Impedance poruchové smyčky – 4. 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.

Měření impedance poruchové smyčky v obvodech s proudovými chrániči

Použití RCD jako ochranného prvku
Pro vybavení jističů nebo pojistek je třeba, aby poruchový proud dosáhl dostatečné velikosti – desítek nebo i stovek ampérů. Zpravidla nestačí náhodné uzemnění živé části, např. dotykem člověka, ale je nutno, aby se poruchový proud uzavřel obvodem s daleko menším odporem přes PE obvod (TN), uzemnění (TT) nebo mezi pracovními vodiči.
Proudový chránič naproti tomu reaguje na podstatně menší proudy velikosti desítek nebo stovek miliampérů, které ovšem musí odtékat mimo živou část elektrického zařízení. Je určen především k ochraně osob, které se dostanou do styku s živou částí elektrického zařízení, ale nechrání před poškozením samotné zařízení nebo elektrickou instalaci, pokud by došlo k poruše v síťové části (zkrat mezi L a N) nebo před chráničem. Díky malému vybavovacímu proudu ovšem chránič na vznik poruchy zareaguje, i když impedance poruchové smyčky bude značná.
Pozn.: Impedance by v obvodech s chrániči mohla být teoreticky tak vysoká, aby při průchodu poruchového (unikajícího) proudu, který ještě nezpůsobí vybavení chrániče, nevzniklo na částech spojených s PE obvodem nebezpečné dotykové napětí. Pro instalaci v normálním prostoru, kde je stanoveno bezpečné napětí 50 V a je použit proudový chránič s reziduálním proudem 30 mA, by tedy impedance mohla dosahovat hodnoty až Z = 50 V / 0,03 A = 1667 Ω, aniž by v instalaci za chráničem vzniklo nebezpečí úrazu elektrickým proudem.
Proudový chránič může být v elektrické instalaci použit buď jako ochrana automatickým odpojením od zdroje v případě vzniku poruchy za chráničem, nebo jako doplňková ochrana pro ochranu osob před úrazem při jejich styku s nebezpečným napětím. Pro případ vzniku poruchy mezi pracovními vodiči musí být doplněn ještě nadproudovou ochranou, která se instaluje jako samostatný prvek nebo může být součástí proudového chrániče (RCD typu RCBO).
Pokud je použit jako ochrana automatickým odpojením od zdroje, potom norma stanovuje, že měření impedance smyčky sice není nutno provádět z důvodu ověření podmínky samočinného odpojení od zdroje chráničem, ovšem je nutno tímto měřením ověřit, zda k samočinnému odpojení dojde i při poruše před chráničem a zda je zajištěna spojitost vodičů obvodu. Zároveň norma doporučuje, aby se měřením impedance navíc ověřila i spojitost obvodu pracovních vodičů L-N (ČSN 33 2000-6 ed. 2, kap. 6.4.3.7.1 NP11). Odhalí se tím například možné velké odpory uvolněných svorek
a kontaktů v instalaci, které by při průchodu většího proudu svým zahříváním zvyšovaly riziko vzniku požáru. Dostatečně nízká impedance sítě (L-N) navíc zajistí odpojení elektrického zařízení při zkratu mezi L a N a zabrání tak poškození instalace v případě vzniku takovéto poruchy.
Je-li chránič použit jako ochrana doplňková, tedy jen jako dodatečná ochrana pro případ selhání základní ochrany nebo při neopatrnosti uživatele, potom se nepovažuje za výhradní ochranné opatření (ČSN 33 2000-4-41 ed. 2, kap. 415.1). I v tomto případě je nutno měřením ověřit velikost impedance poruchové smyčky.
Jak vyplývá z principu měření impedance poruchové smyčky, je měřicí proud zároveň i proudem poruchovým, který při měření protéká ochranným obvodem instalace. Následkem zatížení PE obvodu měřicím zatěžovacím proudem tedy obvykle vybaví proudový chránič, pokud jej instalace obsahuje, a to znemožní změření impedance poruchové smyčky.
Jak bylo vysvětleno, je ovšem nutné měřit impedanci i v obvodech chráněných chrániči a tedy zajistit, aby chránič při měření nevybavil. Překlenutí chrániče vodičem nelze doporučit, neboť jde o zásah do instalace a měření neprobíhá za podmínek, při kterých je potom instalace provozována (na velikosti celkového odporu PE smyčky se podílí i chránič a jeho přípojné svorky).
Proto prakticky každý měřič impedance disponuje nějakou metodou měření impedance v obvodech jištěných proudovými chrániči. Jak si ovšem popíšeme v následujících kapitolách, nejedná se o problematiku jednoduchou. Některé metody jsou nespolehlivé, nepřesné a výsledky měření jsou někdy spíše informativní. Proto je při výběru měřicího přístroje důležité nespokojit se pouze s ujištěním, že přístroj umí měřit impedanci za chráničem, ale je vhodné se zajímat i o to, jakou metodou a s jakou přesností je toto měření prováděno.
Je třeba si ovšem uvědomit, že kterákoliv metoda měření impedance v obvodu za chráničem může z hlediska jeho nevybavení selhat například z důvodu průtoku vysokého svodového proudu v elektrické instalaci.
Při měření impedance smyčky za chráničem je třeba vždy počítat s tím, že RCD může během měření vybavit.

