11. OCHRANA PŘED ÚRAZEM ELEKTRICKÝM PROUDEM Příklad 11.1 Vypočítejte velikost dotykového napětí Ud na spotřebiči, který je připojen na rozvodnou soustavu 3PEN∼50 Hz, 400 V/TN-C, jestliže dojde k průrazu fázového vodiče L3 na kovovou konstrukci podle obr. 1. Ochrana spotřebiče před úrazem elektrickým proudem je provedena samočinným odpojením od zdroje. Odpor uzemnění kovové konstrukce R2 =3 Ω, odpor uzemnění uzlu zdroje R1 = 2 Ω . Odpor vodičů při výpočtu zanedbejte.
L1 L2 L3 100 A
PEN 16 A
R1 = 2 Ω Ud = ? R2 = 3 Ω
Obr. 1 Řešení : Náhradní schéma obvodu, kterým bude protékat poruchový proud (IPOR) je na obr. 1-1. IPOR Uf = 230 V R2 = 3 Ω
Ud
R1 = 2 Ω
Velikost dotykového napětí (Ud) je dána úbytkem napětí, který vznikne průchodem poruchového proudu na odporu uzemnění uzlu zdroje (R1). 1
Velikost poruchového proudu bude I POR =
Uf R1 + R2
=
230 = 46 A 2+3
Dotykové napětí U d = R1 ⋅ I POR = 2 ⋅ 46 A Závěr : Protože vypočtené napětí Ud (=92 V) je větší než dovolená mez trvalého dotykového střídavého napětí UdL (=50 V) u zařízení do 1000 V, vzniklo průrazem fázového vodiče L3 na kovovou konstrukci nebezpečí úrazu elektrickým proudem pro obsluhu připojených spotřebičů v postižené soustavě.
Příklad 11.2 Určete velikost dotykové napětí Ud na spotřebiči, který má ochranu před úrazem elektrickým proudem samočinným odpojením od zdroje, jestliže se přeruší vodič PEN v místě A, jak je nakresleno na obr. 2. Jednofázový spotřebič má výkon P = 2,3 kW a je jištěn pojistkou o jmenovité hodnotě In = 16 A. velikost odporů uzemnění uzlu zdroje a vodiče PEN jsou uvedeny na obr. 2. Spotřebič je připojen na rozvodnou soustavu 3PEN∼50 Hz, 400 V/TN-C. Při výpočtu neuvažujte odpory vodičů. L1 L2 L3 100 A PEN A 16 A
R1 = 5 Ω
Rs
R2 = 15 Ω
SPOTŘEBIČ 2,3 kW
R3=15 Ω
Ud = ? Obr. 2 Řešení : Náhradní schéma obvodu pro protékající poruchový proud při přerušení vodiče PEN v místě A je nakresleno na obr. 2-1, kde Rs je odpor spotřebiče.
2
Uf = 230 V
Rs = 23 Ω
R2 = 15 Ω
R1 = 5 Ω
Ud
R3 = 15 Ω
Obr. 2-1 Odpor spotřebiče Rs o výkonu P = 2,3 kW určíme ze vztahu U f2 Rs = P Rs =
230 2 2300
[Ω ; V; W]
= 23 Ω
Úpravou schématu (viz. obr. 2-2, 2-3) získáme výsledný odpor obvodu a stanovíme poruchový proud, který protéká (při přerušení vodiče PEN) v obvodu.
IPOR
15 Ω
23 Ω Uf
Uf
Rvýsl = 41,75 Ω
3,75 Ω
Obr. 2-2
I POR =
Uf Rvýsl
I POR =
230 = 5,5 A 41,75
Obr. 2-3
[A; V, Ω ]
Tento poruchový proud vytvoří na odporu R3 úbytek napětí, který je dotykovým napětím na spotřebiči U d = R3 ⋅ I POR
[V; Ω, A]
U d = 15 ⋅ 5,5 = 82 ,5 V
3
Závěr : Protože dotykové napětí na spotřebiči Ud = 82,5 V je větší než dovolená mez trvalého dotykového střídavého napětí Udl = 50 V, hrozí při přerušení vodiče PEN v místě A nebezpečí úrazu elektrickým proudem pro obsluhu spotřebiči.
