3
Prof.dr hab.inż. Henryk markiewicz
Politechniki Wrocławskiej
1. wiadomości ogólne
Energia elektryczna jest zdecydowanie przyjazna człowiekowi i nauczyliśmy się ją wykorzystywać we wszystkich dziedzinach techniki i w życiu codziennym. Poziom rozwoju cywilizacyjnego ludzkości bez elektryczności byłby zdecydowanie uboższy.
Jeżeli jednak na drodze przepływu energii elektrycznej znajdzie się organizm żywy, to działa ona na niego niszcząco, ze skutkiem śmiertelnym włącznie. Wypadki porażenia prądem elektrycznym zdarzały się już w XIX stuleciu, kiedy to dopiero zaczęto użytkować pierwsze urządzenia elektryczne. I niestety wypadki porażenia, w tym śmiertelne, miały miejsce w całym XX wieku. Zdarzają się również teraz i będą się zdarzały również w przyszłości. Zadaniem dla elektryków jest, aby liczba takich zdarzeń była tak mała, jak to jest tylko możliwe ze względów technicznych i ekonomicznych.
Miarą oceny stanu bezpieczeństwa porażeniowego w skali kraju jest liczba wypadków śmiertelnych przypadających na milion mieszkańców w ciągu roku. W Polsce wskaźnik ten wynosi obecnie około 6,0, podczas gdy w innych, najbardziej uprzemysłowionych krajach Europy, jedynie 1,3-2,0. Wielokrotnie większa liczba tragicznych wypadków porażenia prądem elektrycznym w Polsce aniżeli w innych krajach Europy nie jest dziełem przypadku. Jest to spowodowane ubóstwem rozwiązań technicznych instalacji elektrycznych i wyposażenia w urządzenia elektryczne w milionach mieszkań i zabudowań gospodarskich. Przyczyniły się do tego m.in. ustalenia polskich przepisów dotyczących instalacji niskiego napięcia [ 16 ] obowiązujące przez dziesięciolecia, które dopuszczały - ze względów oszczędnościowych - m.in. stosowanie przewodów aluminiowych o przekroju 1,5 mm2 oraz zalecające, aby połączenie zerujące było wykonane przez połączenie zacisku neutralnego odbiornika lub innego przyrządu stałego (gniazdka wtyczkowego) z zaciskiem ochronnym za pomocą przewodu lub „mostka”. Wprowadzenie osobnego przewodu zerującego z zewnątrz uważano za zbędne (rys. 1a).
Opisane rozwiązanie techniczne instalacji nie są jedyną przyczyną nadmiernie dużej liczby wypadków porażenia prądem elektrycznym w Polsce. Przyczyn takiego stanu rzeczy jest wiele. Do bardziej znaczących należy zaliczyć:
- powszechne stosowanie w obwodach odbiorczych bezpieczników zamiast wyłączników samoczynnych jako zabezpieczeń przetężeniowych, często źle dobranych i „naprawianych”,
- użytkowanie odbiorników o klasie ochronności 0 z zewnętrznymi elementami metalowymi, np. lamp przenośnych na zewnątrz pomieszczeń oraz w pomieszczeniach o zwiększonym zagrożeniu porażeniowym (piwnice, garaże, warsztaty),
- ponad 25-letnie zapóźnienie w stosowaniu wyłączników różnicowoprądowych; nadrobienie tego opóźnienia w stosunkowo krótkim czasie jest niemożliwe, pomimo dużej podaży tych urządzeń dobrej jakości, ze względu na to, że wymagają one stosowania osobnego przewodu ochronnego (PE), a zatem sieci i instalacji typu TN-S lub TN-C-S, pięcioprzewodowych w części trójfazowej i trójprzewodowych w części jednofazowej, czego obecnie praktycznie nie ma,
- użytkowanie instalacji i urządzeń aż do uszkodzenia, bez przeprowadzania przeglądów konserwacyjnych i badań okresowych,
- użytkowanie urządzeń (odbiorników) elektrycznych wielokrotnie naprawianych, często niefachowo przez samych użytkowników, bez badań ponaprawczych,
- niestosowanie połączeń wyrównawczych głównych ani dodatkowych (miejscowych),
- niska kultura techniczna użytkowników instalacji i urządzeń elektrycznych, w tym również nierzadko zawodowych elektryków, objawiająca się m.in. lekceważącym stosunkiem do zagrożenia porażeniowego, szczególnie w instalacjach niskiego napięcia.
