Indukce proti indukci

 

 

 

Stalo se to již před lety v jedné rozhlasové stanici. Analogová technika, která tam byla použita a kterou asi nebude nikdy zcela možné v elektroakustických zařízeních nahradit, je citlivá na infiltrace magnetických polí. Všechna vedení mikrofonů zachytávala síťové bručení. Přitom celý komplex měl k dispozici napájecí elektrickou síť se soustavou TN-S. Navíc zde byla věnována mimořádná pozornost tomu, aby soustava byla provedena jako tzv. čistá soustava TN-S, ve které existuje pouze jedno spojení mezi středním vodičem a uzemňovací soustavou (ta je však sama o sobě značně zesmyčkována). Přesto se na stíněních mikrofonních vedení objevovaly proudy!

 

Zodpovědný technik začal pečlivě hledat a přesněji analyzovat. A tak díky mnoha nelineárním zátěžím v tomto prostředí se mu podařilo objevit značný podíl 3. harmonických, tj. frekvencí 150 Hz v proudu tekoucím středním vodičem, jehož hodnota byla 150 A. Toto zjištění však ještě samo o sobě nic neznamená. Je-li síť zbudována patřičným způsobem, tedy v soustavě TN-S s plným průřezem středního vodiče a jen jedním spojením s uzemňovací soustavou, je třeba se s tím nějak vyrovnat. V takovéto čisté soustavě TN-S pouze s jednou uzemňovací přípojkou by měl tento proud téci středním vodičem (ale jen tam). Technik objevil ale rovněž proud s frekvencí 150 Hz na vodiči PE, který měl hodnotu 32 A, což ale bylo neobvyklé a zvláštní.

 

Technik analyzoval situaci dál. Hodnota tohoto proudu ve vodiči PE byla pětinová oproti proudu, který tekl středním vodičem. Na 9. harmonické, tedy na frekvenci 450 Hz, zjistil, že středním vodičem teče proud 14 A a vodičem PE 12 A. To tedy byly u vodiče PE téměř čtyři pětiny proudu tekoucího středním vodičem.

 

Proud, který se vyskytoval v soustavě PE, se částečně podílel na 9. harmonické (při trojnásobné frekvenci) přibližně s trojnásobnou velikostí vzhledem k 3. harmonické. Tímto bylo jasné, že nejde o galvanicky vázaný dílčí proud, který si hledá přes ilegální sekundární můstek paralelní cestu ke střednímu vodiči uzemňovací soustavou a zpětně se uzavírá přes legální primární můstek. Tyto proudy jsou pravděpodobně ve vodiči PE indukovány bezkontaktně magnetickým polem středního vodiče.

 

Je třeba poznamenat, že je nejprve indukováno napětí, které je velmi malé s hodnotami zpravidla menšími než 1 V. Teprve uzavřením proudového obvodu se začne příslušným obvodem protlačovat proud. Tento obvod je v zesmyčkované uzemňovací soustavě uzavřen hned několikrát. Napětí, které je indukováno ve vodiči střídavým proudem paralelně uloženého vodiče, je:

Čím silnější je tedy vazba proudů k přilehlým soustavám, tím vyšší jsou jejich frekvence. Vazbu proudů z energetických, datových a signálních vedení lze tak omezit jednak maximálním zkrácením paralelní délky l (pro toto zde není příliš velký prostor), jednak zvětšením vzdálenosti d (obr. 2 a obr. 3), na což poukazují mj. i normy. Impedance vodiče PE je zpravidla velmi malá, neboť tvoří s pospojováním budovy a všemi tímto způsobem uzemněnými částmi velmi silně zesmyčkovanou uzemňovací soustavu. Tak je to také požadováno, neboť uzemňovací soustava má fungovat ve své tradiční roli redundantně jako ochrana před úrazem elektrickým proudem a omezovat dotykové napětí v případě poruchy na 50 V.

 

V současné době je stále více požadováno, aby uzemňovací soustava sváděla v běžném provozu navíc také vysokofrekvenční proudy. Při určité vysoké frekvenci se však může stát, že podélná indukčnost některé odbočky spolu s její příčnou kapacitou (proti zemi) vytvoří rezonanční blokovací obvod a zabrání svedení právě této rušivé frekvence. To by nemusel být až tak závažný problém, jsou-li k dispozici jiné paralelní cesty s jinými rezonančními frekvencemi, kterými pak takovéto rušení může být svedeno. Uzemňovací soustava má tedy velkým rozsahem frekvencí vytvořit svodovou cestu k zemi o velmi malé impedanci. Tato cesta je tvořena jak elektrickým vedením, tak uzemněnými cizími vodivými částmi či téměř zcela přirozeně vytvářenými smyčkami. Impedance takovýchto smyček se pohybují u stejnosměrného proudu, síťové frekvence a jejích harmonických většinou výrazně pod hodnotou 1 Ω.

