Bardzo istotnym czynnikiem decydującym o konkurencyjności zakładów przemysłowych na rynku jest niezawodność zainstalowanego w nich sprzętu produkcyjnego. Jedną z przyczyn awarii urządzeń w zakładzie mogą być powstające nieprzewidziane doziemienia, w niektórych skrajnych przypadkach prowadzące nawet do dużych pożarów, niszczących większą część zakładu. Ponadto doziemienia mogą powodować także powstawanie wyładowań elektrycznych i porażeń prądem operatorów urządzeń i pracowników obsługi technicznej.
Oczywiście przepalony silnik może być w stosunkowo szybkim czasie wymieniony, jednak pożar, poważne okaleczenie czy śmierć pracownika powodują zwykle zatrzymanie produkcji na kilka dni lub tygodni. Na szczęście wprowadzenie procedur ochrony przed nieprzewidywanymi doziemieniami jest dość łatwe, należy tylko dobrze zrozumieć ich istotę i zasady powstawania.
Najprościej rzecz ujmując, z doziemieniem mamy do czynienia wówczas, gdy prąd elektryczny znajduje drogę przejścia do potencjału ziemi poprzez zniszczoną izolację przewodu, gromadzące się na elementach urządzeń przewodzące pyły, wodę lub inne materiały, zamiast powrotu normalną ścieżką przez przewody do źródła napięcia. Ponad 80% wszystkich zwarć w urządzeniach powstaje na skutek pojawienia się doziemień, a z kolei ponad 90% z tych sytuacji spowodowanych jest pogorszeniem się izolacji elementów przewodzących, kabli i przewodów. W przypadku porażenia pracownika przepływający przez jego ciało prąd o natężeniu już 75 mA może spowodować migotanie komór serca.
W celu ochrony osób przed zgubnymi skutkami doziemienia przez dotyk, stosuje się układy zwane wyłącznikami ziemnozwarciowymi (ang. GFCI), które mogą wykryć nawet niewielkie doziemienia w układzie (od 6 mA). Najpopularniejszymi typami takich wyłączników są moduły jednofazowe na napięcia 120 lub 240 VAC i prądy 15–20 A, maksymalnie do 60 A. Stosuje się je do ochrony przy niewielkich odbiornikach w domach lub budynkach użyteczności publicznej (pompy wodne, kuchnie, łazienki itp.). Są również dostępne wyłączniki trójfazowe 480 VAC, na prądy do 100 A i więcej.
W stacjach rozdzielczych i obwodach wysokoprądowych, w celu monitoringu niepożądanych doziemień, instaluje się tzw. przekaźniki ziemnozwarciowe (ang. GFR) na prądy od 10 mA do 1200 A. Zabezpieczają one zwykle całe zakłady, systemy wind i schodów ruchomych, oczyszczalnie ścieków itp. Warto tu zaznaczyć, że organizacja NEC wymaga, by wszystkie obiekty posiadające instalacje uziemień, w których całkowity prąd pobierany przekracza 1000 A lub więcej, miały system ochrony przed doziemieniami na głównej linii zasilającej.
Przekaźniki ziemnozwarciowe GFR wykrywają powstanie doziemień na tej samej zasadzie co wyłączniki ziemnozwarciowe GFCI, jednakże po ich wykryciu wysyłają sygnał do urządzeń łączeniowych, takich jak przekaźniki, wyłączniki automatyczne, wyłączniki bocznikowe itp., który ma spowodować ich otwarcie i w ten sposób ochronić urządzenia elektryczne przed zniszczeniem. Dodatkowo, w przekaźnikach GFR można dobrać wartość prądu i czas opóźnienia reakcji. Opcja taka nie jest dostępna w wyłącznikach GFCI. Odpowiedni dobór przekaźników GFR montowanych w liniach zasilania poszczególnych urządzeń lub ich zespołów, pozwala uzyskać selektywność ochrony przeciw doziemieniom oraz jest pomocny w szybszym ustalaniu miejsca ewentualnej awarii.
Niektóre przekaźniki GFR są również konstruowane do ciągłego monitoringu upływów prądowych i wartości rezystancji izolacji, z informacją w postaci analogowego sygnału, który może być wprowadzony do sterownika PLC lub komputera PC. Funkcja taka może powodować uaktywnienie alarmu w przypadku osiągnięcia ustalonego poziomu sygnału, jak również stanowić swego rodzaju narzędzie diagnostyczne, informujące o spadku jakości izolacji i tym samym możliwych upływach prądu. Obsługa uzyskuje dzięki temu informację o konieczności przeprowadzenia w najbliższym czasie prac serwisowych w danym urządzeniu czy linii zasilającej. Dzięki regularnej kontroli stanu izolacji urządzeń i linii kablowych możliwe jest wcześniejsze ustalenie miejsc, gdzie mogą się pojawić ewentualne doziemienia i odpowiednio wczesne reagowanie na ten fakt. Niektóre przekaźniki GFR mają również możliwość monitorowania integralności i stanu uzwojeń wyłączonych silników przed ich uruchomieniem i w przypadku stwierdzenia nieprawidłowości (doziemień, zwarć) we wnętrzu maszyny, zapobiegania jej uruchomieniu.
Zastosowanie przekaźników GFR monitorujących upływy prądu w zakładach, gdzie nie ma zrealizowanej sieci uziemień, pozwala na szybką identyfikację i korektę powstających upływów, tak by w maksymalny sposób wykorzystać każdy pobierany z sieci zasilania prąd. Urządzenia ochrony przeciw doziemieniom mogą również być pomocne w zapobieganiu łukowym wyładowaniom elektrycznym, ograniczając czas ich trwania nawet do 100 ms i mniej, a tym samym redukując energię wyzwalaną w trakcie wyładowania i zapobiegając przejściu wyładowań np. między fazami. Przedstawiciele jednej z kompani ubezpieczeniowych dla sektora przemysłowego przyznają, że 80% wszystkich awarii urządzeń elektrycznych spowodowanych jest przez doziemienia i zwarcia.
W pewnych obwodach elektrycznych, zwłaszcza tych zasilających falowniki do regulacji prędkości napędów elektrycznych, mogą się pojawić sygnały, które fałszywie wyzwolą zadziałanie przekaźników GFR. Przyczyną powstawania takich sygnałów są szumy i odkształcenia przebiegów prądów i napięcia w linii, wywoływane przez elementy energoelektroniczne stosowane w falownikach. W takich sytuacjach konieczne jest stosowanie dodatkowych modułów filtrujących, które mają zdolność eliminacji zaburzeń sygnałowych lub przekaźników GFR najnowszych generacji, które również potrafią „poradzić sobie” z tym problemem i skutecznie chronić urządzenia i ludzi.
Zainstalowanie urządzeń ochrony przed doziemieniami w zakładach przemysłowych może zredukować lub całkowicie wyeliminować przestoje i wyłączenia związane z nieprzewidywalnymi awariami urządzeń, pożarami czy wyładowaniami elektrycznymi. Odpowiednio wczesne wykrycie potencjalnych lub już zaistniałych uszkodzeń izolacji lub też przebić międzyfazowych przyczynia się do ograniczenia zniszczeń urządzeń, zwiększa ich niezawodność i dodatkowo chroni zdrowie i życie obsługujących je ludzi.
Autor: Ken Cybart
