacimy już od 1 var za moc bierną indukcyjną możemy się już zmieścić w widełkach zazwyczaj jest to tg kąta alfa na poziomie 0,4. Nie mniej jednak PF na poziomie 0,97 jest już świetnym wynikiem. Poniżej tabelka która zobrazuje koszty jakie poniesiemy w przypadku montażu kiepskich opraw. Najłatwiej będzie to przedstawić na np. 100 oprawach – w końcu karą za moc bierną obarczeni są przedsiębiorcy oraz samorządy.

Problemem jest też współczynnik zawartości harmonicznych prądu. O ile w przypadku Philipsa plasuje się on na poziomie 6% i tak jest naprawdę świetnie, tak tańsze źródła okropnie sieją. Współczynnik ten dla tub ledowych to nawet 107%, nieznacznie lepiej jest w przypadku oprawy z portalu aukcyjnego.

W przypadku harmonicznych tak naprawdę już od piątej rzędu czyli 250 Hz może dochodzić do efektu naskórkowości. Problemem też są nieparzyste np. trzecia oraz siódma, dla których całość prądu płynie tylko przewodem neutralnym. Jeśli chodzi o oprawę marki Philips już druga harmoniczna jest praktycznie wartości zerowej.

Jak widać koszty w przypadku większej ilości oświetlenia mogą nawet sięgać 3000 zł rocznie w przypadku dość prostych obliczeń i ceny na poziomie 0,75 zł za kWh. Tak naprawdę im więcej używamy oświetlenia i więcej znajduje się go w naszym przedsiębiorstwie tym rachunek bardziej działa na korzyść renomowanych źródeł światła.

Podsumowanie i wnioski

Można zauważyć, że problem mocy biernej nowoczesnych technik świetlnych typu LED jest nadal aktualny i nie można go pomijać. Nie dość, że generuje niepotrzebne koszty stałe, to tak naprawdę inwestycja w lepsze oprawy zaowocuje większą niezawodnością oraz łatwiejszym montażem. Początkowo miałem nie poruszać tej sprawy, ale warto zaznaczyć, że o ile montaż lampy Philipsa zajmuje dosłownie kilka chwil, tak z pozostałymi oprawami trzeba się niestety namęczyć. Większość opraw typu świetlówkowego dociera do nas na zasadzie „złóż to sam”, natomiast lampa z portalu jakoś dziwnie odspoiła folię, która miała być mleczną imitacją klosza.

Ale wracając do tematu: oprócz kwestii finansowych, tylko oprawa Ledinaire posiadała współczynnik zawartości harmonicznych na jakimś sensowym poziomie, przy tak dużej THD I jakie posiadają inne oprawy i przy ich dużej ilości mogą powodować problemy związane z nieprawidłowym działaniem prostowników, przetwornic częstotliwości, nadmiernym nagrzewaniem transformatorów czy niepoprawnym działaniem automatyki. Tak wysoka zawartość wyższych harmonicznych ma jednak największy wpływ na elementy typowej infrastruktury sieciowej – aby na takim obiekcie zbudować kompensację mocy biernej niezbędne będą dodatkowe filtry, co znów odbija się finansowo na kolejnej inwestycji, więc jeśli ktoś wnioskował z tego artykułu, że na zakładzie w którym dominują obciążenia indukcyjne w jakiś sposób będzie mógł je skompensować za pomocą kiepskich źródeł światła też jest niestety w błędzie.

Artykuł Moc bierna w instalacjach oświetleniowych LED pochodzi z serwisu Elektryka Prąd Nie Tyka - instalacje elektryczne w praktyce.

Legrand XL-PRO³ jest skierowany zarówno do instalatorów mieszkaniowych poszukujących programu prostego w obsłudze jak i prefabrykatorów rozdzielnic głównych o prądach nawet do 6,3 kA.

Dla jasności: Nie jest to mój pierwszy wybór jeśli zajmujemy się automatyką czy szeroko rozumianą elektrotechniką przemysłową, chociaż i tam znajdzie swoje miejsce i może okazać się pomocny.

