Ochrana proudovými chrániči s ohledem na soustavu napájecí sítě

Požadované doby odpojení pro sítě TN a TT udává Tab. 1. Tyto hodnoty platí pro koncové obvody se jmenovitým proudem do 32 A. Pro ostatní obvody, a zejména distribuční soustavy je požadovaná doba odpojení 5 s v sítích TN a 1 s v sítích TT. Přísnější požadavky na dobu odpojení v síti TT oproti TN vyplývají z horšího rozdělení napětí v poruchové smyčce. Ochranný vodič v sítích TN totiž obecně zaručuje nižší impedanci a příznivější rozdělení napětí, (tj. nižší očekávané dotykové napětí neživých částí), než uzemnění v soustavě TT.

Pro automatické odpojení poruchy (např. zkrat živé části na neživou, který bez včasného odpojení znamená nepřípustně vysoké dotykové napětí na původně neživé části, a tím ohrožení osob), lze v dnešní době využít v podstatě dvě skupiny přístrojů. První skupinou jsou tzv. nadproudové ochranné prvky. Mezi ně patří pojistky a jističe. Druhou skupinou jsou proudové chrániče, jež reagují přímo na rozdílový (reziduální, poruchový) proud. Pro včasné odpojení je kritická hodnota impedance poruchové smyčky. Požadavek na její maximální velikost lze shrnout do  jednoduchého vztahu Z_s = U₀ / I_a, kde Z_s je impedance poruchové smyčky, U₀ je maximální dovolené dotykové napětí a Ia je vybavovací proud ochranného prvku, jež zaručuje odpojení v požadované době, viz tab. 1. Pro prostředí normální a nebezpečné se U₀ volí 50 V.

V běžných situacích musí automatické odpojení v požadovaném čase zajistit nadproudový ochranný prvek. Výskyt nebezpečného dotykového napětí na neživých částech je totiž zpravidla způsoben méně či více dokonalým jednofázovým zkratem na neživou část. Toto však může být problematické zejména v rozsáhlejších sítích na jejich konci, kde nepříznivým způsobem může impedanci poruchové smyčky ovlivnit i impedance fázového vodiče. Zde často není možno dosáhnout včasného odpojení pomocí nadproudových ochranných prvků. Pro automatické odpojení lze pak s výhodou použít proudového chrániče (za vybavovací proud pro rychlé odpojení se volí v souladu s pětinásobek jmenovitého reziduálního proudu). Impedance smyčky totiž může být značně vyšší.

V rovnici Z_s = U₀ / I_a značí I_a vybavovací proud ochranného prvku, což je pro nadproudové přístroje zpravidla několikanásobek proudu jmenovitého, ale pro proudový chránič se uvažuje pětinásobek jmenovitéhoreziduálního proudu. To jsou v praxi typicky stovky mA. Na tuto možnost samozřejmě pamatuje i ČSN 33 2000-4-41. Nicméně je nutné opět zopakovat, že je to postup vhodný pro nezbytné případy, nikoliv návrhářské pravidlo. Provozní spolehlivost nadproudových prvků spolu s poruchovou smyčkou dostatečně nízké impedance, je totiž obecně vyšší, než je tomu u proudových chráničů. Čili je nutné posuzovat všechna ochranná opatření jako celek. Podstatnou poznámkou taktéž je, že jak dle předmětových norem pro proudové chrániče ČSN EN 61008-1 ed. 2 nebo ČSN EN 61009-1 ed. 2, tak dle ČSN 33 2000-4-41 ed. 2, je nutné proudové chrániče chránit před přetížením a zkratem, tj. předřadit jim nadproudový ochranný prvek!

Uvedená možnost použití proudového chrániče má zásadní význam zejména pro sítě TT. V rozlehlých soustavách zejména na konci vedení může být problematika příliš vysoké impedance poruchové smyčky těžko řešitelným problémem. Za určitých podmínek je jistě možno zvětšit průřez fázových vodičů, nicméně hodnotu impedance uzemnění lze ovlivnit jen těžko. Navíc je nutné mít na paměti sezónní vlivy na hodnotu zemního odporu. Právě použití proudových chráničů pak přináší optimální řešení, neboť maximální požadované impedance jsou řádově vyšší.

V sítích TN je primárním řešením problému vysoké impedance poruchové smyčky snížení této impedance. Tak jako v síti TT lze v některých případech snížit impedanci fázového vodiče, (zvětšení průřezu). Zde ale lze ovlivnit i impedanci ochranného vodiče. A to jak přímo zvětšením průřezu, nebo nepřímo jeho častým přizemňováním. Časté přizemňování navíc omezuje problémy způsobené přerušením ochranného vodiče. Důležitým aspektem pro použití chráničů v sítích TN je skutečnost, že PEN a PE vodič nesmí být spínán ani vypínán. Tento požadavek je pochopitelný. Přerušení tohoto vodiče totiž znamená odpojení základních ochran. V praxi z tohoto vyplývá, že proudový chránič obecně nelze použít v síti TN-C. Je tedy nutno takovouto síť rozbočit před chráničem na TN-C-S.

V sítích IT je situace oproti TT a TN odlišná. To je dáno tím, že první porucha není v síti IT nebezpečná. Fakticky pouze znamená, že se tato soustava změnila na obdobu sítě TT nebo TN. Nicméně důležitá je skutečnost, že druhá porucha způsobuje obecně závažnější problém, než porucha v sítích TN či TT. Důvodem je fakt, že při druhé poruše musíme v soustavě IT na místo fázového napětí uvažovat o napětím sdruženém (první porucha uvede neživé části, případně lokální uzemnění na potenciál jedné fáze).

Tím, že první porucha není nebezpečná, není nutné ji vždy okamžitě vypínat a obvykle dokonce nesmí být vypnuta. Nicméně o této poruše musí být informována příslušná osoba zodpovědná za nápravu. Pro signalizaci lze využít hlídačů izolačního stavu nebo monitorovacích relé reziduálního proudu. S ohledem na ČSN 33 2000-4-41 ed. 2 je nezbytné první poruchu co nejdříve odstranit. Ovšem ze skutečnosti nemusí dojít k okamžitému odpojení po první poruše, vyplývá i vysoká provozní spolehlivost. To je i jeden z důvodů, proč se IT používá ve zdravotnictví, (tzv. zdravotnická izolovaná soustava).

Proud první poruchy je dán impedancí sítě oproti zemi, tj. v podstatě parazitními kapacitami, viz obr. 1. To znamená, že čím je soustava rozsáhlejší, tím budou větší svodové proudy. Na jejich velikosti závisí např. i použití proudového chrániče, a zejména jeho vybavení při první poruše. Chceme-li použít proudový chránič pro odpojení v případě první poruchy, je nutné, aby síť byla dostatečně rozlehlá. Nicméně existuje i opačný požadavek. Pokud je poměrně rozlehlá síť za proudovým chráničem, hrozí riziko, že se přes kapacitní vazby poruchová smyčka uzavře až za tímto chráničem. To znamená, že se poruchová smyčka v případě první poruchy uzavře přes kapacitní vazby za proudovým chráničem a chránič tudíž nevybaví. První poruchu ovšem může vytvořit i dotek osoby s fázovým vodičem. Rozlehlost sítě způsobí, že touto osobou bude protékat nebezpečně velký proud, ale uzavření proudové dráhy přes kapacitní vazby za chráničem způsobí nevybavení tohoto chrániče.