Można przyjąć, że obecnie w Polsce tylko nowe obiekty, wybudowane w ostatnich kilku latach, mają instalacje elektryczne wykonane w sposób spełniający aktualne wymagania dotyczące bezpieczeństwa pod względem porażeniowym; są m.in. wyposażone w oddzielny przewód PE (rys. 1.b).
Stan nadmiernie dużego zagrożenia porażeniowego w milionach mieszkań i dowolnych innych obiektach budowlanych w Polsce, będzie się utrzymywał zapewne jeszcze bardzo długo, do czasu modernizacji większości istniejących instalacji i doprowadzenia ich do stanu zgodnego z aktualnymi wymaganiami technicznymi.
2. rażenia bezpośrednie i pośrednie
Człowiek może zostać porażony prądem elektrycznym, jeżeli jego ciało stanie się częścią obwodu elektrycznego i popłynie przez nie prąd elektryczny o odpowiednio dużej wartości.
Może to się wydarzyć pod wpływem rażeń bezpośrednich lub pośrednich (rys. 2 i 3), kiedy człowiek dotyka dłonią lub dowolną inną częścią ciała przewód lub część przewodzącą urządzenia znajdującą się pod napięciem.
Przypadki bezpośredniego dotknięcia przewodów i innych części przewodzących znajdujących się pod napięciem, nieizolowanych, dotyczą raczej pracowników energetyki, którzy powinni posiadać odpowiednie wykształcenie i świadomość występującego zagrożenia i przez to wypadki takie nie powinny mieć miejsca, a jednak występują.
Większość tragicznych wypadków porażenia prądem elektrycznym zdarza się głównie w warunkach domowych, w czasie użytkowania urządzeń (odbiorników) elektrycznych o uszkodzonej izolacji (rys. 3) lub przy braku ciągłości przewodu ochronno-neutralnego PEN w sieciach typu TN-C (rys. 1), nawet przy w pełni sprawnych wszystkich urządzeniach elektrycznych.
Do porażenia elektrycznego może dojść również w razie uszkodzenia izolacji urządzenia i jednofazowego zwarcia, kiedy instalacja i wszystkie inne urządzenia są sprawne (rys. 3.d), lecz kiedy jeszcze nie zadziałały urządzenia ochrony przeciwporażeniowej (wyłączniki różnicowoprądowe), wyłączniki instalacyjne, bezpieczniki). Do momentu zadziałania tych urządzeń na częściach przewodzących urządzeń (na osłonach i obudowach) może pojawić się napięcia o niebezpiecznej wartości. Jeżeli w tym czasie człowiek ma kontakt z urządzeniem (rażenie pośrednie), to przez niego popłynie prąd rażeniowy. Ze względu na krótkie czasy działania sprawnych urządzeń zabezpieczających (< 1 s) to praktycznie nie dochodzi do tragicznych zdarzeń porażenia.
Wniosek ten niekiedy może nie dotyczy urządzeń ręcznych i przenośnych I klasy ochronności, zawierających zewnętrzne części metalowe, trzymane w czasie pracy w zaciśniętych, często wilgotnych dłoniach.