Dokumentacja powykonawcza pozostawiona klientowi przez elektryka jest moim zdaniem znacznie ważniejsza od estetyki, na którą tak często zwracamy uwagę w przypadku instalacji elektrycznych.

Niestety gdy przyjdzie nam przerabiać kilkuletnią rozdzielnicę domową lub gdy zajrzymy do większości szaf przemysłowych, gdzie po kilkunastu awariach wysypuje się już „makaron” (bo jednak przestoje są drogie, więc i naprawy muszą być szybkie, niekoniecznie ładne), to dostęp do dobrej dokumentacji i schematu może okazać się niezbędny. Niestety z moich obserwacji wynika, że około 80% rozdzielnic i wszelkich instalacji, które spotykam zwłaszcza w budownictwie mieszkaniowym nie posiada żadnej dokumentacji! Pominę już kwestię, że pomiary niejednokrotnie wyglądają jakby pochodziły „skądś indziej”
Szczerze polecam rozszerzyć zakres naszej działalności o wykonanie takiej dokumentacji, a wpłynie to na pewno na jakość i ocenę naszej pracy. Nawet gdy bardzo zależy nam na czasie, nie powinniśmy tego zaniedbywać. Zwłaszcza, że przygotowanie odpowiedniej dokumentacji przy pomocy XL-Pro³ przebiega sprawnie i bezboleśnie.

Oprogramowanie jest dostępne w języku polskim oraz posiada naprawdę intuicyjne menu.

Tak przywita nas program. Na wstępie skupimy się troszkę po poruszaniu się po menu programu. Po lewej widzimy menu związane z całym etapem tworzenia dokumentacji. U góry możemy dodawać nowe rozdzielnice, duplikować projekty itd. W menu Dane firmy możemy dodać swoje logo do projektu, a także wszystkie nasze dane jako twórcy projektu. Jest także opcja eksportu projektu do programu obliczeniowego XL-Pro Calcul. Natomiast po prawej mamy wszystko co chcemy uzupełnić w ramach naszego projektu: nazwę rozdzielnicy, przewidywane prądy zwarciowe itp.

Nie będziemy się tutaj rozwodzić nad szeregiem funkcji, które zapewne każdy pozna zależnie od własnych potrzeb. Przejdźmy zatem do konkretów. Zaczniemy od malutkiego projektu zwykłej „erbetki” stworzonej na szybko dla klienta. A więc mamy taką małą rozdzielnicę z 9 modułami:

W tym przypadku mamy RCD 4P, następnie wyłącznik 3P C25 oraz 1P B16 i B10.
Patrzymy teraz na środek ekranu i z menu Zestawienie wybieramy Zabezpieczenia/Aparaty Modułowe i znajdujemy RCD. Zobaczcie jak szybko możemy to wykonać:

Jak widać na filmie wejście w menu zabezpieczeń i wybranie wyłącznika różnicowoprądowego, automatycznie umożliwia wybór prądu, rodzaju itp. W przypadku naszej małej rozdzielnicy budowlanej RCD to także wyłącznik główny, jednak podobnie ma się sprawa gdy jest to np. rozłącznik izolacyjny itp. Poniżej możemy wybrać osprzęt, który będzie zasilany z poprzedniego, w tym wypadku wyłącznik nadprądowy. Dzięki takiemu wyborowi nasz schemat tworzy się automatycznie, a nam potem pozostają tylko opisy.

Po dodaniu naszego osprzętu podobnie jak na filmie tak naprawdę cały schemat tworzy się sam. Zresztą zobaczcie sami:

Jak widzimy wszystko dodało się dokładnie w takiej kolejności, że w zasadzie nie potrzebujemy żadnych poprawek. Jednak jeśli okażą się one konieczne należy posłużyć się metodą „przeciągnij-upuść” za pomocą lewego przycisku myszki. W dalszej części możemy zobaczyć dodanie piktogramów oraz opisu dla użytkownika końcowego. Uwierzcie, inwestorzy uwielbiają piktogramy A gdy nie mamy etykieciarki te same piktogramy możemy automatycznie wygenerować do wydruku na naszej drukarce.

Analogicznie możemy przygotować dokumentację i opisy pod nieco większy projekt, np. gdy chcemy stworzyć podrozdzielnicę w części garażowo-warsztatowej.