Měření impedance polovinou vybavovacího proudu
Univerzální měřicí přístroje, které spolu s měřením impedance slouží i k ověřování proudových chráničů, mají vestavěno měření dotykového napětí proudem menším než polovina vybavovacího proudu chrániče. Toto měření probíhá obdobně, jako měření impedance poruchové smyčky. Dotykové napětí v PE obvodu vůči zemi je vyhodnoceno jako rozdíl napětí zdroje bez zatížení a po zatížení měřicím proudem, který ovšem v tomto případě nesmí překročit polovinu vybavovacího proudu chrániče. Toho je u přístrojů využito tak, že ze změřeného dotykového napětí (úbytku napětí U₁ - U₂) je současně vypočítána impedance poruchové smyčky.
Je zřejmé, že pokud měřicí proud dosahuje pro chránič 30 mA hodnoty maximálně 15 mA, je úbytek napětí na impedanci poruchové smyčky natolik malý, že chyba měření činí z naměřené hodnoty impedance pouze orientační údaj nevhodný pro další zpracování. Proto často výrobci v technické dokumentaci údaj o přesnosti tohoto měření ani neuvádějí.

Využití konstrukčních vlastností RCD pro měření impedance
Pro měření impedance proudem větším, než je vybavovací proud chrániče lze využít některých konstrukčních vlastností chráničů. Vzhledem k tomu, že přesné vlastnosti chrániče nejsou obvykle známy, je tento postup měření založen spíše na pokusech, zda se měření zdaří, aniž by chránič vybavil.
Chrániče typu AC, zvláště starší typy, jsou citlivé pouze na jednu polaritu poruchového proudu. Pokud je tedy měření provedeno proudovým impulsem o opačné polaritě, chránič při měření nevybaví. Je ovšem třeba vyzkoušet, na kterou polaritu proudu chránič nereaguje a při prvním pokusu o měření existuje vysoká pravděpodobnost, že chránič vybaví. Některé moderní typy chráničů AC navíc reagují na obě polarity.
U chráničů typu A nebo AC, které jsou citlivé na obě polarity vybavovacího proudu, lze vyzkoušet další možnou vlastnost magnetického obvodu chrániče. Pokud přes chránič projde měřicí impuls určité polarity, chránič vybaví. Dojde-li k odpojení poruchového proudu v okamžiku jeho maximální hodnoty, zůstane magnetické jádro chrániče po určitou dobu zmagnetováno. Následující měřicí impuls opačné polarity je demagnetuje, ale nevybaví. Jde ovšem víceméně o náhodný jev, jehož vznik závisí na konstrukci chrániče, tedy především na materiálu magnetického jádra a na okamžiku odpojení měřicího poruchového proudu, což nelze při měření impedance ovlivnit.
U obvodů s chrániči typu G a S lze využít toho, že měřicí impuls u některých, zvláště konstrukčně starších měřicích přístrojů je krátký (obvykle 10 ms) a zpožděný chránič tak rychle nezareaguje.
Je zřejmé, že výše popsanými způsoby lze měřit, jen pokud přístroj generuje do obvodu poruchové smyčky proud pouze po dobu jedné půlvlny síťového napětí. Pokud zatížení obvodu měřicím proudem trvá delší dobu (sada pulzů nebo měření oběma půlvlnami), měřicí proud chránič vždy spolehlivě vybaví.

Blokování chrániče stejnosměrným proudem
Již starší, ale nejspolehlivější pomůckou při měření impedance poruchové smyčky v obvodech s chrániči je jejich zablokování pomocí stejnosměrného proudu.
Jak je známo, používají chrániče pro vyhodnocení rozdílového proudu v pracovních vodičích instalace měřicí transformátor s magnetickým jádrem. Teče-li pracovním vodičem přes proudový chránič dostatečně velký stejnosměrný proud, dojde k přesycení magnetického obvodu transformátoru a proudový chránič nedokáže vyhodnotit případný rozdílový proud v pracovních vodičích. Toho lze využít pro dočasné zablokování funkce chrániče při měření impedance.
Přístroje pro blokování chráničů pracují tak, že generují stejnosměrný proud, který protéká některým z pracovních vodičů instalace a přesytí magnetické obvody všech chráničů, které jsou do instalace připojeny (viz obr. 15). Blokovací proud musí po zahájení činnosti postupně narůstat, aby jeho náhlou skokovou změnou nedošlo k vybavení chrániče. Po dosažení provozní hodnoty se proud na krátkou dobu ustálí a je možno provést měření impedance poruchové smyčky, neboť všechny chrániče v instalaci jsou zablokovány. Potom stejnosměrný proud postupně klesá a chrániče jsou opět funkční.
Aby proces zablokování chráničů proběhl správně, je nutno splnit následující podmínky:

