Ochrana před poruchovým obloukem

Pasivní ochrana před poruchovým elektrickým obloukem potřebuje k vypnutí přibližně 100 ms – aktivní ochrana jen 3 ms.

Poruchové elektrické oblouky mohou omezit další činnosti odběratelů výkonů, nebo je zcela znemožnit, a způsobit tak obrovské následné náklady. U osob může bezprostřední zasažení elektrickým obloukem způsobit mj. těžké popáleniny nebo jiná zranění v důsledku odletujících částí elektrické instalace. V tomto příspěvku je s přihlédnutím k aktuálnímu stavu norem stručně popsáno, jaká ochranná opatření je vhodné použít pro zajištění bezpečného provozu a vysoké úrovně spolehlivosti (disponibility) elektrického zařízení.

Podíl úrazů způsobených poruchovým elektrickým obloukem je sice relativně malý (řádově jednotky procent), avšak tyto úrazy mohou mít stále vážnější důsledky, protože u poruchových elektrických oblouků může docházet mj. k enormním teplotním špičkám i k prudkým explozím (obr. 1).

Obr. 1. Bez aktivní ochrany před poruchovými elektrickými oblouky mohou být škody často značné

Nejčastější příčiny výskytu poruchových elektrických oblouků lze rozdělit do tří kategorií:
1. Nedostatky při montáži, včetně chyb při údržbě a revizi částí pod proudem, jakož i „banální“ zapomenutí nářadí nebo pracovního materiálu v rozváděči.
2. Provozní závady, jako jsou např. přepětí, vadná izolace, špatné kontaktní spoje, nedostatečné dimenzování nebo příliš velká montážní hustota zabudovaných přístrojů. Dalšími rizikovými faktory v této kategorii jsou také znečištění nebo vznik kondenzátu.
3. Okusování hlodavci apod.

Definice poruchového oblouku

U elektrického oblouku jde o elektrický výboj v plynu s velkým proudem mezi dvěma elektrodami, jenž se pohybuje rychlostí 100 m·s–1 ve směru toku elektrického proudu. Při tomto procesu se vytváří mezi elektrodami elektricky vodivé plazma, jehož teplota může dosahovat až 20 000 °C. Pokud není elektrický oblouk vytvářen záměrně (např. obloukové svařování), ale vznikne v důsledku poruchy (např. porušená izolace mezi aktivními vodiči nebo uvolněné svorkové spoje), hovoří se o poruchovém elektrickém oblouku.

Normativní ochranná opatření

Účinnost systému ochrany před poruchovým elektrickým obloukem je dána především omezením doby působení elektrického oblouku. Je-li doba odpojení elektrického zařízení/instalace delší než 20 ms, lze očekávat velké škody. Je-li ale doba odpojení kratší než 5 ms, lze počítat pouze s minimální škodou. Proto uvádí aktuální norma ČSN 33 2000-4- -42 ed. 2 [2] a norma ČSN 33 2000-5-53 ed. 2 [3] konkrétní opatření k přerušení elektrického oblouku a k následnému bezpečnému odpojení napájení.

V odst. 421.3 normy [2] se uvádí:
„Tam, kde mohou z trvale připojeného zařízení vznikat za normálního provozu elektrické oblouky nebo jiskry, musí zařízení:
– buď být zcela uzavřeno v materiálu odolávajícím oblouku, nebo
– být stíněno materiálem odolávajícím oblouku, aby materiály, na něž mohou mít elektrické oblouky nebo jiskry škodlivý účinek, nebyly zasaženy,
– být namontováno tak, aby to dovolovalo bezpečné rozptýlení zplodin a aby bylo v dostatečné vzdálenosti od materiálů, na které mohou vzniklé elektrické oblouky nebo jiskry mít škodlivé účinky.