Po dodaniu elementów w ten sam sposób jak na poprzednim filmie, przechodzimy do menu Układ i tam możemy sprawdzić poprawność kolejności naszych elementów, zmieniać ich nazwy itp. Następnie w menu schematu opisujemy wszystko tak jak w poprzednim przypadku, jednak tutaj pokażę Wam jeszcze jedną ciekawostkę, a mianowicie tworzenie widoku rozdzielnicy. W menu Widok możemy także dowolnie umieszczać nasze elementy:

Po sprawdzeniu całości schematu, a także poprawności opisów, możemy wizualizować sobie całą rozdzielnicę wraz z aparaturą i osprzętem. Jest to świetna sprawa kiedy inwestor chce wiedzieć jak ma to wyglądać jeszcze przed rozpoczęciem prac lub gdy sami musimy przemyśleć kilka spraw, np. jak zmieścić się w nietypowym miejscu itp.

Wizualizacja rozdzielnicy w programie Legrand XL-Pro³ jest zaskakująco łatwa do przygotowania. Jak widać na filmie wystarczy wybrać typ rozdzielnicy, natomiast osprzęt dodaje się niejako „z automatu” – możemy dodać bloki rozdzielcze, a aparaty ustawić według własnego uznania.

Nie ukrywam też, że gdy klient dostaje wycenę wraz z taką wizualizacją to czuje się potraktowany bardziej profesjonalnie

Tak naprawdę zostawienie klientowi dokumentacji powykonawczej świadczy o wykonawcy takiej instalacji. Jeśli chodzi o rozdzielnice domowe czy ogólny rozdział energii, Legrand XL-Pro³ jest naprawdę solidnym narzędziem. Program oferuje szereg funkcji, które pomagają odnaleźć się szaremu użytkownikowi instalacji, którą wykonaliśmy, a dodanie piktogramów czy opisów od razu pod schematem to ogromne ułatwienie. Całość dokumentacji można zarówno eksportować do formatu .pdf, jak i normalnie drukować.

Pamiętajmy, że taka dokumentacja przyda się także podczas remontów czy zwykłych pomiarów, nie wspominając już o tym, że być może i nam przyjdzie jechać na jakąś awarię, a wtedy wszystko staje się łatwiejsze.

Jak szybkie i łatwe jest stworzenie projektu w programie XL-Pro³ widać na filmach, gdzie cały tutorial można by zmieścić w zaledwie kilku minutach materiału. Jeśli pracujemy na aparaturze Legranda tak naprawdę wszystko działa z automatu, włącznie z opisem prądu znamionowego, serii czy charakterystyki wyzwalania. Dla osób pracujących z aparaturą innych marek będzie to oczywiście minus. Pamiętajmy jednak, że jest to całkowicie darmowe oprogramowanie.

Po kilku próbach stworzenie kompletnej dokumentacji wraz z opisami zajmie maksymalnie godzinę i dla mnie jest to duża zaleta tego programu. W przypadku powtarzalności naszej pracy czas poświęcany na przygotowanie dokumentacji spada do minimum, a jak wiadomo czas to pieniądz. Niestety jednak wielu z instalatorów nadal nie zostawia po sobie niczego, co niestety mści się zarówno na kolejnych elektrykach pracujących przy instalacji jak i samych użytkownikach.

Artykuł Dokumentacja powykonawcza oraz możliwości projektowe Legrand XL-PRO³ pochodzi z serwisu Elektryka Prąd Nie Tyka - instalacje elektryczne w praktyce.

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.

Artykuł Zasada działania wyłącznika różnicowoprądowego, rozłączanie toru N oraz problemy w częstym wyzwalaniu wyłączników RCD pochodzi z serwisu Elektryka Prąd Nie Tyka - instalacje elektryczne w praktyce.