3. instalacje i urządzenia niskiego napięcia
3.1. Graniczne wartości prądów rażeniowych
Prąd elektryczny przepływający przez dowolny żywy organizm może wywołać w nim zmiany fizykalne, takie jak: znamiona prądowe, oparzenia, uszkodzenia oczu, uszu i in., oraz zmiany patofizjologiczne, takie jak: mrowienie, uczucie ciepła, skurcze mięśni dłoni i klatki piersiowej, zatrzymanie pracy serca oraz migotanie (fibrylacja) komór serca. Zmiany patofizjologiczne, poza zatrzymaniem pracy serca i migotaniem komór serca, przy właściwie udzielonej pomocy w krótkim czasie, nie wywołują uszkodzenia zdrowia. Najgorszy ze skutków, migotanie komór serca, powoduje praktycznie w każdych warunkach, poza szpitalnymi, śmierć porażonego, bowiem przywrócenie pracy serca jest możliwe jedynie przy zastosowaniu specjalnego aparatu elektromedycznego (defibrylatora), w czasie zaledwie kilku minut od momentu porażenia.
Wszystkie oddziaływania prądu, wywołujące określone skutki, zależą bowiem od rodzaju prądu, czasu działania, indywidualnych cech człowieka i in. Można więc mówić o pewnych zakresach działania, wartościach średnich (tabl. 1) lub innych wywołujących określone skutki z pewnym prawdopodobieństwem.
Zgodnie z ustaleniami IEC [6] skutki rażenia, w zależności od wartości prą-dów i czasów trwania rażenia, pozostających w poszczególnych strefach działania
(rys. 4) są następujące:
AC-1, DC-1 - zwykle nie są odczuwalne żadne reakcje organizmu,
AC-2, DC-2 - zwykle nie ma żadnych skutków patofizjologicznych,
AC-3, DC-3 - zwykle nie ma trwałych uszkodzeń organizmu; wraz ze zwiększeniem się prądów rażeniowych i czasów trwania rażenia mogą wystąpić odwracalne zakłócenia pracy serca, nie wywołujące jednak fibrylacji komór serca, a przy długich czasach działania również skurcz mięśni dłoni, uniemożliwiający samouwolnienie się, i skurcz mięśni klatki piersiowej, zatrzymujący proces oddychania;
AC-4, DC-4 - możliwość wystąpienia fibrylacji komór serca z narastającym prawdopodobieństwem jego wystąpienia wraz ze zwiększaniem się wartości prądów rażeniowych i czasów trwania rażenia; możliwość wystąpienia poparzeń i innych skutków patofizjologicznych, takich jak wymienione w strefie AC-3 i DC-3, jednak ze zwiększonym prawdopodobieństwem ich wystąpienia i bardziej groźnymi następstwami.
Graniczne wartości prądów rażeniowych wywołujących fibrylację komór serca, podane na rys. 4, dotyczą rażenia na drodze lewa ręka lub ręce oraz stopy. Na drodze rażenia prawa ręka-stopy, ręka-ręka czy ręka-plecy graniczne dopuszczalne wartości prądów są nawet znacznie większe. Odwrotnie przy rażeniu na drodze ręka-pierś graniczne wartości prądów są mniejsze o około 20-30% od ustalonych.
Rozpowszechniony pogląd, że prąd rażeniowy stały jest mniej niebezpieczny aniżeli prąd przemienny częstotliwości sieciowej jest jedynie w części prawdziwy i dotyczy długich czasów działania. Przy czasach 0,2 s i krótszych nie ma znaczenia czy jest to prąd stały czy przemienny.
Pomimo, że o skutkach rażenia decyduje wartość prądu rażeniowego, w technice ochrony przeciwporażeniowej przyjęto posługiwać się granicznymi dopuszczalnymi wartościami napięć dotykowych. Za wartości dopuszczalne przyjmuje się 50 V prądu przemiennego i 120 V prądu stałego w warunkach uznawanych za normalne oraz odpowiednio 25 V i 60 V w warunkach zwiększonego zagrożenia porażeniowego (pomieszczenia mokre, wilgotne, o przewodzących ścianach i podłożu oraz inne podobne). Z podanych ustaleń wynika, że napięcie 230 V jest napięciem niebezpiecznym, i jako takie w żadnych warunkach nie może być lekceważone.