1. Stejnosměrný proud tekoucí pracovním vodičem instalace musí dosáhnout dostatečné velikosti, jinak nedojde k přesycení magnetického obvodu chráničů nebo je sycení nedostatečné a značně se zvýší pravděpodobnost vybavení chráničů při měření impedance. Podmínkou správné funkce tedy je dostatečně malý odpor obvodu, kterým teče blokovací proud, aby neomezoval jeho velikost.
2. Funkci blokovacího proudu může omezit nebo zcela zrušit také stejnosměrná proudová složka v síti pocházející z jiného zdroje, jejíž polarita je opačná než polarita blokovacího proudu.
3. Měřicí zatěžovací proud měřiče impedance musí mít shodnou polaritu, jako stejnosměrný blokovací proud, jinak zruší jeho účinek na magnetický obvod a dojde k vybavení chrániče. Z této podmínky je zřejmé, že s přístroji pro blokování chráničů stejnosměrným proudem jsou schopny spolupracovat pouze takové měřiče impedance, které zatěžují PE obvod proudem jedné polarity (jednou nebo několika půlvlnami shodné polarity). Pokud měřič impedance využívá k měření zatěžovací proud obou polarit, je blokování chráničů stejnosměrným proudem neúčinné.
4. Aby mohl být RCD vyřazen z činnosti průtokem stejnosměrného proudu, musí obsahovat magnetický obvod. Nelze tedy tímto způsobem blokovat elektronické chrániče, které fungují na jiném principu, než je vyhodnocení rozdílového proudu v pracovních vodičích měřicím transformátorem.

Měření krátkým měřicím pulzem
Další metodou měření impedance poruchové smyčky v obvodech s RCD je měření natolik krátkým proudovým pulzem, aby chránič během měření nestačil zareagovat.
Spínací obvod měřicího přístroje připojí zatěžovací odpor do obvodu poruchové smyčky (L–PE) pouze po dobu několika desítek mikrosekund, čímž vznikne krátký proudový pulz. Aby se vyloučil vliv přechodového děje způsobeného proudovým pulzem v síti a možné zkreslení výsledku způsobené rušením v síti, je takto naměřená impedance korigována předchozím měřením provedeným standardním postupem, kdy vysoký měřicí proud prochází po delší dobu obvodem sestávajícím se z L a N vodiče.
Při tomto měření musí být tedy přístroj připojen k síti třemi vodiči (L, N, PE) nebo se musí provést dvě po sobě jdoucí měření mezi L a N a následně mezi L a PE, jako je tomu například u přístroje ZEROTESTpro. Některé, vůči rušení méně odolné typy RCD, však měřicí pulz dokáže vybavit. Proto je tato metoda spolehlivá až pro RCD s vybavovacím proudem 100 mA a výše.

Výpočtem z R_LINE a R_N-PE
Relativně novou metodou měření odporu (impedance) poruchové smyčky v obvodech s proudovými chrániči je výpočet odporu poruchové smyčky složený ze dvou měření. Metoda je poměrně přesná a spolehlivá, co se nevybavení chrániče týká. Přístroj provede výpočet odporu (impedance) ve třech krocích:

1. Přístroj standardním způsobem, pomocí proudu tekoucího přes zatěžovací odpor připojený mezi L a N, změří odpor sítě - smyčky složené z L a N vodiče (R_LINE) a při průchodu měřicího proudu zároveň změří napětí na R_N (obr. 16). Z těchto měření pak vypočte odpor nulového vodiče R_N a fázového vodiče R_L.
   
2. Přístroj pomocí vnitřního zdroje proudu připojeného mezi N a PE změří odpor smyčky složené z R_N a R_PE. Od odporu této smyčky je odečten odpor R_N vypočítaný v předchozím kroku (obr. 17). Takto je zjištěn odpor R_PE.
   
3. Součet R_L a R_PE tvoří odpor (rezistanci) poruchové smyčky a tento údaj je zobrazen na displeji přístroje jako naměřená impedance poruchové smyčky.

Srovnání metod měření impedance za chráničem

Malý měřicí proud
Výhody:

• Vysoká spolehlivost – pokud není RCD vadný nebo z živé části sítě neodtéká velký svodový proud, nehrozí jeho náhodné vybavení.
• Obvodové řešení nekomplikuje konstrukci měřicího přístroje.
• Neklade dodatečné nároky na manipulaci s přístrojem při měření.