Zasadniczo do każdej instalacji elektrycznej należy podchodzić indywidualnie. Jako że terminy pomiarów nie są dokładnie sprecyzowane przez aktualnie obowiązujące akty prawne, możemy opierać się na ustawie Prawo budowlane, która określa, że badania eksploatacyjne powinny być wykonywane nie rzadziej niż co 5 lat. Należy jednak pamiętać, że jeśli w grę wchodzą warunki szkodliwe dla naszej instalacji, sprawdzenia eksploatacyjnego należy dokonać już co roku. Zgodnie z obowiązującym prawem, zlecenie wykonania pomiarów jest obowiązkowe aby legalnie mieszkać w takim budynku. Z pewnością sprawdzi to nasz ubezpieczyciel jeśli będzie musiał wypłacić odszkodowanie.

Przepisy są jeszcze bardziej wymagające dla przemysłu oraz robót budowlanych i chociaż większość moich zleceń to właśnie odbiorcy przemysłowi to zdarza mi się również pracować u klienta indywidualnego w tzw. mieszkaniówce. I tutaj w większości przypadków spotykam się z sytuacją, w której zlecający tak naprawdę nie wie czego wymagać od pomiarowca. I o tym właśnie będzie ten artykuł

Elektryk-pomiarowiec zobligowany jest posiadać odpowiednie świadectwa kwalifikacyjne, bardzo często nazywane SEP-ami, jednak w tym przypadku musi znajdować się na nich odpowiedni zapis. I tu chciałbym rozwiać wszelkie wątpliwości (zwłaszcza młodych adeptów branży elektrycznej): Nie jest to wcale punkt 10! Natomiast wymagany jest zapis:

„spełnia wymagania kwalifikacyjne do wykonywania prac na stanowisku (…) w zakresie (…) prac kontrolno-pomiarowych”

Pamiętać należy także, że wykonywanie pomiarów elektrycznych to nie tylko sprawdzenie czy w danym gnieździe występuje różnica potencjałów, a więc „czy jest napięcie”. Dlatego, jeśli przyjedzie do nas elektryk aby wykonać pomiary, to zazwyczaj będzie on posiadał przy sobie kilka mierników. Nie da się zrobić pomiarów zwykłym multimetrem czy neonówką, mimo to czasem słyszymy o takich „fachowcach”. Takiego przebierańca należy jak najszybciej przegonić! Skoro już płacimy za usługę, niech to nie będzie po prostu „klepnięcie pomiarów”. Dzięki poprawnie wykonanej usłudze wiemy czy w naszej instalacji nie dzieje się nic niepożądanego. Np. jeśli planujemy remont i położymy nowe płytki to czy nie okaże się, że trzeba je skuwać w celu naprawy instalacji elektrycznej. Nie ma w tym naprawdę żadnej oszczędności. Powinniśmy podchodzić do tego jak do sprawdzenia stanu technicznego samochodu – jeśli przejdzie przegląd to jest bezpieczny i mogę się nim spokojnie poruszać.

Po pełnym przeglądzie instalacji elektrycznej wiemy czy w przypadku uszkodzenia odbiornika lub samego przewodu zadziałają zabezpieczenia zainstalowane w naszej instalacji, czy nie ma problemów z wyłącznikami różnicowoprądowymi lub z uziemieniem.

Pomiarowiec w pierwszym etapie sprawdzenia instalacji zobligowany jest do tzw. oględzin badanej instalacji. Niezależne od budynku i sposobu pracy tej instalacji, wbrew pozorom jest to bardzo ważna czynność często pomijana. Dzięki dokładnym oględzinom, które wykonywane są także podczas innych pomiarów można w dużym stopniu określić np. czy połączenia w rozdzielnicy nie są poluzowane itp., czy zachowana jest kolorystyka przewodów, oraz czy w ogóle można dokonać przeglądu, jeśli nie będzie dostępu do niektórych elementów instalacji elektrycznej.

Jakie pomiary wykonujemy w budownictwie mieszkaniowym?

