Dodržování zpřísněných
požadavků na ochranu
samočinným odpojením v sítích s řídkou zástavbou
Bedřich Hák
Obsah:
Úvod -
Porovnání impedance smyčky podle staré a nové normy
Orientační výpočet
impedance smyčky Zs
Zavedení
bezpečnostních koeficientů do výpočtu Zs
Příklady
výpočtu délek obvodů splňujících požadavky na Zs
Závěr
Použitá literatura
Úvod
- Porovnání impedance smyčky podle staré a nové normy:
Při výpočtu impedance smyčky (Zs) bylo podle dosud platných norem
postupováno běžným způsobem za použití známého vzorce
Z < Uf : Iv
Samozřejmě proud Iv musí v okamžiku vypnutí jistícího prvku dosáhnout
hodnout zkratového proudu např. u jističů podle jejich charakteristiky B, C, D,
příp. u starších jističů V, M, nebo L, U, K, M.
Násobek jmenovitého proudu jističe (In) je uveden v příslušných normách
(příp. tabulkách viz 6) takto :
B < 5 x In L < 3,9 x In
V < 5 x In
C < 10 x In U < 9 x In
D < 20 x In M < 16 x In
M < 16 x In
Když si uvědomíme, že v ČSN 34 1010 v tab. č. 6 byly uvedeny násobky jmenovitého
proudu jistících prvků podle prostorů, t.j.pro prostory bezpečné a nebezpečné od
2,5 do 5 násobku jmenovitého proudu jistícího prvku, pro prostory zvláště
nebezpečné od 4 do 8 násobku jmenovitého proudu jistícího prvku vidíme, že
zavedením požadavků ČSN 33 2000-4-41 došlo k podstatné změně ve stanovení
násobků jmenovitých proudů jistících prvků.
Zatím co podle bývalé ČSN 34 1010 byl maximální násobek jmenovitého proudu
jistícího prvku 8, nyní podle ČSN 33 2000-4-41 a ČSN 33 2000- 6-61 je bez ohledu na
prostory normální, nebezpečné a zvláště nebezpečné daný maximální násobek
pouze charakteristikou jistícího prvku, který je např. u charakteristiky jističe
"D" 20.
Co to v praxi znamená je z uvedených údajů zřejmé. V tomto uvedeném příkladě se
maximální násobek zvýšil 2,5x, ale při uvažování původního násobku v tab. č.
6 2,5x pak zvýšení je oproti původní normě 8x. Jinými slovy zvýšil li se násobek
2,5x až 8x oproti dřívějším požadavkům musí se nutně ve stejném poměru
snížit impedance smyčky (Zs). Podle doporučení citovaných norem můžeme
impedanci smyčky v případě, že potřebná impedance smyčky v daném místě
měření má být menší než impedance zde skutečně naměřená použít některého
z těchto opatření :
-zvýšit průřez použitých vodičů ve směru k napájecímu zdroji,
-nahradit vodiče s Al jádry vodiči s Cu jádry o stejném průřezu,
-použít doplňujícího pospojování s průřezy vodičů podle ČSN 33 2000-5-54,
-použít pro ochranu před úrazem elektrickým proudem neživých částí proudový
chránič (FI),
Samozřejmě by bylo možné použít i varianty, které jsou v praxi obtížně
řešitelné, např. přiblížení napájecího zdroje ke spotřebiči, nebo opačně
přiblížit spotřebič k napájecímu zdroji.
Zde je třeba si uvědomit zásadu, že impedance smyčky měřená ve kterémkoliv
místě se vždy uzavírá sekundérním vinutím napájecího transformátoru,
případně jiného elektrického zdroje např. alternátoru, ale i některých typů
zařízení pro nepřetržitou dodávku el. energie např.UPS a podobně.
Z této úvahy dosud vyplývá, že impedance smyčky není hodnota normovaná, v žádné
normě, nebo předpisu nenajdeme, že v určitém místě má být impedance smyčky
taková nebo jiná, ale je to důležitá hodnota poměrně snadno měřitelná. Z
naměřené hodnoty impedance smyčky si ale dále dokážeme výpočítat řadu
potřebných údajů např. úbytek napětí ve kterémkoliv místě odběru a při
jakémkoliv zatížení, event. při rozběhu asynchronních elektromotorů, dokážeme si
vypočítat, sice zhruba, při zanedbání některých vlivů, i jednofázové zkratové
proudy jejichž velikost je zásadní hodnotou při stanovení vhodnosti použití
jistících prvků vzhledem k jejich zkratové odolnosti a podobně. Zásadně je nutno
konstatovat, že nelze vyprojektovat jakékoliv elektrické zařízení, např. el.
instalaci v rodinném domku, zrovna tak jako el. instalaci v zemědělských podnicích a
průmyslových objektech bez znalosti vstupní impedance smyčky.