Materiály odolávající oblouku použité pro ochranu musejí být nezápalné, musejí mít malou tepelnou vodivost a odpovídající tloušťku, aby zajišťovaly mechanickou stabilitu.“

V Německu je tento odst. 421.3 doplněn o zvláštní národní podmínky, které tam platí jako normativní, v ostatních zemích, tj. i v České republice, platí jen jako informativní.

V německé národní podmínce normy [2] se uvádějí tyto doplňující požadavky odst. 421.3:
„Tam, kde elektrické instalace musejí splňovat vysoký stupeň spolehlivosti, měly by být instalovány ochranné přístroje pro ochranu před elektrickými oblouky.

Ochranné přístroje pro ochranu před elektrickými oblouky musejí detekovat světelný jev oblouku a zvýšení proudu ve vodiči vedení. Kromě toho musejí uhasit oblouk do 5 ms a odpojit elektrickou instalaci od napájení. Hašení oblouku nesmí být spuštěno dříve, než světlo a proud překročí mezní hodnoty.“

V odst. 532.5 normy [3] se mj. uvádí:
„Kde je to pro speciální aplikace vyžadováno, mohou být zvoleny ochranné přístroje reagující na elektrický oblouk detekující oblouk poruchy spolu s ochranným systémem, aby vypnuly obvod s poruchou. K tomuto vypnutí dojde obvykle ve velmi krátké době.“

V odst. 532.6 normy [3] se uvádí:
„Kde je to určeno, musejí být instalovány obloukové ochrany (AFDD), a to:
– na začátku koncového obvodu, který má být chráněn,
– ve střídavých jednofázových nebo dvoufázových obvodech, které nepřekračují 240 V.

AFDD musejí vyhovovat normě EN 62606. Pokud je to nutné, musejí být koordinovány s nadproudovými ochrannými přístroji podle návodu výrobce.“

Obě zmíněné normy [2] a [3] se tedy svým způsobem vyslovují pro používání aktivních systémů ochrany před elektrickým obloukem. Obecně jsou možné dva typy ochrany před poruchovými elektrickými oblouky, a to pasivní a aktivní.

Pasivní ochranná opatření

Pasivní ochrana má zabránit vzniku elektrického oblouku, popř. snížit pravděpodobnost vzniku poruchového elektrického oblouku. Jako pasivní ochranný prvek se v tomto případě používají např. izolační desky. Vznikne-li poruchový elektrický oblouk, měl by se jeho účinek díky vhodným opatřením omezit na místo jeho vzniku a sousední funkční jednotky a prostory rozváděče by měly zůstat bez poškození. Nejvyšším cílem při projektování rozváděče proto je zabránit vzniku nekontrolovaného šíření poruchových elektrických oblouků.

U pasivních systémů ochrany před elektrickým obloukem představuje volba vnitřního dělení rozváděče (forma 1, 2b a 4) již při dimenzování v plánovací a projektové fázi ochranu elektrické instalace, protože uvnitř funkčních prostorů (prostor přípojnic, přístrojový a kabelový prostor) je zamezeno vniknutí pevných cizích těles. Komplexní izolace přípojnic a rozdělení funkčních prostorů tak zabraňují v maximální možné míře vzniku a šíření poruchových elektrických oblouků. Ale také vhodná volby přístrojů, resp. zkratových ochran může omezit následky poruchového elektrického oblouku. Tak můžou např. kompaktní jističe (MCCB) s jmenovitým proudem ≥ 630 A vypnout za méně než 30 ms. Smysluplné je také použití pojistek omezujících proud, které rovněž reagují rychle, a tak zmírňují možné následky poruchových elektrických oblouků.