W większości przypadków ochroną podstawową instalacji elektrycznej jest po prostu izolacja pomiędzy częściami czynnymi i częściami przewodzącymi dostępnymi. Wówczas po oględzinach obiektu powinno się wykonać tzw. pomiar RISO, czyli pomiar rezystancji izolacji. I tutaj już często „pojawiają się schody” i wielu po prostu nie wykonuje tego pomiaru.
W przypadku pracującej instalacji trzeba ją całkowicie wyłączyć, a żeby nie wypinać wszystkiego z gniazd, możemy dokonać pomiaru łącząc wszystkie przewody robocze i podając pomiędzy nimi i PE napięcie pomiarowe DC. Napięcie to w przypadku instalacji podtynkowych spotykanych w domach jednorodzinnych powinno wynosić 500 V. Kiedy instalacja jest wykonana prawidłowo, mamy do niej schemat, a obwody są ponumerowane to nie ma z tym problemów. Gorzej gdy instalacja wykonana jest niechlujnie i wszystkiego trzeba szukać samodzielnie, przez co usługa może okazać się droższa. Pomiar RISO w skrócie mówi nam o stanie izolacji przewodów w naszej instalacji, wykonywany regularnie pozwala ocenić czy nic złego nie dzieję się w obrębie kilku lat.

Kolejnym pomiarem może być pomiar wyłączników RCD, czyli tzw. „różnicówek”. I znów każdy z takich wyłączników powinien być miejscem dokładnych oględzin. Należy tutaj sprawdzić poprawność jego doboru, podłączeń oraz naciśnięcie przycisku TEST. Jeśli przycisk nie działa, należy przerwać wszelkie pomiary tego urządzenia i orzec o jego wymianie. Jeśli jednak test przebiega prawidłowo, dokonujemy pomiaru i… tutaj zdania są podzielone Ja mierzę każdy wyłącznik dla prądu ½xI_{∆n ,}1xI_∆n, oraz 5xI_∆n dla przesunięcia 0° oraz 180° oraz dodatkowo przy jakim prądzie zostaje wyzwolony, co daje nam łącznie 7 różnych pomiarów dla każdego wyłącznika. W Polsce jednakże pomiar czasów nie jest obowiązkowy.

Pomiary wyłączników różnicowoprądowych są szczególnie ważne w przypadku układu sieci TT, gdzie często RCD jest najważniejszym zabezpieczeniem. Jednak zawodność różnicówek, która kiedyś była dość wysoka, w chwili obecnej jest dużo mniejsza. Obserwując to z perspektywy kilku lat w warunkach domowych, gdzie brak jest czynników szkodliwych, jeśli wybierzemy renomowanego producenta i spełnimy jego zalecenia w sprawie testowania urządzenia, tak naprawdę nie ma z nimi problemów.

Następnie należałoby wykonać pomiar ciągłości połączeń przewodów ochronnych i  wyrównawczych. W domach można w pewnym sensie ją sobie odpuścić, gdyż i tak wykonamy ją przy pomiarze pętli niejako gratisowo. Jednak jeśli mamy nawet stalowy garaż, który posiada połączenia wyrównawcze koryt np. stalowych, powinniśmy ten pomiar wykonać. Wykonuje się go także w nowych domach np. przed zamontowaniem układu pomiarowego, jako że nie można wówczas dokonać pomiaru impedancji pętli zwarcia. I znów w układzie TT, dzięki temu pomiarowi, dobry elektryk jest w stanie określić napięcie dotykowe.

Pomiar impedancji pętli zwarcia. W wielkim uproszczeniu impedancję mierzymy aby wyznaczyć prąd, który popłynie między przewodami w chwili zwarcia. Wielu pyta: co to impedancja? W tym artykule nie będziemy rozwodzić nad takimi pojęciami na poziomie akademickim, jednak większość z nas z lekcji fizyki pamięta czym jest rezystancja i właśnie dla prądu przemiennego impedancja to w pewnym sensie oporność. Pomiar ten wykonuje się dla potwierdzenia poprawnego doboru zabezpieczeń w instalacji i w przypadku poprawnego projektu, wyniki pomiarów w miarę powinny się zgadzać z częścią obliczeniową. Mierzymy każdy element instalacji. W pewnych przypadkach dopuszczalne są jakieś odstępstwa, jednak musi o tym zadecydować pomiarowiec oraz odnotować to także w protokole pomiarowym.