Pro ilustraci uvádím, že bude li impedance smyčky např.ve vstupních hodnotách 0,1
až 0,4 Ohmů bude další návazné el.zařízení vycházet průřezově celkem dobře.
Bude li však impedance smyčky od 0,4 do 1,0 Ohmu začnou jisté potíže např.s
delšími vývody, které bude nutné dimenzovat nikoliv podle zatížení, ale podle
impedance smyčky, aby byly splněny požadavky pro vypnutí jistících prvků v daných
časech normou ČSN 33 2000-4-41.
Bude li vstupní impedance smyčky přesahovat hodnotu 1,0 Ohmu a snad se blížit
hodnotě 2,0 Ohmu příp. i výše je nutné, bez jakéhokoliv výpočtu již předem
prohlásit, že instalace bude drahá, bude vyžadovat zvýšené průřezy, posilovací
vedení vč. rozváděčů, doplňující pospojování, příp. proudové chrániče (FI)
pro zajištění ochrany před úrazem el.proudem a to i v těch vývodech, kde je platné
normy nevyžadují.
Orientační výpočet
impedance smyčky :
Jak jsem již uvedl impedance smyčky (Zs) se vždy uzavírá sekundárním
vinutím transformátoru, event. jiného zdroje.
Pro zjednodušení celého problému budeme v dalším výpočtu uvažovat pouze
sekundární vinutí transformátoru.
Abychom si vytvořili představu v jakých ohmických hodnotách se bude impedance smyčky
pohybovat na přípojnicích hlavního rozvaděče napájecí trafostanice uvádíme dále
v tabulce č. 1 vypočtené hodnoty seřazené podle obvyklých velikostí [kVA]
transformátorů běžně používaných v energetické síti, ale i v průmyslových
transformovnách velkoodběratelů el. energie.
Tab. č. 1 Výpočet impedance smyčky (Zs) u transformátorů :
Tjm [kVA] | 100 | 160 | 250 | 400 | 630 | 1000 | 1600 |
Ijm [A] | 144 | 230 | 361 | 580 | 1011 | 1444 | 2310 |
Zs [Ohmů] | 0,091 | 0,050 | 0,030 | 0,026 | 0,017 | 0,012 | 0,009 |
Uvedené hodnoty impedance smyčky (Zs) na přípojnicích hlavního
rozvaděče napájecí trafostanice v sobě zahrnují odhadnutou část Zs na
spojovací silové kabely, event. přípojnice. Přesným výpočtem těchto spojovacích
prvků lze dosáhnout upřesnění v tab.č.1 uvedených hodnot (liší se obvykle na
třetím desetinném místě). Jak je z tab. č. 1 zřejmé hodnoty impedance smyčky (Zs)
vzhledem ke svým hodnotám jsou pouze vypočítatelné a prakticky nezměřitelné. Pokud
by se někomu mohly zdát jako příliš malé nahlédněme např. do katalogu firmy F&G,
kde pro jističe 1600 A se uvádí jako minimální Zs = 0,02 Ohmu pro čas
vypnutí 0,4 s. Požadovaná hodnota Zs = 0,02 Ohmu je zcela v souladu např.
při použití jističe u transformátoru 1000 kVA s Ijmen = 1444 A a Zs
= 0,012 Ohmu.
Z uvedených hodnot je zřejmé, že pokud bude el.instalace připojena z hlavního
rozvaděče napájecí trafostanice není třeba se zatěžovat při výpočtu jištění
a průřezů odcházejících vedení se vstupní hodnotou impedance smyčky (Zs).
Jiná situace bude ovšem nastávat pokud bude odběrní elektrické zařízení
připojeno z rozvodné sítě některého z energetických podniků.