Nevýhody

• Velmi nízká přesnost měření – výsledek měření je spíše orientační a nelze jej většinou použít k výpočtu funkčnosti předřazeného jištění.
• Pokud přístroj z důvodu zvýšení přesnosti měření prodlužuje dobu generování měřicího proudu, může být doba jednoho měření neúnosně dlouhá (40 s ÷ 60 s).

Využití konstrukčních vlastností RCD
Výhody:

• Vysoká spolehlivost – pokud jsou známy vlastnosti RCD.
• Obvodové řešení nekomplikuje konstrukci měřicího přístroje.
• Neklade dodatečné nároky na manipulaci s přístrojem při měření.

Nevýhody

• Metodu lze využít jen u přístrojů generujících jednu polaritu měřicího proudu.
• Nutnost znát nebo předem vyzkoušet vlastnosti RCD.
• Nelze použít u RCD citlivých na obě polarity poruchového proudu.

Blokování chrániče DC proudem
Výhody:

• Měření proběhne velkým měřicím proudem, přesnost měření tedy závisí především na použitém měřicím přístroji.
• Stejnosměrným proudem lze zablokovat i trojfázové chrániče. Pokud stejnosměrný proud protéká chráničem jednou z fází, lze měřit impedanci v kterékoliv fázi, aniž chránič vybaví.

Nevýhody

• Nelze blokovat RCD citlivé na stejnosměrný proud (typ B) a elektronické chrániče bez magnetického obvodu.
• Zablokování chrániče nemusí být vždy spolehlivé. Vnější vlivy, které nelze předem zjistit, mohou ovlivnit proces přesycení magnetického jádra chrániče a způsobit jeho následné vybavení při měření impedance.
• Měřicí zatěžovací proud musí mít shodnou polaritu, jako blokovací stejnosměrný proud. Proto nelze použít takové měřiče impedance, které k měření používají zatěžovací proud obou polarit.
• Stejnosměrný blokovací proud musí být poměrně značný. Měřicí přístroj musí tedy obsahovat velký a těžký zdroj blokovacího proudu. Někdy se proto používá samostatný přístroj pro blokování chráničů, což při měření vede ke složitější manipulaci se dvěma přístroji.

Měření krátkým měřicím pulzem
Výhody:

• Z hlediska uživatele snadná manipulace s přístrojem a relativně krátká doba měření (do 5 s).
• Poměrně slušná přesnost měření - pro instalace jištěné jističi do cca 30 A je výsledek použitelný i pro výpočet funkčnosti jištění.

Nevýhody

• Malá spolehlivost nevybavení RCD pro chrániče nižších reziduálních proudů (10 ms a 30 ms).

Měření výpočtem z RLINE a RN-PE
Výhody:

• Z hlediska uživatele snadná manipulace s přístrojem a relativně krátká doba měření (do 5 s).
• Poměrně slušná přesnost měření - pro instalace jištěné jističi do cca 30 A je výsledek použitelný i pro výpočet funkčnosti jištění.
• Vysoká spolehlivost nevybavení RCD

Nevýhody

• Nutnost trojvodičového připojení přístroje k síti (L, N, PE).

Měření impedance za jističi s velmi malým vypínacím proudem
Podobný problém, tedy vybavení jistícího prvku při měření impedance může nastat i v obvodech jištěných jističi či pojistkami s velmi malým jmenovitým vypínacím proudem. Zvláště konstrukčně starší měřiče impedance, které pro dosažení vyšší přesnosti měření používají měřicí proudy nad 10 A (např. Eurotest 61557 generuje měřicí proud až 24 A), dokáží spolehlivě vybavit jistící prvky s vypínacími proudy jednotek ampér. Ovšem i u obvodů jištěných jistícími prvky s takto malými vybavovacími proudy je třeba ověřit spojitost poruchové smyčky a její odpor, přestože jeho hodnota může být vzhledem k vybavovacímu poruchovému proudu poměrně vysoká.
Pro měření lze samozřejmě využít funkci přístroje pro měření impedance za proudovým chráničem, ovšem právě konstrukčně starší přístroje s vysokým měřicím proudem, u kterých problém s vybavováním jistících prvků nastává, používají pro měření za RCD obvykle metodu měření malým proudem.
Pro zvýšení přesnosti měření lze doporučit použití nejvyššího možného měřicího proudu, tedy nastavit na přístroji měření za chráničem s nejvyšší proudem (u přístroje Eurotest 61557 je to 1000 mA). Přístroj potom provede měření polovinou tohoto proudu, což jistící prvky s vypínacím proudem jednotek ampér snesou, a přestože naměřená hodnota z hlediska nejistoty měření není příliš přesná, je pro malé jistící prvky dostačující.