Příklad 11.3 Zjistěte poměry v soustavě 3PEN∼50 Hz, 400 V/TN-C, v níž je použité nedovolená kombinace ochran před úrazem elektrickým proudem. Podle obr. 3 je spotřebič A pouze uzemněn, spotřebič B je spojen s uzlem zdroje vodičem PEN. Ochrana před úrazem elektrickým proudem je provedena samočinným odpojením od zdroje. Studujte případ, kdy fázový vodič vlivem poruchy má dotyk na neživou část spotřebiče A a respektujte odpor fázového vodiče Rf. Další potřebné údaje pro výpočet jsou uvedeny na obr. 3.
+
L1 L2 L3
Rf =2 Ω
PEN 16 A
20 A A
B
!
Rp=3 Ω
Udot
R1=7 Ω
Obr. 3
Řešení : Náhradní schéma obvodu pro protékající poruchový proud IPOR je nakresleno na obr.3-1. Rf
PEN
Rp
UPEN Ud
Obr. 3-1 Výsledný odpor obvodu bude
Rvýsl = Rf + R1 + Rp = 2 + 7 + 3 = 12 Ω 4
R1
a poruchový proud protékající obvodem bude U 230 I POR = f = = 19 ,2 Ω Rvýsl 12 Povšimněte si, že spotřebič A je jištěn pojistkami se jmenovitou hodnotou 20 A; proto se při studované poruše pojistky nepřetaví a porucha stále trvá, aniž by byla odpojena. Poruchový proud vytvoří na odporu R1, kterým je uzemněn postižený spotřebič A, úbytek napětí, jež je dotykovým napětím spotřebiče A (UdA) U dA = R1 ⋅ I POR = 7 ⋅ 19 ,2 = 134 ,4 V Toto napětí UdA značně přesahuje hodnotu dovolené meze trvalého dotykového střídavého napětí na spotřebiče do 1000 V (UdL=50 V). Poruchový proud dále vytvoří na odporu Rp uzemnění uzlu zdroje úbytek napětí
U PEN = Rp ⋅ I POR = 3 ⋅ 19 ,2 = 57 ,6 V Toto napětí dostane proti zemi vodič PEN v celé síti. Proto dotyk na neživé části zařízení, které jsou připojeny na uzel zdroje vodičem PEN je nebezpečný, protože „zavlečené“ napětí je větší než dovolená mez trvalého dotykového střídavého napětí pro spotřebiče do 1000 V. Příklad 11.4 Určete dotykové napětí UdA, UdB na strojích A, B, které jsou připojeny do soustavy 3PEN∼50 Hz, 400 V/TN-C. Před úrazem elektrickým proudem jsou stroje chráněné samočinným odpojením od zdroje : Stroj A má neživou část spojenou s uzlem zdroje s uzlem zdroje vodičem PEN, stroj B má neživou část spojenou s uzlem zdroje pouze uzemněním. Stroj B má jednu fázi (L3) proraženou na svou kostru (neživou část). Tato nedovolená kombinace ochran před úrazem elektrickým proudem je nakreslena na obr. 4, kde jsou také uvedeny další údaje potřebné pro výpočet. L1 L2 L3 PEN 10 A
A
R1 = 5 Ω
25 A
B
PE
UdA UdB R 2=6 Ω
Obr. 4
5
Výsledky řešení : Poruchový proud IPOR = 20,9 A, dotykové napětí na stroji B : UdB =125,4 V. Předřazené pojistky u stroje B (na kterém vznikla porucha) mají jmenovitou hodnotu In = 25 A – nevypnou – a proto na spotřebiči A (a celém vodiči PEN) vznikne trvalé napětí proti zemi; které je rovno dotykovému napětí na stroji A (UdA). Dotykové napětí na stroji A:UdA = 104,5 V. Toto napětí budou mít všechny neživé části všech spotřebičů, jejichž neživé části jsou spojeny s uzlem zdroje vodičem PEN (proto tato kombinace ochran před úrazem elektrickým proudem není dovolena).