V tomto případě platí normativní příloha NK v ČSN 33 2000-4-41 (str.42 normy), kde
je uplatnění požadavku 413.1.3 cit.normy na rozvodné sítě v odst.NK4 doplněno
následujícími podmínkami týkajícími se ustanovení podle NK2 a NK3 :
a) v důsledku uplatnění těchto ustanovení nebude ovlivněna bezpečnost v odběrných
zařízeních ani nebude znemožněno splnění požadavků ČSN 33 2000-4-41 za bodem
předání elektrické energie do elektrické instalace odběratele (např. přípojková
skříň podle ČSN 33 3320 a pod.).
b) nebude ohrožena bezpečnost osob ani hospodářských zvířat u rozvodných
zařízení na veřejně přístupných místech, jak vyplývá z platných předpisů.
c) v důsledku uplatnění těchto ustanovení nebude překročeno dotykové napětí 65 V
stanovené dřívější ČSN 34 1010:1965 a v případě, že by k tomu mohlo dojít,
bude použito dalších technických řešení , např.proudové chrániče.
Ptejme se tedy co je uvedeno v podmínkách NK2 a NK3 cit.přílohy NK.
Podmínka NK2se zabývá hodnotou společného uzemnění elektrických zařízení vn a
nn. Tato problematika je jistě zajímává, ale je mimo rozsah daného tématu.
Podmínka NK3 stanoví, že pokud nejsou splněny podmínky 413.1.3.3 pro stanovenou
smluvenou dobu odpojení 5 s, musí se u části stávající rozvodné sítě TN
vycházet z podmínky, že impedance smyčky (Zs) je Zs _ Uo
/ Ia, kde Uo je jmenovité napětí proti zemi a Ia proud
zajišťující samočinné odpojení ochranného prvku.
Přitom proud Ia (Iv podle ČSN 34 1010:1965) nejbližšího
předřazeného ochranného prvku zajišťující samočinné odpojení od zdroje je 2,5
násobkem jmenovitého proudu tohoto ochranného prvku (pojistky nebo jističe), jak je
stanoveno v článku 73b) a tabulky č. 6 dříve platné ČSN 34 1010:1965.
Zkusme si tedy vypočítat jaké hodnoty impedance smyčky (Zs) se jako
maximální mohou objevit v přípojkové skříni odběratele při dále uvedených
hodnotách pojistek.
Tab. č. 2: Výpočet Zs v přípojkové skříni podle přílohy NK
In pojistky [A] | 25 | 32 | 50 | 63 | 80 | 100 |
Zs [Ohmů] | 3,52 | 2,75 | 1,76 | 1,39 | 1,10 | 0,88 |
Podle ČSN 33 3320:1996 se v přípojkové skříni uvažuje s jištěním o jeden
stupeň vyšším než je hlavní jistič u elektroměru. Vzhledem k dalším předpisům
dodavatele el.energie o zpoplatnění nadměrného příkonu, jak je ve směrnicích
energetiky uvedeno, je základním jističem jistič typ B 25A/3, který je instalován u
značné části odběratelů a tomu odpovídá jištění v přípojkové skříni s
pojistkami 32 A. Této hodnotě pojistek je maximální hodnota impedance smyčky 2,75
Ohmu.
Uvedenou hodnotu musíme uvažovat jako skutečně maximální, bude zřejmě reálná ve
vzdálených místech od napájecí trafostanice a bude spíše vyjímečná, než
pravidelná.
Podle zkušeností z revizní činnosti, při které se pravidelně provádí měření
impedance smyčky (Zs) lze konstatovat, že snad v 90% měření vstupní
impedance v přípojkové skříni se její hodnoty pohybují v rozsahu od 0,4 do 1,0
Ohmu, další malou skupinu tvoří hodnoty v rozsahu od 1,0 do 1,5 Ohmu a pouze nepatrnou
část měřených hodnot lze zařadit nad 1,5 Ohmu.
Z uvedeného přehledu je zřejmé, že změření vstupní impedance smyčky před
zahájením před zahájením projekčních prací, ale před zahájením montáže
elektrických instalací a zařízení je naprostu nutné a neodiskutovatelné.
Zásadně lze říci, že nelze vytvořit typový projekt pro jakékoliv elektrické
zařízení aniž by byla definována vstupní impedance pro kterou byl tento projekt
vypracován.