 

 

Malé napětí, které je za zmíněných podmínek indukováno do smyčky, již postačí na to, aby protlačilo relativně velký proud příslušné frekvence tekoucí touto smyčkou. Jsou-li nyní oboustranně uzemněna stínění vedení tónové frekvence (což zpravidla bývá pro odstínění např. kapacitních vyzářených rušení), tvoří stínění nucenou součást min. jedné takové smyčky. Proud ve stínění indukuje napětí v signálním vedení, které se tam překrývá s přenášeným napěťovým signálem, což se projevuje jako velmi rušivé síťové bručení. Pokud by nebylo harmonických složek, pak by pouze při frekvenci 50 Hz byla:

 

V mnoha situacích by bylo lepší, kdyby byl proud tekoucí dvěma paralelními vodiči vázán jen v jednom z nich (jako v těchto případech rušení způsobeného harmonickými složkami proudu v elektroakustických zařízeních) a rušení měla pouze galvanické nebo indukční vazby. V případě galvanické vazby je zde „nečistá“ TN-S soustava s více než jedním spojením mezi středním vodičem a uzemňovací soustavou. Ačkoliv by se takováto vícenásobná spojení neměla vyskytovat, neboť zase maří výhody soustavy TN-S, lze se s nimi přesto v praxi často setkat. Lokalizace a odstranění přebytečných můstků jsou mnohdy obtížné a časově náročné. Kruhové jádro (kde je třeba i více jader) může ale zase dočasně výhody soustavy TN-S znovu vytvořit (minimálně do vhodně stanoveného termínu opravy). Jádro blokuje libovolněvelké střídavé proudy, kdekoliv je i jen nepatrným napětím protlačován takovýto proud, např. u paralelních vodičů velkého průřezu. Proudy se dělí na paralelních vodičích nepřímo úměrně k jejich impedancím.

 

Kruhové jádro nasunuté na jednom z těchto vodičů může impedanci tohoto vodiče zmnohonásobit. Předpokladem ovšem je, že napětí mezi konci vodiče je velmi malé. Toto je zpravidla dáno v případě, že má proud, kterému je tímto způsobem bráněno v toku, k dispozici volnou paralelní cestu. V opačném případě dojde k magnetickému nasycení jádra, čímž dramaticky klesne impedance umístěná doplňkově do proudového obvodu. Kruhové jádro téměř vůbec neovlivní podmínky odpojení zemního spojení.

 

Na obr. 4 je znázorněno principiální uspořádání, pomocí kterého lze zjišťovat vliv kruhového jádra na proudový obvod. Zkoušené předměty jsou zde nasunuty na sběrnici, kterou protéká proměnlivý proud, zatímco je snímán pokles napětí před a za sadou kruhových jader. Na obr. 5 je kromě toho uspořádání, pomocí kterého lze vhodně formovat proměnný proud. Pro generování napětí a proudu o požadované velikosti se použije běžný transformátor s kruhovým jádrem s dostačující zbytkovou dírou. Nastavovací transformátor budí primární vinutí. Sekundární vinutí zůstává nevyužito, protože zbytkovou dírou je protaženo provizorní sekundární vinutí vytvořené např. ze silného drátu pouze s jedním nebo několika málo závity.

 

Výsledek lze nyní odečíst z měření (obr. 6) a z grafů (obr. 7 a obr. 8) – impedance zkoušeného předmětu se zvyšuje až do proudu 5 A. Impedance přípojnice testovaného předmětu se v tomto případě zvýšila na 125 mΩ. V důsledku toho zde pokleslo napětí o asi 0,5 V. Poté se ale začíná impedance opět příkře zvyšovat. Při proudu 30 A poklesne napětí již jen o 0,7 V a při proudu 350 A klesne impedance na asi 3 mΩ, což přibližně odpovídá činnému odporu této přípojnice. Indukčnost je téměř nulová a kruhové jádro jako by tady z elektrotechnického hlediska ani nebylo. Napětí nedosahuje ani 1 V. Na tuto hodnotu by napětí kleslo u této přípojnice také v případě zkratu.