Zvláštní zkoušky pro pasivní ochranné systémy

Doplňková bezpečnost pasivních ochranných systémů v oblasti elektrických zařízení nízkého napětí je dokladována absolvováním zvláštní zkoušky za podmínek poruchového elektrického oblouku podle IEC/TR 61641. Při vytvoření elektrického oblouku nastávají různé situace, mezi něž patří např. zvýšený tlak či vysoká teplota v okolí oblouku. Při rozkladu materiálu mohou vznikat různé plyny, jejichž natlakováním může dojít k poškození celého rozváděče. Při testování rozváděčů nn za podmínek poruchového elektrického oblouku musí rozváděč splnit příslušné požadavky této normy. Zkoušky jsou hodnoceny v rozmezí 1 až 7 bodů.

Pro splnění podmínek pro ochranu osob je třeba dosáhnout hodnoty 5 bodů. (U osob hrozí nebezpečí těžkých popálenin, poškození zraku v důsledku oslnivého záblesku, poškození sluchu detonačním třeskem, intoxikace vývinem zdraví škodlivých plynů a kovových par a další zranění odlétajícími částmi zařízení.) Testování pro ochranu osob je prováděno se zavřenými dveřmi rozváděče (dveře představují bezpečnou oblast pro obsluhu). Při výskytu poruchového elektrického oblouku tak např. nesmí dojít k otevření či odletění zajištěných dveří nebo krytů, které by mohly ohrozit osoby v okolí. Kromě toho ve vnějším plášti nesmějí vzniknout žádné díry, indikátory umístěné vertikálně před zařízením se nesmějí vznítit a obvod ochranného vodiče pro části volně přístupné dotyku musí být po této zkoušce ještě funkční.

Pro splnění podmínek pro ochranu samotného zařízení je třeba dosáhnout hodnot 6 a 7 bodů. U této ochrany se zkouškou prokazuje, že poruchový elektrický oblouk zůstává ve vymezené oblasti (např. poli nebo prostoru) a že nedojde k opětovnému vznícení v sousedních prostorech. Navíc se zkouší, zda je po odstranění poruchy, popř. odpojení definovaného prostoru ještě možný nouzový provoz.

Aktivní systémy ochrany před poruchovými elektrickými oblouky

Účinnost systému ochrany před elektrickým obloukem je především dána, jak již bylo zmíněno, omezením doby působení elektrického oblouku. Aby bylo možné účinně zabránit velkým škodám, musí být tato doba kratší než 5 ms. Tohoto cíle je možné dosáhnout pouze s aktivním systémem ochrany před elektrickým obloukem, který zajistí potřebnou minimální dobu odpojení rozváděče, maximálně krátkou dobou detekce a následně reakce při výskytu poruchového elektrického oblouku. Takovéto systémy, jako např. aktivní ochrana před poruchovými elektrickými oblouky, jsou ověřovány zvláštní zkouškou podle IEC/TR 61641.

Zmíněné ochranné systémy se skládají z pěti vzájemně sladěných komponent, které při výskytu poruchového elektrického oblouku spolehlivě odpojí rozváděč:
Jako první detekuje elektrický oblouk optické zařízení, resp. bodové senzory. Současně speciálně konstruované ochranné měřicí transformátory pro vstupní proudy do 65 kA zaznamenají razantní vzestup intenzity proudu. Oba tyto signály jsou přivedeny do sběrné řídicí jednotky, která ovládá zkratovače instalované na každé přípojnici. Zkratovače třífázově zkratují hlavní přípojnice. Tento proces trvá asi 3 ms. Kompaktní jistič může vypnou zkrat již za 30 až 50 ms, takže nemůže dojít k žádným následným škodám. V ideální případě lze po odstranění poruchy uvést elektrické zařízení opět do provozu během půl hodiny.

