Impedance poruchové smyčky – 1. díl

Tím dojde ke změně v síti, obvykle k průtoku poruchového proudu jinou cestou než pracovními vodiči, což uvede v činnost jistící prvek, který odpojí elektrický obvod od zdroje.

Velikost poruchového proudu je ovlivněna vlastnostmi obvodu, kterým proud proteče a vzhledem k tomu, že síťové napětí způsobující poruchový proud lze v rámci určité tolerance považovat za stále stejně velké, je zřejmé, že na velikost poruchového proudu má především vliv velikost odporu, který poruchový obvod klade protékajícímu proudu. Odpor poruchového obvodu neboli poruchové smyčky, lze tedy považovat za nejdůležitější vlastnost ovlivňující správnou funkci ochrany samočinným odpojením od zdroje.

Impedance poruchové smyčky

Impedance poruchové smyčky je součtem impedancí a odporů jednotlivých částí obvodu, kterým v případě vzniku poruchy protéká poruchový proud od zdroje k místu poruchy.
V TN síti impedanci poruchové smyčky tvoří:

• ZT (impedance sekundárního vinutí napájecího transformátoru)
• ZL (impedance fázového vodiče od zdroje k místu poruchy)
• RPE (odpor PE / PEN vodiče od místa poruchy ke zdroji)

V TT síti impedanci poruchové smyčky tvoří:

• ZT (impedance sekundárního vinutí napájecího transformátoru)
• ZL (impedance fázového vodiče od zdroje k místu poruchy)
• RPE (odpor PE vodiče od místa poruchy po místo uzemnění a zemní odpor jeho uzemnění)
• Zemní odpor uzemnění zdroje (distribučního transformátoru)

Odpor, který ochranný obvod klade průchodu poruchového proudu, je nazýván impedancí poruchové smyčky, neboť nemusí obsahovat pouze reálnou (odporovou) složku, ale i induktivní nebo výjimečně i kapacitní složku. Induktivní složka je tvořena především induktancí vinutí napájecího transformátoru. Činnou odporovou část impedance pak tvoří odpor vodičů (vodiče instalace, vodiče vinutí transformátoru) případně zemní odpor v TT síti.
Indukční složku impedance lze ve většině případů zanedbat, jestliže je impedance smyčky větší než 0,4 Ω. Pokud se ovšem měření provádí v blízkosti napájecího transformátoru (< 50 m) může mít indukční složka impedance (induktance) hodnoty srovnatelné s odporovou částí (rezistancí). Pokud měřicí přístroj měří pouze odpor poruchové smyčky, a nikoliv skutečnou impedanci, je v těchto případech naměřena nižší hodnota odporu poruchové smyčky, než je její skutečná impedance, a to může mít vliv na správnost rozhodnutí o správné funkci ochrany automatickým odpojením od zdroje.
Pokud dochází u sítí TN nebo TT k průtoku poruchového proudu obvodem, jehož součástí je PE vodič nebo uzemnění, je nutno zajistit, aby odpor tohoto obvodu nebyl natolik velký, že způsobí omezení poruchového proudu na hodnotu, která již nedokáže vybavit jistící prvek (jistič nebo pojistku). Z toho důvodu je nutno při revizích elektrických instalací měřit odpor PE obvodu (TN) a zjistit, zda je dostatečně malý, aby poruchový proud jím protékající způsobil bezpečné vybavení jistícího prvku v předepsaném čase.

Na obr. 1 je naznačen průtok proudu obvodem poruchové smyčky při poruše izolace mezi živou a neživou částí elektrického zařízení. Je zřejmé, že v okamžiku vzniku poruchy se fázové napětí připojí na PE obvod a průtok poruchového proudu způsobí na všech částech s PE obvodem spojených vznik napětí. Pokud je toto takzvané dotykové napětí příliš velké, může způsobit úraz osob, které se v té chvíli dotýkají elektrických zařízení, například spotřebičů připojených k PE vodiči sítě.
Poruchová smyčka tedy musí mít takové parametry, aby při poruše izolace mezi živou a neživou částí elektrického zařízení jistící prvky odpojily chráněnou část natolik rychle, aby nedošlo k jejímu dalšímu poškození, a aby na chráněných částech nevzniklo nebezpečné dotykové napětí. Toto je zajištěno tehdy, pokud není poruchová smyčka přerušená a pokud je její impedance dostatečně malá (čím menší impedance, tím větší poruchový proud a tím rychlejší vybavení jistících prvků). Velikost dotykového napětí lze pak omezit dobrým uzemněním PE obvodu.

