Zwarcia w instalacjach elektrycznych są zjawiskiem awaryjnego stanu sieci elektrycznych, powodującego przerwy w zasilaniu. Zagrażają one bezpieczeństwu pracowników zakładu przemysłowego i stwarzają ryzyko wystąpienia pożaru, którego skutkiem mogą być znaczne straty materialne.
Zwarciem w instalacji elektrycznej określa się nagłe zmniejszenie rezystancji obwodu elektrycznego do bardzo małej wartości, powstające najczęściej w wyniku połączenia się żył przewodów obwodu, skutkiem czego w obwodzie zwartym płynie prąd zwarciowy o wartościach wielokrotnie przekraczających wartość prądu roboczego. Zwarcie może zachodzić między żyłami przewodu neutralnego i fazowego, fazowego i ochronnego, a także między żyłami dwóch przewodów fazowych, w wyniku uszkodzenia izolacji. Prąd zwarciowy przewyższa mocą prąd roboczy i stąd jego destruktywne skutki. Jego przepływ wywołuje bardzo poważne zagrożenia spowodowane działaniem dużych sił elektrodynamicznych oraz wysokich temperatur powstałych w miejscach zwarciowych. Skutkiem zwarcia jest często zapłon izolacji przewodów, z wydzielaniem dużej ilości toksycznego dymu.
Przyczyny i rodzaje zwarć
Podstawową przyczyną zwarć jest najczęściej mechaniczne uszkodzenie izolacji obwodu elektrycznego, a także długotrwałe przeciążenie, czyli przegrzanie, co powoduje utratę właściwości izolacyjnych. Kolejna przyczyna to przepięcia łączeniowe i atmosferyczne, szczególnie w obwodach z kondensatorami. Zwarcia mogą też być spowodowane przez zjawiska atmosferyczne, jak choćby wyładowania podczas burzy. Winny bywa też tzw. czynnik ludzki, czyli błędne wykonanie połączeń w obwodzie elektrycznym.
W instalacjach napowietrznych i kablowych w zależności od napięcia znamionowego sieci, rodzaju sieci rozróżnia się następujące rodzaje zwarć:
→ międzyfazowe (dwufazowe, trójfazowe),
→ jednofazowe z ziemią i wielofazowe z udziałem ziemi,
→ jednofazowe i dwumiejscowe (w sieciach izolowanych),
→ przemijające (w sieciach kablowych),
→ łukowe,
→ trwałe (przez zespawanie przewodów, w wyniku działania łuku elektrycznego).
Mechanizm powstawania zjawisk zwarciowych i skutki cieplne
Zwarcie trwa krótko, zależnie od czasu zadziałania aparatu zabezpieczającego. W przypadku obwodów odbiorczych instalacji niskiego napięcia zabezpieczonych wyłącznikami nadprądowymi trwa nie dłużej niż 100 ms, zazwyczaj od 5 do 15 ms. Zanim dochodzi do zwarcia, przewody są nagrzane do temperatury roboczej, dopuszczalnej długotrwale. Podczas zwarcia ciepło nie jest oddawane do otoczenia, toteż cała energia wydzielona na rezystancji żył powoduje znaczny wzrost temperatury przewodu. Następnym etapem, który rozpoczyna się po zadziałaniu aparatu zabezpieczającego, jest studzenie przewodu tak długo, aż osiągnie on temperaturę otoczenia. Dla trwałości instalacji elektrycznej najważniejsze jest to, żeby nie doszło do przekroczenia temperatury dopuszczalnej podczas zwarcia, ponieważ może to spowodować trwałe uszkodzenie izolacji przewodu i konieczność wymiany. Niewskazane jest też ponowne załączenie obwodu tuż po zwarciu. Może to prowadzić do przekroczenia dopuszczalnej temperatury roboczej, dlatego że aktualna temperatura przewodu będzie od niej znacznie wyższa.
Przepisy i normy bezpieczeństwa
Jak przeciwdziałać zwarciom w instalacjach przemysłowych? Podstawowym warunkiem zapobiegania zakłóceniom w pracy sieci elektroenergetycznych jest zachowanie aktualnych przepisów i norm odnoszących się do ich budowy i eksploatacji.