Obr. 2. Aktivní ochrana před poruchovými elektrickými oblouky odpojí poruchu do 2 až 3 ms

Závěr

Poruchové elektrické oblouky mohou ohrozit zdraví osob a způsobit nemalé následné škody na zařízení, majetku i imagi firmy. Je to dáno především fyzikální podstatou tohoto jevu, kdy vysoká teplota oblouku způsobí explozivní zvýšení tlaku až na 2 bary. To odpovídá hmotnosti 20 000 kg/m2 , což se dá přirovnat k výbušnému potenciálu bomby. Hlavním cílem ochrany před poruchovými elektrickými oblouky je proto především bezpečnost osob. Vedle bezpečnosti osob jsou ochranná opatření zaměřena na zachování funkčnosti elektrického zařízení. Neboť přibližně 40 % případů vzniku poruchových elektrických oblouků vede ke škodám na zařízení a v důsledku toho k nákladným výpadkům ve výrobě a službách.

Zatímco pasivní ochrana před poruchovými elektrickými oblouky začne působit přibližně za 100 ms, aktivní ochrana před poruchovými elektrickými oblouky reaguje již po 2 až 3 ms (obr. 2). Proto jsou tyto aktivní systémy požadovány všude tam, kde je nepřerušenost napájení zásadní (jednotky intenzivní péče v nemocnicích, výpočetní střediska, průmyslová nebo veřejná zařízení apod.).

Některé normy související s tématem článku

– ČSN 332000-4-42 ed. 2
ČSN 33 2000-4-42 ed. 2:2012 Elektrické instalace nízkého napětí – Část 4-42: Bezpečnost – Ochrana před účinky tepla. Tato norma je českou verzí harmonizačního dokumentu HD 60364-4-42:2011. Překlad byl zajištěn Úřadem pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví. Norma platí pro elektrické instalace s ohledem na opatření na ochranu osob, užitkových zvířat a majetku před tepelnými účinky, hořením nebo degradací materiálů a rizikem popálení způsobeným elektrickým zařízením, plameny v případě nebezpečí požáru šířícího se od elektrické instalace do ostatních požárních úseků oddělených přepážkami, které jsou v blízkosti, a narušením bezpečné funkce elektrického zařízení včetně bezpečnostních instalací.

– ČSN 33 2000-5-53 ed. 2
ČSN 33 2000-5-53 ed. 2:2016 Elektrické instalace nízkého napětí – Část 5-53: Výběr a stavba elektrických zařízení – Spínací a řídicí přístroje. Tato norma je českou verzí harmonizačního dokumentu HD 60364- -5-53:2015. Překlad byl zajištěn Úřadem pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví. Má stejný status jako oficiální verze. Tato část HD 60364 se zabývá obecnými požadavky pro odpojování, spínání, řízení a monitorování a požadavky na volbu a montáž přístrojů zajišťujících plnění těchto funkcí.

– IEC/TR 61641
IEC/TR 61641:2014 Uzavřené rozváděče nízkého napětí – Metodika pro zkoušky v podmínkách vzniku elektrického oblouku v důsledku vnitřní poruchy. Tato norma upravuje podmínky pro ochranu před poruchovými elektrickými oblouky u nízkonapěťových rozváděčů. Popisuje zkušební metody rozváděčů nn za podmínek vzniku poruchového elektrického oblouku v důsledku vnitřní poruchy. Cílem je snížit na minimum nebezpečí poranění osob (obsluhy), minimalizovat poškození rozváděče a maximalizovat jeho způsobilost pro jeho další provoz.

Literatura:
[1] Německý odborný časopis pro elektrotechniku de, č. 1-2/2020, vydavatelství Hüthig & Pflaum Verlag GmbH München (www.elektro.net/heftarchiv).
[2] ČSN 33 2000-4-42 ed. 2:2012 Elektrické instalace nízkého napětí – Část 4-42: Bezpečnost – Ochrana před účinky tepla.
[3] ČSN 33 2000-5-53 ed. 2:2016 Elektrické instalace nízkého napětí – Část 5-53: Výběr a stavba elektrických zařízení – Spínací a řídicí přístroje.
[4] IEC/TR 61641:2014 Uzavřené rozváděče nízkého napětí – Metodika pro zkoušky v podmínkách vzniku elektrického oblouku v důsledku vnitřní poruchy.