3.2. Ochrona przeciwporażeniowa
Ochrona przeciwporażeniowa pracowników obsługi oraz użytkowników urządzeń i instalacji elektrycznych powinna być realizowana w taki sposób, aby w przypadku różnorodnych uszkodzeń urządzeń i instalacji oraz błędnych działań i zachowań ludzi, nie dochodziło do porażenia elektrycznego. Może to być uzyskane przez:
- uniemożliwienie dotknięcia części czynnych pozostających pod napięciem w warunkach normalnej pracy,
- zastosowanie bardzo niskich napięć, które nie wywołują przepływu prądów rażeniowych zagrażających zdrowiu i życiu, nawet przy bezpośrednim dotknięciu części czynnych przez człowieka,
- spowodowanie szybkiego wyłączenia uszkodzonych urządzeń (wyłączenie zasilania),
- ograniczenie napięć dotykowych na dostępnych częściach przewodzących w przypadku różnorodnych uszkodzeń do wartości uznawanych w danych warunkach za dopuszczalne,
- jednoczesne zastosowanie dwóch lub więcej z podanych środków ochrony.
W zależności od wartości napięć znamionowych źródeł zasilania oraz układu sieci rozróżnia się (rys. 5) ochronę przeciwporażeniową:
- przed dotykiem bezpośrednim (ochronę podstawową),
- przy dotyku pośrednim (ochronę dodatkową),
jednoczesną przed dotykiem bezpośrednim i przy dotyku pośrednim.
Zastosowane środki ochrony przed dotykiem bezpośrednim powinny być odporne na różnorodne narażenia pochodzące od środowiska oraz na obciążenia elektryczne i narażenia cieplne, mechaniczne i inne, jakie mogą wystąpić podczas normalnej i zakłóceniowej pracy urządzenia.
Skuteczność działania wymienionych środków ochrony przed dotykiem bezpośrednim nie jest jednakowa i z tego względu, - zależnie od zastosowanych środków ochrony przeciwporażeniowej podstawowej - rozróżnia się (rys. 5) ochronę:
- całkowitą, wykonaną przy użyciu izolacji, osłon i obudów o odpowiednim stopniu ochrony, zapewniających ochronę przed przypadkowym lub umyślnym dotknięciem części czynnych urządzeń,
- częściową, wykonaną przy użyciu barier i ogrodzeń lub przez umieszczenie urządzeń bez izolacji podstawowej części czynnych poza zasięgiem ręki; takie środki ochrony mogą być stosowane w wydzielonych pomieszczeniach przeznaczonych dla celów elektroenergetycznych niedostępnych dla osób postronnych, nieupoważnionych,
- uzupełniającą, wykonaną z zastosowaniem wysokoczułych wyłączników różnicowoprądowych; a ich użycie nie zwalnia od obowiązku zastosowania co najmniej jednego środka ochrony podstawowej.
Ochrona przeciwporażeniowa uzupełniająca jest zespołem środków technicznych chroniących przed porażeniem ludzi lub zwierząt, kiedy zawodzi ochrona podstawowa, a ochrona dodatkowa nie zapobiega lub może nie zapobiegać porażeniu. Jako ochronę przeciwporażeniową uzupełniającą należy stosować wyłączniki różnicowoprądowe wysokoczułe, o znamionowym różnicowym prądzie zadziałania do 30 mA, uziemione połączenia wyrównawcze główne i miejscowe (dodatkowe) lub nieuziemione połączenia wyrównawcze miejscowe. Jeżeli przewiduje się zastosowanie uzupełniającej ochrony przeciwporażeniowej, to mimo to nie dopuszcza się złagodzenia wymagań stawianych ochronie przeciwporażeniowej podstawowej ani dodatkowej.
Ochrona przeciwporażeniowa uzupełniająca powinna chronić ludzi nawet w najbardziej niekorzystnych sytuacjach pod względem porażeniowym, powodowanych uszkodzeniami lub niesprawnością urządzeń elektrycznych, lecz także błędnymi zachowaniami ludzi, takimi jak dotknięcie części czynnych pod napięciem, przerwanie przewodu ochronnego PE, zamiana przewodu fazowego L i ochronnego PE, wpadnięcie urządzenia elektrycznego do zbiornika (wanny) z wodą, pojawienie się napięcia na częściach przewodzących obcych wywołanego uszkodzeniami urządzeń elektrycznych nawet w miejscach odległych od miejsca jego wystąpienia i inne podobne.