Zavedení
bezpečnostních koeficientů do výpočtu Zs :
Jak ve změně A 1 k ČSN 33 2000-4-41 tak i v ČSN IEC 1200-53 (33 2010) se do výpočtů
impedance smyčky zavádí bezpečnostní koeficienty, které vychází ze
zjednodušených předpokladů a to :
- odpor vedení se v důsledku oteplení průchodem zkratového proudu zvýší o 50 %
oproti hodnotě při 20 °C,
- napájecí napětí se v důsledku vnitřní impedance napájecího obvodu sníží na
80 % jmenovitého napětí.
Pro výpočet min.zkratového proudu použijeme vzorce :
I = 0,8 U : 1,5 R, kde R = r. 2 L : S.
kde:
L je délka chráněného vedení v m,
S je průřez jádra kabelu v mm2,
R je odpor smyčky (2 L) v Ohmech,
r je měrný odpor v Ohm . mm2 : m
Pro výpočet obvodů s vyššími průřezy, kde průřez vodiče N, nebo PE, příp. PEN
je menší než průřez vodiče fázového se používá upravený vzorec :
I = 0,8 U : 1,5 R, kde R = r . (1+m) L : S,
kde m je poměr odporu vodiče N, příp. PEN k odporu vodiče fázového. Pro průřezy
fázového vodiče S větší než 35 mm2 je m = 2 a tedy 1 + m = 3,
S je průřez fázového vodiče.
Pomocí těchto vzorců lze vypočítat i maximální délky vedení, které mohou být
chráněny samočinným odpojením od zdroje a jistícím prvkem.
Protože proud Ia zajišťující samočinné odpojení v předepsaném čase musí být
menší než minimální zkratový proud musí být maximální délka L chráněných
obvodů menší než :
Lmax = 0,8 U. S : (Ia . 1,5 . 2 . r),
pokud budeme uvažovat vstupní impedanci 0 Ohmů.
Abychom mohli respektovat vstupní impedanci (Zsp) upravíme výše uvedený
vzorec pro započtení vstupní (přicházející) impedance smyčky takto :
Vycházíme ze základního vzorce pro výpočet odporu vodiče R = r . (L : S), dosadíme dvojnásobnou délku vodiče, protože
se jedná o smyčku a dostaneme R = r . (2 L : S).
I když vlastně počítáme R můžeme vzhledem ke krátkým úsekům vedení uvažovat
toto R jako Zs.
Po úpravě vzorce dostaneme
L = Zs . S : (2 . r)
Zavedeme do vzorce bezpečnostní koeficienty, t.j. 0,8 U a 1,5 R.
Po dosazení do vzorce bude L = 0,8 . Zs . S : (2 . 1,5 . r)
Zavedeme konstantu Kz = 0,8 : (2 . 1,5) = 0,266
Dále pro zjednodušení výpočtu si vytvoříme konstanty pro obvyklé průřezy t.j. S
= 1,5 mm2, 2,5 mm2 příp. 4 mm2. Jako materiál
uvažujeme měděné vodiče.
Kp 1,5 = S : r = 1,5 : 0,018 =
83,33
Kp 2,5 = 2,5 : 0,018 = 138,88
Kp 4 = 4,0 : 0,018 = 222,22
Příklady
výpočtu délek obvodů splňujících požadavky na Zs
A nyní zkusíme vypočítat několik příkladů pro typické jističe 16 A s
charakteristikou "B", "C" a "D" s počáteční impedancí 0
Ohmů.
Příklad č.1 :
L = ?, vodič Cu 2,5 mm2, jistič B16A (Ia = 5 .16 = 80).
L = Kz . Kp . (Uo .Ia) = 0,266 . 138,88 . (230
: 80) = 106,20 m.
---------
Příklad č.2 :
L = ?, vodič Cu 2,5 mm2, jistič C16A (Ia = 10 .16 = 160).
L = 0,266 .138,88 . (230 : 160) = 53,10 m.
--------
Příklad č.3 :
L = ?, vodič Cu 2,5 mm2, jistič D16A (Ia = 20 . 16 = 320).
L = 0,266 . 138,88 . (230 : 320) = 26,55 m.
--------
Obdobně lze za pomoci shora uvedených konstant si spočítat délky vedení i pro
průřezy 1,5 mm2 a 4 mm2.
Z výsledků je zřejmé, že délky vychází poměrně slušně a zřejmě nebude nutné
ve většině případů činiti nějaká další opatření pro zlepšení impedance
smyčky.