Nowo budowane lub modernizowane i przebudowywane instalacje elektryczne powinny odpowiadać wymaganiom Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie
(t.j. DzU z 2015 r., poz. 1422) oraz powołanym w tym rozporządzeniu Polskim Normom, w tym przede wszystkim wymaganiom normy PN-IEC 60364 „Instalacje elektryczne w obiektach budo-wlanych” (obecnie zastępowanej normą PN-HD 60364 „Instalacje elektryczne niskiego napięcia”). Pozostałe normy oraz opracowania techniczne można stosować w trakcie projektowania i budowy, zgodnie z ustawą Prawo budowlane, jako zasady wiedzy technicznej. Do tych norm i opracowań należą m.in. normy wydane przez Stowarzyszenie Elektryków Polskich, w tym:
→ N SEP-E-001 „Sieci elektroenergetyczne niskiego napięcia. Ochrona przeciwporażeniowa”,
→ N SEP-E-003 „Elektroenergetyczne linie napowietrzne. Projektowanie i budowa. Linie prądu przemiennego z przewodami pełnoizolowanymi oraz z przewodami niepełnoizolowanymi”,
→ N SEP-E-004 „Elektroenergetyczne i sygnalizacyjne linie kablowe. Projektowanie i budowa”. Reguluje ona następujące aspekty:
• ograniczenie skutków wywołanych zwarciami,
• ochronę instalacji przed zwarciami.
Zapobieganie zjawiskom zwarciowym i zasady budowy bezpiecznej instalacji
Od instalacji elektrycznych wymaga się, by były funkcjonalne, trwałe, estetyczne oraz bezpieczne w użytkowaniu. Bezpieczeństwo użytkowania sprowadza się do zapewnienia ochrony przed następującymi podstawowymi zagrożeniami:
→ porażeniem prądem elektrycznym,
→ prądami przeciążeniowymi i zwarciowymi,
→ przepięciami łączeniowymi i pochodzącymi od wyładowań atmosferycznych,
→ skutkami cieplnymi zwarć wywołującymi pożary,
→ oddziaływaniem łuku elektrycznego na osoby z obsługi.
Ograniczenie skutków zwarć wymaga wielu działań. Zgodnie z wymaganiami przepisów dotyczących eksploatacji każda instalacja powinna być poddawana okresowym badaniom. Warunkiem niezbędnym jest również instalowanie przewodów i kabli o wymaganej obciążalności, dostosowanych do napięcia znamionowego sieci i warunków środowiskowych. Aparatura rozdzielcza i zabezpieczająca, która ma być zainstalowana, musi odpowiadać poziomowi mocy zwarciowej w miejscu pracy. Dla bezpieczeństwa użytkowników sieci, w pobliżu urządzeń wymagane jest umieszczenie aktualnych schematów, a także oznakowanie przewodów i kabli zgodne z dokumentacją. Zakład przemysłowy musi być wyposażony w sprzęt gaśniczy przystosowany do gaszenia urządzeń pod napięciem. I – na koniec – obowiązkiem zarządcy budynku jest zapewnienie obsługi urządzeń elektrycznych przez osoby wykwalifikowane.
Rodzaje zabezpieczeń elektrycznych przed skutkami zwarć
Zabezpieczenia zwarciowe, jeśli chodzi o czas reakcji, dzielą się na podstawowe i rezerwowe. Zadaniem zabezpieczeń podstawowych jest natychmiastowe usunięcie skutków zwarcia powstałych w obszarze. Zabezpieczają one podstawowy element oraz – rezerwowo – elementy znajdujące się w jego sąsiedztwie. Jeżeli to zabezpieczenie nie zadziała, uruchamia się zabezpieczenie rezerwowe. Niezależnie jednak od rodzaju, przerwanie obwodu zwarciowego musi nastąpić, zanim dojdzie do uszkodzeń cieplnych czy mechanicznych w chronionych elementach lub przewodach. Musi też przerywać prądy zwarciowe o wartościach większych niż prądy spodziewane.
Natomiast ze względu na sposób działania wyróżnia się cztery podstawowe rodzaje zabezpieczeń zwarciowych:
→ nadprądowe bezzwłoczne (odcinające),
→ nadprądowe zwłoczne (przeciążeniowe),
→ podnapięciowe,
→ temperaturowe.
W instalacjach przemysłowych niezależnie od poziomu napięcia stosuje się zabezpieczenia zespolone, zawierające człony funkcjonalne (również zwarciowe). Zabezpieczenia zespolone przeznaczone są do kompleksowego zabezpieczenia urządzeń energetycznych, takich jak: transformatory mocy, generatory, silniki, linie napowietrzne, linie kablowe, zabezpieczenia szyn zbiorczych itp.
Mechanizm wyłączania prądów zwarciowych
Podstawowe urządzenia zabezpieczające sieć niskiego napięcia od skutków zwarć i przeciążeń to wyłączniki nadmiarowo-prądowe oraz bezpieczniki topikowe. Przy czym w obwodach odbiorczych należy stosować wyłączniki nadprądowe, a bezpieczniki tylko w obwodach rozdzielczych.