Měření impedance smyčky

Princip měření
Princip měření impedance smyčky je ve všech měřicích přístrojích použit shodný (viz obr. 2). Přístroj simuluje vznik poruchy izolace mezi živou a neživou částí sítě a z průtoku simulovaného poruchového proudu vyhodnotí velikost impedance obvodu.
Měřič impedance je připojen mezi fázový vodič L a vodič PE (případně mezi L a N, pokud se měří impedance sítě). Po zahájení měření přístroj změří nejprve napětí zdroje naprázdno U₁. Potom do obvodu připojí zatěžovací odpor R_Z, kterým proteče měřicí proud I a zároveň voltmetr změří napětí U₂ v obvodu při zatížení simulovaným poruchovým proudem. Rozdíl U₁ – U₂ je úbytek napětí na měřené impedanci Z při průtoku proudu I a přístroj vyhodnotí impedanci jako: Z= (U₁-U₂)/I

Měření úbytku napětí během dvou po sobě následujících půlperiod síťového napětí je zachycen na obr. 3. Pro lepší názornost je zobrazen jako rozdíl vrcholových hodnot, ovšem ve skutečnosti přístroj měří efektivní hodnoty těchto napětí. Je zřejmé, že čím menší je impedance smyčky, tím menší je úbytek napětí na ní, a tím menší je tedy rozdíl napětí při nezatížené a zatížené síti. Dále je třeba si uvědomit, že napětí U₁ a U₂ jsou napětí sítě, tzn. asi 230 V a rozdíl mezi nimi se pro impedance menší než 1 Ω pohybuje v závislosti na velikosti měřicího proudu v nejlepším případě řádově v jednotkách voltů. Na přesnost měření takto malých napěťových rozdílů mají samozřejmě vliv jakékoliv rušivé jevy v síti a velké nároky jsou také kladeny na elektronické měřicí obvody přístroje. Proto čím menší je měřená impedance, s tím větší nejistotou (chybou) je měření provedeno.
Na přesnost měření impedance mají především vliv:

• Přesnost měření napětí v přístroji
• Nestabilita síťového napětí
• Rušení v síti
• Zkreslení tvaru sinusového průběhu napětí

Zajištění bezpečnosti a zvýšení přesnosti při měření
Nejstarší měřicí přístroje řešily problém eliminace rušivých jevů v síti tím, že měření probíhalo delší dobu, aby byl získán průměrný výsledek. Tento postup měl ale negativní vliv na zachování bezpečnosti při měření, neboť během měření je fázové napětí přivedeno na ochranný vodič, a pokud jeho impedance není dostatečně malá, objeví se na částech spojených s PE obvodem, například na neživých částech spotřebičů připojených k síti, nebezpečné napětí.
Moderní přístroje musí být proto konstruovány tak, aby buď neustále kontrolovaly během měření dotykové napětí na PE vodiči a automaticky přerušily měření, dosáhne-li nebezpečné hodnoty, nebo měření musí probíhat jen po tak krátkou dobu, že i při výskytu nebezpečného dotykového napětí v PE obvodu nemůže dojít k úrazu elektrickým proudem. Tento druhý způsob je u současných měřicích přístrojů převládající.
Při měření velmi malých impedancí je výsledek nezanedbatelným způsobem ovlivněn také odporem měřicích vodičů, přechodovým odporem mezi konektory přístroje pro připojení vodičů a kontakty měřicích vodičů a především přechodovým odporem mezi měřicími hroty a měřeným objektem. S odporem měřicích vodičů, které výrobce k přístroji standardně dodává, je již obvykle počítáno při výrobním nastavení přístroje, a přestože se může měnit (např. s oteplením vodičů), je jeho vliv na výsledek měření u běžných přístrojů zanedbatelný. Přechodový odpor mezi měřicími hroty
a měřeným objektem je ovšem ovlivněn celou řadou faktorů, jako je přítlačná síla hrotů k měřenému objektu, plocha styku měřicích hrotů nebo krokosvorek a měřeného objektu, koroze styčných povrchů apod.
Pro zvýšení přesnosti měření a eliminaci rušivých jevů v síti se u přístrojů používají následující metody:

• a) Měření jednou polovinou periody síťového kmitočtu, kdy při první půlvlně v síti je měřeno napětí bez zatížení zdroje a během následující půlvlny shodné polarity dojde k připojení zatěžovacího odporu do obvodu a měření napětí a proudu při zatížení. Metoda vyžaduje zatížení obvodu vyšším měřicím proudem, neboť měření probíhá po krátkou dobu a výsledek měření nepříznivě ovlivňují krátkodobé výkyvy napětí.
• b) Přístroj provede několik těsně po sobě následujících měření a vyhodnotí průměrný výsledek. Nevýhodou je prodloužení doby měření a proud protékající zatěžovacím odporem produkuje vyšší množství tepla, což u rozměrově menších přístrojů vede k přehřívání přístroje při jeho intenzivním používání.
• c) Použití čtyřvodičové metody měření pro eliminaci vlivu odporu měřicích vodičů a přechodových odporů mezi měřidlem a měřeným objektem u přesných měřičů velmi malých impedancí.