Ostatnim pomiarem, który poruszę w tym artykule jest pomiar rezystancji uziemienia – bardzo często pomijany, tymczasem w dobie powszechnego montażu ograniczników przepięć jest on dość ważny, a w układzie sieci TT – nawet bardzo ważny. Aby ogranicznik przepięć działał prawidłowo potrzebuje sprawnego uziemienia do odprowadzenia prądu czy to z wyładowania czy łączeniowego. W układzie TT jest to nasze indywidualne uziemienie, więc tym bardziej powinniśmy o nie zadbać!

Co powinien zawierać protokół z pomiarów?

Oprócz wszystkich wyników, na pewno są to numery aktualnych świadectw kwalifikacyjnych, a także jakiego użyto sprzętu pomiarowego. Dane budynku oraz zleceniodawcy. W przypadku pomiarów uziemień pogoda z ostatnich dni. Następnie wszystkie wyniki pomiarów wraz z krótka oceną, zazwyczaj: Tak/Nie.

Na końcu podpis, czasami spotykany także na początku i końcu protokołu. Numer protokołu, jednak dla pojedynczego budynku w tym wypadku na przykład domu numer protokołu nie jest całkowicie konieczny częścią identyfikująca może być nazwisko zlecającego i właściciela.

Jeśli gniazda nie są numerowane powinniśmy otrzymać prosty rysunek pomieszczeń z zamieszczonymi numerami gniazd zgodnymi z danymi z protokołu.

Pusty szablon do sporządzania protokołów z pomiarów instalacji elektrycznej znajdziecie tutaj.

Z doświadczenia wiem, że warto poszukać wcześniej warunków technicznych przyłączenia, tam jest dużo informacji dla pomiarowca, między innymi układ sieci, a także wartości zabezpieczeń pola stacji transformatorowej. Najwięcej błędów, które spotykam podczas pomiarów budynków mieszkalnych to właśnie sposób uziemienia zależny od układu sieci, brak opisów oraz numeracji obwodów. Wbrew pozorom w mniej zaludnionych terenach układ TT jest nadal często spotykany. Mała przestroga także dla inwestorów na koniec. Po przeczytaniu artykułu pewnie zauważycie że często mówię o tym układzie, bo najwięcej w nim błędów popełnianych przez elektryków. Jeśli dostaniecie warunki przyłączenia i przeczytacie tam że wasz układ sieci to TT to tym bardziej należy przypilnować wykonawcę w sumiennym wykonaniu instalacji bo jest to o wiele trudniejszy układ w poprawnym wykonaniu w porównaniu do TN-C.

Sprawa druga pomiary przed założeniem układu pomiarowego. Wielu twierdzi, że nie trzeba, bo i jak ma je wykonać bez zasilania? Nie wykonuje się pomiarów np. pętli zwarcia. Tym bardziej nie wykonuje się go z agregatu…
Pomiar zasilania z agregatu wykonujemy tylko dla części instalacji, która będzie z niego awaryjnie zasilana.
Pomiar pętli jest całkowicie zależny, także od źródła zasilania i będzie on inny nawet po wymianie transformatora na większy.
Przed zamontowaniem układu pomiarowego koniecznie robimy pomiar rezystancji izolacji aby wiedzieć czy po podaniu napięcia nie ma zwarcia.
Pomiar uziemienia: czy instalacja jest bezpieczna i dzięki temu pomiar ciągłości przewodów ochronnych czy po podłączeniu urządzenia (np. do gniazda) ta ochrona rzeczywiście tam jest.
Reszta pomiarów powinna być wykonana po zasilaniu z układu docelowego.

Podsumowanie

Jeszcze raz podkreślam, że artykuł ten kieruję głównie dla zleceniodawcy i to raczej dla budownictwa mieszkalnego. Tematyka pomiarowa jest bardzo rozbudowana, ale od czegoś  zacząć trzeba Kolegów elektryków zapraszam do komentowania.

Mam nadzieję, że czas pozwoli mi opisać dokładniej co i dlaczego mierzymy oraz jak interpretujemy wyniki pomiarów w kolejnych tekstach.

Artykuł Pomiary instalacji elektrycznych. Dlaczego są ważne oraz kto może je wykonywać? pochodzi z serwisu Elektryka Prąd Nie Tyka - instalacje elektryczne w praktyce.