 

Na obr. 6 lze rozpoznat začínající nasycení jádra podle toho, že má proud na snímku při hodnotě 1,24 A ještě zcela sinusový průběh, avšak při hodnotě 3,5 A jsou již patrna první zkreslení. Při hodnotě 30 A vykazuje proudová křivka již velké zkreslení, protože magnetovatelnost jádra je nyní překročena o činitel >10. Při hodnotě proudu 330 A je zkreslení překvapivě opět menší. Tento na první pohled překvapivý průběh naznačuje, že nelineární vliv nasyceného jádra je nyní značně převýšen činným odporem přípojnice.

 

Teď již sice není možné v plném provozu (tj. bez přerušení proudového obvodu) nasadit kruhové jádro na vodič, avšak lze použít v případě potřeby vinuté C-jádro, které má podobné vlastnosti, dá se však otevřít a vyhovuje mnohem více tvaru přípojnice.

 

Tato metoda však není vhodná jako trvalé řešení, protože jádro zabraňuje dalšímu postupu vysokofrekvenčního rušení, které má být mj. eliminováno vodičem PE. Toto dočasné řešení by tedy mělo být nahrazeno při nejbližší příležitosti řešením finálním. Doplňkové můstky se musí odstranit a s nimi na konci také i kruhová jádra.

 

Jinak to vypadá v případě zatím nenormalizované soustavy TN-S-S se šesti vodiči (L1, L2, L3, N, PE, FE). Jejím smyslem a účelem je vést trvale tekoucí proudy, tj. vysokofrekvenční proudy považované za pracovní proudy, vodičem funkčního uzemnění (FE – Functional Earthing), a udržovat je tak mimo vodič PE, který by měl být v normálním provozu bez proudu. Je-li soustava FE zřízena jako ryze paprsková, je pak také imunní vůči indukčním vazbám z fázových vodičů a ze středního vodiče.

 

Protože je soustava PE/pospojování zesmyčkovaná, je také náchylná k vytváření vazeb, podle okolností i s vysokými frekvencemi sousední soustavy FE. Proudy tekoucí touto soustavou jsou sice zpravidla podstatně menší než harmonické proudy, nicméně vazba je v přímém poměru k frekvenci. Za této situace mohou trvale pomoci některá kruhová jádra nebo vinutá C-jádra, aniž by to narušovalo svod vysokofrekvenčních proudů nebo podmínky odpojení.

 

 

Zda bude šestivodičová soustava převzata do systému technických norem přímo nebo zda se etabluje přes oblast radiotechniky, to lze jen sotva odhadnout. Náklady na přestavbu by však byly velmi vysoké. Byly by třeba např. nově koncipované konektory, pětipólové proudové chrániče (obr. 9), které zatím k dispozici nejsou. Byly by ale nezbytné, protože je třeba vést proudovým chráničem také svodový proud tekoucí vodičem FE. Vnějškem by byl veden pouze vodič PE. Toto je jediný možný způsob, jak se zbavit nechtěných a z hlediska bezpečnosti zbytečných vypnutí proudového chrániče, která tak trápí v současné době uživatele i provozovatele elektrických zařízení.

 

Svodový proud menších měničů může překročit hodnotu 0,5 A. V tomto případě by proudový chránič s reziduálním proudem 500 mA neustále vybavoval. Hodnota frekvence svodového proudu může odpovídat taktovací frekvenci. Avšak napětí taktované tímto způsobem může být ideálně pravoúhlé, a rozpadne se tak opět spontánně na teoreticky nekonečné spektrum harmonických. Čím blíže se měnič v praxi přiblíží tomuto ideálu, tím menší má ztrátový výkon, avšak tím dále bude sahat spektrum svodových proudů také do vysokých frekvencí. Tyto vysokofrekvenční harmonické se mohou vyvinout jak do prostupujících rušení šířících se po vedení, tak do vyzářených rušení. Je proto třeba je odvádět přes vhodné filtry (obr. 10 a obr. 11) do země.

 

V souvislosti s třífázovými aplikacemi vyvstává otázka, proč jsou rušení vedena na střední vodič N, a ne na vodič PE. Zda toto opatření ještě i potom pomůže, závisí na rozsahu frekvence potlačovaného rušení, neboť účinek filtru spočívá v tom, že nulový bod kondenzátorů z obr. 10 bude mít stejný potenciál jako kovový kryt měniče. Pouze v tomto případě může kryt uplatnit svůj stínicí účinek. Je-li nulový bod kondenzátorů připojen uvnitř krytu přímo na jeho těleso, je stínicí účinek optimální.