Ochrona przeciwporażeniowa uzupełniająca w postaci wyłączników różnicowoprądowych wysokoczułych powinna być wykonana przede wszystkim tam, gdzie prawdopodobieństwo wystąpienia opisanych sytuacji jest szczególnie duże, a zatem w obwodach gniazd wtyczkowych, umieszczonych w miejscach i pomieszczeniach o zwiększonym zagrożeniu porażeniowym.
Ochrona przy dotyku pośrednim przez zastosowanie samoczynnego (szybkiego) wyłączenia zasilania należy do najbardziej rozpowszechnionych sposobów ochrony (rys. 6). Urządzenia ochronne powinny samoczynnie wyłączyć, w bardzo krótkim czasie, zasilanie obwodu lub urządzenia chronionego przy urządzeniach zagrażających porażeniem. Najdłuższe dopuszczalne czasy wyłączania zależą od napięcia znamionowego względem ziemi oraz układu sieci. W instalacji o układzie TN, oraz napięciu znamionowym 230/400 V i napięciu względem ziemi 230 V, czas ten wynosi 0,4 s dla urządzeń użytkowanych w przeciętnych warunkach, dla których napięcie graniczne dopuszczalne UL = 50 V, oraz 0,2 s w przypadku użytkowania urządzeń w pomieszczeniach o zwiększonym zagrożeniu porażeniowym, dla których UL = 25 V.
W pewnych przypadkach, głównie w odniesieniu do urządzeń i odbiorników zainstalowanych na stałe, dopuszcza się dłuższe od podanych czasy wyłączania, nie dłuższe jednak niż 5 s.
Wyłączenie uszkodzonego obwodu w sieciach i instalacjach uziemionych, realizowane przez zastosowanie urządzeń przetężeniowych (wyłączników, bezpieczników), jest powodowane działaniem wyłączników lub przepalaniem się wkładek bezpiecznikowych. Następuje to wtedy, kiedy prąd jednofazowego zwarcia z ziemią jest wystarczająco duży, do spowodowania bezzwłocznego działania wyłączników lub przepalenia się wkładki w pożądanym czasie.
Krotności prądów zwarciowych zapewniające przepalenie wkładek bezpiecznikowych typu gL, w czasie krótszym niż 0,4 s, wynoszą 8,3-8,9 prądów znamionowych wkładek do 32 A oraz 10-11 dla wkładek 63-100 A.
Przy zastosowaniu wyłączników jako zabezpieczeń zwarciowych, w zależności od charakterystyk wyłączników, pożądane krotności prądów zwarciowych, wynoszą od 5 In dla wyłączników o charakterystykach typu B do 20 In dla wyłączników typu D, gdzie In to prąd wyzwalacza przeciążeniowego.
Innym, bardzo skutecznym sposobem wyłączania zasilania w przypadku uszkodzenia izolacji, w tym również jednofazowego doziemienia, jest zastosowanie wyłączników różnicowoprądowych.
Podstawowym elementem wyłącznika (urządzenia) różnicowoprądowego (rys. 7) jest przekładnik sumujący w postaci toroidalnego rdzenia magnetycznego, przez który są przeprowadzone przewody czynne instalacji (fazowe i neutralny), lecz nie przewód ochronny PE. Jeżeli odbiorniki i instalacje za wyłącznikiem są całkowicie sprawne, to suma prądów przepływających przewodami fazowymi i neutralnym jest równa zeru. Wówczas wyłącznik daje się załączyć oraz pozostaje w pozycji załączonej. Jeżeli jednak nastąpi zwarcie doziemne zagrażające porażeniem elektrycznym, to część prądu przepływa przewodem ochronnym bezpośrednio do ziemi lub przez ciało człowieka i nie wraca przewodem neutralnym, tak że suma prądów przepływających przewodami fazowymi i neutralnym przechodzącymi przez okno przekładnika sumującego jest różna od zera. W obwodzie magnetycznym przekładnika pojawia się zmienny strumień magnetyczny, który w obwodzie wtórnym przekładnika indukuje napięcie, powodujące zadziałanie wyłącznika w bardzo krótkim czasie (setne części sekundy) i wyłączenie uszkodzonego obwodu.