Příklad 11.5 Určete velikost dotykového napětí Ud na spotřebiči, který má ochranu před úrazem elektrickým proudem samočinným odpojením od zdroje, jestliže se přeruší vodič PEN v místě A, jak je nakresleno na obr. 5. Jednofázový spotřebič má výkon P = 2,3 kW a je jištěn pojistkou o jmenovité hodnotě In = 16 A. Velikost odporů uzemnění uzlu zdroje a vodiče PEN jsou uvedeny na obr. 5. Spotřebič je připojen na rozvodnou soustavu 3PEN∼50 Hz, 400 V/TN-C. Při výpočtu neuvažujte odpory vodičů. L1 L2 L3 100 A PEN A
16 A SPOTŘEBIČ 2,3 kW
Rs R1 = 5 Ω
R2 = 15 Ω
R3 = 15 Ω Ud = ? R4 = 5 Ω Obr. 5
Výsledky : Poruchový proud I POR =7,54 A Dotykové napětí Ud = 28,27 V je menší než dovolená mez trvalého dotykového střídavého napětí pro spotřebiče do 1000 V (UdL= 50 V)
6
Příklad 11.6 Určete velikost dotykové napětí Ud na spotřebiči, který má ochranu před úrazem elektrickým proudem samočinným odpojením od zdroje, jestliže se přeruší vodič PEN v místě A, jak je nakresleno na obr. 6. Jednofázový spotřebič má výkon P = 2,3 kW a je jištěn pojistkou o jmenovité hodnotě In =16 A. Velikost odporů uzemnění uzlu zdroje a vodiče PEN jsou uvedeny na obr. 6. Spotřebič je připojen na rozvodnou soustavu 3PEN∼50 Hz, 400 V/TN-C. Při výpočtu neuvažujte odpory vodičů. L1 L2 L3 100 A PEN A 16 A
R1 = 5 Ω
Rs
R2 = 15 Ω
SPOTŘEBIČ 2,3 kW
R3 = 15 Ω
Ud = ?
Obr. 6 Výsledky : Poruchový proud IPOR = 6,45 A Dotykové napětí Ud = 48,6 V (je menší než dovolená mez trvalého dotykového napětí pro elektrická zařízení do 1000 V)
Příklad 11.7 Určete velikost dotykového napětí UdA, UdB na spotřebičích A a B, které jsou připojeny na rozvodnou soustavu 3PEN∼50 Hz, 400 V/TN-C. Před úrazem elektrickým proudem jsou spotřebiče chráněny samočinným odpojením od zdroje: spotřebič A má neživou část spojenou z uzlem zdroje vodičem PEN a navíc je ještě uzemněn, spotřebič B má neživou část spojenou s uzlem zdroje uzemněním. U spotřebiče B došlo k vodivému spojení jedné fáze (L1) s jeho neživou částí. Tato kombinace ochran je nakreslena na obr. 7, kde jsou rovněž uvedeny další potřebné údaje pro provedení výpočtu.
7
L1 L2 L3 PEN 10 A
A R3 = 5 Ω
20 A
B
PE
UdA UdB R2=6 Ω
R1 = 5 Ω Obr. 7 Výsledky :
Poruchový proud IPOR = 27,1 A Dotykové napětí na spotřebiči A : UdA = 67,75 V Dotykové napětí na spotřebiči B : UdB = 162,6 V Dotykové napětí na obou spotřebičích jsou větší než dovolená mez trvalého dotykového střídavého napětí, avšak při vzniku poruchy dojde k vypnutí spotřebiče A a tím také k zániku nebezpečných dotykových napětí na obou spotřebičích.
8