Čtyřvodičová metoda měření odporu
Při měření velmi malých impedancí již není možno zanedbat odpor měřicích vodičů a vliv přechodových odporů na styku měřicích vodičů a měřeného objektu. Tyto odpory se u běžných, dvouvodičově připojovaných přístrojů přičítají k měřené impedanci, a jak bylo vysvětleno v předchozí kapitole, nelze jejich hodnotu předem zjistit a od naměřeného výsledku odečíst. Pro vyloučení vlivu těchto odporů se u velmi přesných měřičů impedance používá tzv. čtyřvodičové připojení k měřenému objektu.
U dvouvodičově připojovaných měřičů impedance (obr. 4) je úbytek napětí v obvodu, kterým prochází měřicí proud, snímán na připojovacích svorkách uvnitř přístroje a zahrnuje tedy i úbytky napětí na odporech měřicích vodičů a na přechodových odporech měřicích hrotů. Tím se do naměřeného výsledku promítnou i tyto odpory.
Přístroj využívající čtyřvodičového připojení (obr. 5) má oddělené svorky pro proudový obvod a pro snímání napětí na měřeném objektu. Připojuje se tedy čtyřmi vodiči, z nichž dvěma prochází měřicí proud a dva snímají napětí až za připojením proudových vodičů. Voltmetr tedy měří úbytek napětí pouze na měřené impedanci poruchové smyčky a odpory proudových vodičů a jejich přechodové odpory se do naměřeného výsledku nepromítnou. Při praktickém provedení měření je třeba dbát na to, aby napěťové svorky byly zapojeny vně proudového okruhu.
Je zřejmé, že po praktické stránce je čtyřvodičové připojení měřicího přístroje méně pohotové a v mnoha případech téměř nepoužitelné – například pro měření impedance v síťových zásuvkách. Využívá se tedy především při velmi přesném měření impedance u obvodů jištěných prvky s vysokým měřicím proudem, kde je na přívodech dostatek místa pro připojení vodičů pomocí krokosvorek.

Problematika měření impedance poruchové smyčky
Z principu měření impedance poruchové smyčky a požadavků na toto měření kladených, vyplývají následující závěry:

1. Při měření je nutno dosáhnout dostatečné, pokud možno co nejvyšší přesnosti měření pro relativně malé hodnoty impedance. Zvyšování měřicího proudu naráží na omezení v měřicím přístroji (zvětšování rozměrů zatěžovacího odporu, odvod vznikajícího tepla apod.)
   i v síti (nadměrné zatěžování sítě a omezení daná jistícími prvky, tzn. dimenzování pojistek a jističů). Dobu měření zase nelze prodlužovat z důvodu zajištění bezpečnosti při měření.
2. Jsou-li v elektrické instalaci použity proudové chrániče, potom měřicí proud, který je pro chránič poruchovým proudem, způsobí jeho vybavení a tím je měření znemožněno. Řešením, které se nabízí, je snížení měřicího proudu na takovou úroveň, kdy ještě nedojde k vybavení chrániče. To ovšem vede ke značnému zhoršení přesnosti měření.

Protichůdné požadavky na měřicí metodu v závislosti na jištění sítě názorně zobrazuje diagram na obr. 6:

• Čím vyšší je vybavovací proud jistících prvků v síti, tím menší musí být impedance poruchové smyčky (znázorněno žlutou křivkou).
• Čím menší je impedance smyčky, tím přesnější přístroj je nutno k měření použít.

Závěr je tedy zřejmý. Pro měření v instalacích jištěných jistícími prvky s vyšším vybavovacím proudem je nutno použít přesnější měřicí přístroj. Vhodnost použití měřicího přístroje pro měření v dané síti je tedy předem třeba pečlivě zvážit již z toho důvodu, že požadavek na přesnost měřicího přístroje v závislosti na parametrech jištění vznáší i normy řady ČSN EN 61557. Jakým způsobem lze za využití technických parametrů přístroje vyhodnotit jeho vhodnost pro dané měření tak, aby měření proběhlo v souladu s požadavky norem, bude vysvětleno dále.