A nyní uvažujme tytéž případy v síti, kde počáteční (tedy vstupní, nebo
přicházející) impedance smyčky (Zsp) je reálná hodnota, například 0,5
Ohmu. Jak jistě sami z vlastní praxe můžete posoudit uvedená hodnota 0,5 Ohmu je
hodnotou spíše lepší než horší a vypočtené výsledky tedy budou spíše
optimistické.
Příklad č.4 :
L = ?, vodič Cu 2,5 mm2, jistič B16A (Ia = 5 . 16 = 80 A),
Zsp = 0,5 Ohmu, Zs = 230 : 80 = 2,87 Ohmu.
Zde použijeme upravený vzorec pro výpočet délky vodiče (smyčky)
L = Kz . Kp . (Zs - Zsp ),
L = 0,266 . 138,88 . (2,87 - 0,5) = 87,55 m.
--------
Příklad č.5 :
L = ?, vodič Cu 2,5 mm2, jistič C16A (Ia = 10 . 16 = 160 A),
Zsp = 0,5 Ohmu, Zs = 230 : 160 = 1,43 Ohmu.
L = 0,266 . 138,88 . (1,43 - 0,5) = 34,35 m.
--------
Příklad č.6 :
L = ?, vodič Cu 2,5 mm2, jistič D16A (Ia = 20 . 16 = 320 A),
Zsp = 0,5 Ohmu, Zs = 230 : 320 = 0,71 Ohmu.
L = 0,266 . 138,88 . (0,71 - 0,5) = 7,75 m.
-------
Z těchto výsledku, které již nejsou tak optimistické jako u příkladů č. 1, 2 a 3
je zřejmé, že vložením vstupní (přicházející) impedance smyčky se použitelné
délky vodičů podstatně zkracují a bude nutno činit některá vpředu doporučených
opatření.
Závěr:
Cílem zpracování tohoto tématu je ukázat na příkladech, že měření impedance
smyčky (Zs) je zásadní věc, kterou nelze opomenout při výchozích a
pravidelných el.revizích, ale že toto měření je též úvodní při zpracovávání
projektové dokumentace a jakékoliv elektromontážní činnosti.
Jako souhrnná opatření pro zajištění ochrany před úrazem elektrickým proudem v
čase definovaném v ČSN 33 2000-4-41 lze doporručit :
1. pokud to technologie provozu nevyžaduje nepoužívat jističe s charakteristikou
"D". V bytových instalacích používat jen jističe s charakteristikou
"B".
2. používat větší počet podružných rozváděčů s dostatečně dimenzovanými
přívodními vodiči a tím zkrátit délky vedení o slabších průřezech (1,5 mm2,
2,5 mm2) ke spotřebičům. Používat vodič Cu 1,5 mm2 k
zásuvkovým vývodům se při vyšších impedancích vstupní (přicházející) smyčky
jeví jako nereálné.
3. ideálním řešením se zdá býti proudový chránič (FI), který není závislý
svoji funkcí na impedanci smyčky a spolehlivě (zvláště u typu HF, výr.F&G)
zajistí ochranu před úrazem el.proudem.
4. jedna z dalších možností je jištění zásuvkových vývodů jističem 10 A,
který svým jmenovitým proudem pro řadu vývodů postačí a tím umožní použití
vodičů s průřezem max 2,5 mm2.
Použitá literatura:
1. ČSN 33 2000-4-41:1996 EP EZ Část 4: Bezpečnost. Kapitola 41:
Ochrana před úrazem elektrickým proudem vč.změny A1.
2. ČSN 33 2000-6-61:1994 EP EZ Část 6: Revize. Kapitola 61: Postupy
při výchozí revizi.
3. ČSN 33 2010-53:1998 Pokyn pro elektrické instalace. Část 53:
Výběr a stavba elektrických zařízení - Spínací a řídicí přístroje.
4. ČSN 34 1010:1966 Všeobecné předpisy pro ochranu před
nebezpečným dotykovým napětím.
5. Ing. Michal Kříž, Nové požadavky na impedanci smyčky.
Jednoduché přiřazení jištění k vedení. (Sborník referátů HVKL Trutnov).
6. Ing. Michal Kříž, Dimenzování
a jištění elektrických zařízení v praxi. IN-EL, s. r. o., Praha 1997.