Podstawowymi parametrami wyłączników różnicowoprądowych jest prąd znamionowy ciągły IN, jaki może przepływać długotrwale przez wyłącznik, oraz znamionowy prąd różnicowy IDN, pod wpływem którego powinno nastąpić zadziałanie wyłącznika. Wyłączniki różnicowoprądowe są budowane przeważnie na prądy znamionowe ciągłe o natężeniu od 6 do 63 (125) A oraz prądy znamionowe różnicowe IDN o natężeniu równym 10, 30, 100, 300 i 500 mA. Wyłączniki, których prąd IDN = 10 i 30 mA nazywa się wysokoczułymi. Przy istnieniu w obwodzie sprawnego wyłącznika różnicowoprądowego wysokoczułego nawet bezpośrednie dotknięcie przewodu pod napięciem przez człowieka stojącego na dobrze przewodzącym podłożu (np. na mokrej podłodze w łazience) nie powinno spowodować nieszczęśliwego wypadku, szybko bowiem zadziała wyłącznik. Nie daje to jednak przyzwolenia na takie zachowanie ani nie oznacza, że nie trzeba zachowywać ostrożności.
W sieciach i instalacjach o układzie TT (rys. 8) w przypadku jednofazowego zwarcia, prąd zwarciowy jest niewielki, przeważnie mniejszy niż prąd roboczy urządzeń, ponieważ w obwodzie zwarciowym występują m.in. uziemienia robocze i ochronne, każde o rezystancji co najmniej kilku omów. Praktycznie nie jest możliwe wykonanie skutecznej ochrony przeciwporażeniowej przez szybkie wyłączenie zasilania przy zastosowaniu wyłączników i bezpieczników, lub może to być wykonane jedynie w odniesieniu do urządzeń o prądach znamionowych o niewielkich wartościach, równych pojedynczych amperom, przy równoczesnym zapewnieniu bardzo małych rezystancji uziemień RA, co jest bardzo trudne technicznie.
Skuteczna ochrona przeciwporażeniowa w sieciach i instalacjach o układzie TN-C-S oraz TT może być natomiast wykonana w prosty sposób z zastosowaniem urządzeń (wyłączników) różnicowoprądowych (rys. 9), nawet przy znacznych wartościach uziemień.
W sieciach o układzie IT ochrona przed dotykiem pośrednim może być zrealizowana (rys. 10) przez zastosowanie następujących środków zabezpieczających:
- urządzenia do kontroli stanu izolacji,
- urządzenia różnicowoprądowego,
- urządzenia (wyłącznika) napięciowego.
Urządzenia kontroli stanu izolacji powinny sygnalizować lub powodować wyłączenie sieci (instalacji) w przypadkach wystąpienia pojedynczego zwarcia doziemnego lub zmniejszenia się rezystancji izolacji doziemnej poniżej ustalonej wartości, przeważnie 15-30 kW.
Gdy pierwsze zwarcie jednofazowe nie powoduje wyłączenia sieci, wówczas powinno ono być usunięte w możliwie najkrótszym czasie.
Zasadność stosowania wyłączników różnicowoprądowych w sieciach o układzie IT występuje wtedy, kiedy prąd jednofazowego zwarcia z ziemią Ik1 jest większy od znamionowego prądu różnicowego IDN (rys. 11). Wymaganie to może jednak okazać się niewystarczające, jeżeli wyłącznik obejmuje swym zasięgiem znaczną część instalacji.
W takim układzie działanie wyłącznika nastąpi, jeżeli część prądu Ik1A zamykająca się przez pojemność instalacji przed wyłącznikiem jest większa od prądu wyzwalającego IDw. Z tego względu wyłączniki różnicowoprądowe zainstalowane na początku sieci IT nie będą działały przy doziemieniach.
morny