Ochrona przez samoczynne wyłączenie zasilania: zasada i warunek wyłączenia

„Pociągnąłem przewody, założyłem wyłączniki, gotowe — jest chronione.” To pułapka, w którą wpadają nawet doświadczeni elektrycy. Wyłącznik, który zadziała przy uszkodzeniu, ale robi to w trzy sekundy przy gniazdku 230 V, jest — na papierze — wyzwolony. W rzeczywistości nie dotrzymał normy i zostawił kogoś z ręką na obudowie pod napięciem o wiele za długo. Ochrony przez samoczynne wyłączenie nie ocenia się po tym, czy zadziała, lecz po tym, jak szybko.

Gdzie się stosuje: warstwa „przy uszkodzeniu”

Chodzi o drugą połowę ochrony przeciwporażeniowej (o pierwszej — izolacji i obudowach — pisałem osobno). Tu wchodzi w grę moment, w którym izolacja uległa uszkodzeniu i metalowa obudowa aparatu przypadkowo znalazła się pod napięciem. Zgodnie z Art. 4.1.4.1.1 samoczynne wyłączenie zasilania jest najczęściej stosowanym środkiem ochrony w instalacjach. Zasada, z Art. 4.1.4.1.2, jest prosta: przy uszkodzeniu o pomijalnej impedancji między przewodem liniowym a częścią przewodzącą dostępną (lub PE) urządzenie musi samoczynnie wyłączyć zasilanie w ustalonym czasie maksymalnym.

W przełożeniu na budowę: jeśli faza dotknie obudowy, prąd zwarciowy zamyka się przez przewód ochronny (PE) z powrotem do źródła. Ten prąd musi być na tyle duży, by wymusić zadziałanie zabezpieczenia, zanim napięcie dotykowe stanie się niebezpieczne dla kogoś, kto kładzie rękę na aparacie.

Wniosek, o którym wielu zapomina: jeśli PE jest przerwany gdzieś na trasie, pętla zwarcia nie może się już zamknąć, a zabezpieczenie nadprądowe może w ogóle nie zadziałać — obudowa pozostaje pod napięciem. Dlatego ciągłość przewodu ochronnego to nie fanaberia, lecz warunek, by cały ten mechanizm w ogóle działał.

Jak szybko: punkt odniesienia 50 V i Tabela 4.1

Dlaczego czasy maksymalne, a nie po prostu „jak najszybciej”? Bo punktem odniesienia normy jest dopuszczalne umowne napięcie dotykowe graniczne, U_L = 50 V prądu przemiennego — wartość, na podstawie której ustalono maksymalne czasy wyłączenia (uwaga z Tabeli 4.1 mówi to wprost). Nie chodzi o to, że każdy kontakt poniżej 50 V byłby „bezpieczny”, lecz że to jest próg odniesienia normy. Stąd: im wyższe napięcie względem ziemi (U₀), tym uszkodzenie wypycha napięcie dotykowe wyżej, więc dopuszczalny czas maleje. Czasy z Tabeli 4.1 stosuje się do obwodów końcowych nieprzekraczających 32 A (Art. 4.1.4.1.3) — czyli dokładnie do gniazd i oświetlenia w mieszkaniu.

Pasmo, które dotyczy nas bezpośrednio, to 120<U₀≤230 V prądu przemiennego — sieć domowa 230 V względem ziemi: 0,4 s w TN, 0,2 s w TT. (Uwaga 1 z tabeli: dla prądu stałego 50–120 V wyłączenie może być wymagane z innych powodów niż porażenie. Uwaga 2: jeśli wyłączenia dokonuje RCD, stosuje się Art. 4.1.5.2.) Tabela daje jeszcze pewną ulgę: w TT, jeśli wyłączenia dokonuje zabezpieczenie nadprądowe, a połączenia wyrównawcze obejmują wszystkie części przewodzące obce, można stosować czasy jak dla TN.

Dlaczego dobry wyłącznik może CIĘ NIE ochronić

Tu domyka się teza z początku. Aby wyłączenie nastąpiło w wymaganym czasie, nie wystarczy założyć wyłącznik — potrzeba, by impedancja pętli zwarcia była na tyle mała, żeby prąd zwarciowy osiągnął próg zadziałania. Art. 4.1.4.1.10 ujmuje to we wzór, dla układów TN:

• Z_s — impedancja pętli zwarcia: źródło + przewód fazowy do punktu uszkodzenia + przewód ochronny od uszkodzenia z powrotem do źródła (w omach).
• I_a — prąd powodujący samoczynne zadziałanie w wymaganym czasie. Tu pojawia się częste nieporozumienie: dla MCB I_a to nie jest prąd znamionowy (16 A, 20 A), lecz prąd, przy którym następuje zadziałanie w narzuconym czasie — a ten zależy od charakterystyki. MCB o charakterystyce C wyzwala szybko (w strefie magnetycznej) dopiero przy ok. 5–10× In.
• U₀ — napięcie znamionowe między fazą a ziemią (w woltach).

Innymi słowy: jeśli Z_s rośnie, prąd zwarciowy maleje — a jeśli zmaleje za bardzo, doskonale sprawny wyłącznik przestaje zadziałać w wymaganym czasie. Pętla zbyt „długa” elektrycznie (cienki przewód, długa trasa, niedowymiarowany PE) to dokładnie to.

Dlatego przekrój przewodów, dobór zabezpieczenia i dotrzymanie czasów z Tabeli 4.1 to jeden i ten sam problem, a nie trzy oddzielne decyzje. „Założyłem MCB 16 A” nie mówi nic, jeśli pętla zwarcia jest zbyt duża, by przy uszkodzeniu prąd osiągnął próg szybkiego (magnetycznego) zadziałania w wymaganym czasie.

Uwaga, bo norma mówi o tym również w Art. 4.1.4.1.10: jeśli zabezpieczeniem jest RCD, I_a to różnicowy prąd zadziałania — znacznie mniejszy niż próg MCB. Właśnie dlatego, że jest mały, RCD „spełnia” warunek nawet przy pętli o dużej impedancji; jego właściwe sprawdzenie ma jednak swoje reguły, które omawiam osobno.

Gdy nie da się na czas

Norma nie zostawia cię bez wyjścia, jeśli nie zmieścisz się w czasie. Art. 4.1.4.1.7: jeśli samoczynnego wyłączenia nie da się zrealizować w wymaganym czasie, trzeba przewidzieć dodatkowe połączenie wyrównawcze ochronne — nie rezygnujesz z bezpieczeństwa, dodajesz środek, który utrzymuje napięcie dotykowe nisko.

Gdzie wchodzi ElectroSchema

Z ochrony przy uszkodzeniu aplikacja sprawdza tę część, którą może „zobaczyć” z planu — obecność ochrony różnicowoprądowej tam, gdzie norma jej wymaga: V05 sygnalizuje gniazda, a V18 obwody oświetleniowe bez RCD ≤ 30 mA po stronie zasilania (Art. 4.1.5.2.1), zaś V07 wymaga IP44 w łazienkach. Warunek Z_s·I_a ≤ U₀ wymaga natomiast rzeczywistej impedancji pętli (danych z miejsca), więc pozostaje sprawdzeniem projektowym i pomiarem przy oddaniu do eksploatacji — a nie czymś dającym się wywieść wyłącznie z rysunku. Właśnie dlatego warto pomyśleć o tym od początku: przekroje i trasy, które utrzymują Z_s małe, tak by czasy z Tabeli 4.1 były realne, a nie tylko odhaczone w obliczeniach.