Dla procesu łączeniowego ochrony od skutków zwarć najważniejsza jest praca wyzwalacza elektromagnetycznego, styku stałego oraz ruchomego i komory gaszeniowej. Kiedy wartość chwilowa prądu zwarciowego przekroczy wartość maksymalną dla danego rodzaju zabezpieczenia, uruchomi się wyzwalacz elektromagnetyczny. Ten z kolei uruchomi zamek, w wyniku czego zaczną się otwierać styki, między którymi zapali się łuk elektryczny. Łuk z kolei będzie się przesuwał w stronę komory gaszeniowej, gdzie zostanie podzielony na łuki krótkie. Efekty końcowe pracy wyzwalacza to: spadek napięcia nad łukiem oraz wzrost odbierania energii cieplnej z kolumny łukowej. Przy naturalnym przejściu prądu przez zero nastąpi pełne wyłączenie uszkodzonego obwodu i przerwanie przepływu prądu zwarciowego.
Kolejne urządzenie, które zabezpiecza sieć przed skutkami zwarć, to bezpiecznik topikowy. Odcina on obwód prądu w przypadku wystąpienia zwarć i przeciążeń. Obwód zostaje przerwany na skutek intensywnego rozgrzania topika, który – jak sama nazwa wskazuje – zaczyna się wówczas topić. W ten sposób zapobiega awarii instalacji elektrycznej.
Są różne rodzaje bezpieczników topikowych i mają one oznaczenia składające się z małej i dużej litery. Mała opisuje zdolność wyłączenia się topika, a duża rodzaj urządzenia, dla którego topik jest przeznaczony. Np. „a” oznacza, że bezpiecznik działa niepełnozakresowo, chroniąc instalację jedynie przed skutkami nagłych zwarć, a „g” – że bezpiecznik działa pełnozakresowo, chroniąc instalację zarówno przed skutkami nagłych zwarć, jak i przeciążeń. Druga litera, duża, oznacza przeznaczenie zabezpieczenia do poszczególnych urządzeń, np. „B” oznacza bezpiecznik topikowy przeznaczony do zabezpieczania elektroenergetycznych urządzeń w przemyśle górniczym.
Przekrój przewodu zależy zarówno od materiału, z którego wykonane są jego żyły, jak i od rodzaju materiału izolacyjnego. Warunkiem nadrzędnym jest kryterium temperatury, jaką może osiągnąć izolacja przy przepływie prądu zwarciowego. Temperatura graniczna dopuszczalna przy zwarciu to najwyższa temperatura żył przewodu, jaką dopuszcza się w końcowym momencie zwarcia. Jest ona tak ustalona, że zwarcie wprawdzie wywołuje znaczący ubytek trwałości termicznej izolacji, ale nie grozi natychmiastowym uszkodzeniem izolacji, np. jej zapaleniem, roztopieniem czy chociażby zmięknięciem.
Montaż zabezpieczeń
Zabezpieczenia zwarciowe montuje się w miejscach szczególnie podatnych na skutki zakłóceń, a zwłaszcza na początku każdego obwodu prądowego. Montuje się je również w miejscu, gdzie występuje zmiana przekroju przewodów na mniejszy, a także tam, gdzie następuje zmiana rodzaju przewodów na przewody o mniejszej długotrwałej obciążalności prądowej. Kolejny wrażliwy punkt to miejsce występowania zmiany sposobu ułożenia przewodów lub zmiany w instalacji, powodujące pogorszenie warunków chłodzenia.
Znamionowa zdolność wyłączania urządzeń zabezpieczających nie powinna być mniejsza niż spodziewany maksymalny prąd zwarcia w miejscu zainstalowania urządzenia. Mniejsza zdolność wyłączania jest dopuszczalna tylko wtedy, gdy po stronie zasilania jest inne urządzenie zabezpieczające posiadające niezbędną zdolność wyłączania.
Aleksandra Solarewicz – publicystka, od 1997 r. współpracuje z prasą branżową.
Literatura
- A. Książkiewicz, „Ochrona przewodów od skutków zwarć w instalacjach elektrycznych niskiego napięcia”, „Elektroinfo”, nr 12/2017, Elektro.info.pl, 17.01.2018, www.elektro.info.pl/artykul/id6791,ochrona-przewodow-od-skutkow-zwarc-w-instalacjach-elektrycznych-niskiego-napiecia.
- E. Musiał, „Dobór bezpieczników do zabezpieczania przewodów i kabli”, dostępny w internecie: www.jeanmueller.pl/pliki/wyklad2_Dobor%20bezpiecznikow%20do%20zabezpieczania%20przewodow%20i%20kabli.pdf.
- M. Pajkowski, „Jak dobierać przewody do aplikacji przemysłowych? Porady specjalisty”, AutomatykaB2B.pl, 16.09.2013, https://automatykab2b.pl
/prezentacje/43298-jak-dobierac-przewody-do-aplikacji-przemyslowych-porady-specjalisty. - R. Gabrysiak, „Ochrona urządzeń i instalacji elektrycznych przed przetężeniami”, „Elektroinstalator” 1/2016, dostępny w internecie:
www.elektroinstalator.com.pl/index.php/artykuly/aparatura-laczeniowa/2018-ochrona-urzadzen-i-instalacji-elektrycznych-przed-przetezeniami.