 

Je-li kryt (jak to je ostatně zvykem) připojen ke svorce PE, ale nulový bod filtru ke svorce N přípojného vedení, musejí tato rušení za daných okolností urazit celkem dlouhou cestu k centrálnímu bodu uzemnění (CBU) a zpět (právě z důvodu nízkofrekvenční elektromagnetické kompatibility, která je nezbytně požadována v této čisté soustavě TN-S). Indukční odpor je však při vysokých frekvencích také značně velký. Tato trasa vedení není při vysokých frekvencích téměř k dispozici, kryt visí obrazně řečeno ve vzduchu a neplní stínicí funkci.

 

Z tohoto hlediska by bylo vhodné znovu promyslet používání šestivodičové soustavy. Nehledě k tomu, že byla tato soustava vymyšlena k potlačení nízkofrekvenčních rušení a zde představuje jediné dobré řešení, je trasa vedení pro vysokofrekvenční rušivé signály (viz obr. 9) podobně dlouhá jako u pokusu o odrušení přes střední vodič N. Jde-li pouze o jeden velký rušič, doporučuje se vyřešit tuto situaci zřízením spojení mezi vodičem PE/pospojováním a vodičem FE ne u CBU, ale v blízkosti příslušného velkého rušiče.

 

U decentralizovaných rušení je třeba upustit od paprskové koncepce a provést jak soustavu FE, tak soustavu PE/pospojování jako zesmyčkovanou. Proti vazbám obvodových proudů do soustavy PE/pospojování mohou pomoci kruhová jádra umístěná na určitých místech v rámci soustavy PE/pospojování. U tohoto řešení smí mezi soustavou FE a PE existovat skutečně jen jedno spojení, neboť v opačném případě by mohl poruchový zemní proud téct přes soustavu FE. Tento dílčí proud by tak mohl být veden na cestě tam a zpět proudovým chráničem, který by na tento chybový proud nereagoval.

 

Norma IEC 950 (ČSN EN 60950-1 ed. 2:2006 Zařízení informační technologie – Bezpečnost – Část 1: Všeobecné požadavky) uvádí pro odrušovací filtry postup měření pro určení svodového proudu, podle kterého je měřen svodový proud při napětí 230 V a frekvenci 50 Hz. Svodový proud obsahuje ale frekvence, které mohou snadno překročit i tisícinásobek síťové frekvence (50 Hz). Je-li výskyt takovýchto frekvencí vyloučen, není odrušovací filtr třeba. Takovýto postup je tedy velmi vzdálen potřebám uživatelů norem. To je zvláště nezodpovědné z toho důvodu, že účelem norem je především a hlavně bezpečnost zařízení a přístrojů, a ne už tolik hledisko použitelnosti a elektromagnetické kompatibility. Elektrotechnik přitom pomyslí např. na možné přerušení ochranného vodiče, které zamezí odvedení svodového proudu, čímž se vytvoří na konci přerušeného vodiče ze strany zařízení napěťový potenciál tohoto svodového proudu (řádově většinou v hodnotě provozního napětí) a na druhém konci čistý potenciál země. Ten, kdo tyto dva konce zvedne a v tom horším případě uchopí každý jednou rukou, utrpí elektrický šok při průtoku proudu tělem ve velikosti svodového proudu. Proto se pro určité případy použití, překračuje-li svodový proud filtru 10 mA, vyžaduje u ochranného vodiče zesílené nebo dvojité provedení přípojky (redundance). Filtr, který této podmínce vyhoví, může bez problémů vést mnohaampérový svodový proud na ochranný vodič.

 

V současné době se proto snaží DKE (Deutsche Kommission Elektrotechnik, Německá elektrotechnická komise) najít zcela nové řešení, jak tento problém zvládnout jednak normativně, jednak technicky. Hmotné škody, které vznikají nepotřebným odpojením zařízení v plném provozu, jsou velké a nepřijatelné, stejně jako jsou nepřijatelně značné finanční náklady na dosažení vysoké úrovně bezpečnostního standardu. Vyřešení tohoto problému je zatím ještě v nedohlednu. Má-li ale nějaké řešení reálnou naději na úspěch, pak je to zavedení šestivodičové soustavy. Její hlavní nevýhodou jsou však vysoké realizační náklady. Finanční náročnost nespočívá v celkem zanedbatelných vícenákladech na instalaci šestého vodiče v nově zřizovaném stavebním objektu, ale v modernizaci dosavadních staveb a v zajištění nezbytných součástek a montážních skupin, jako jsou např. vidlice CEE, zásuvky, konektory či proudové chrániče.