Principy volby jisticích přístrojů

Principy volby jisticích přístrojů

Ing. Ivo Faltus,
OEZ s. r. o.

Volba jisticího přístroje pro použití v daném místě elektrického rozvodu se řídí ve většině případů mnoha požadavky. V konkrétních případech nabývají některé z nich většího či menšího významu. V následujícím textu jsou uvedeny obvyklé základní požadavky kladené na jisticí přístroje – jejich principy.

Obvyklé základní požadavky na jisticí přístroje

1. Jištění elektrických zařízení
2. Selektivní působení
3. Kaskádování
4. Ochrana samočinným odpojením od zdroje
5. Minimalizace nákladů

Dalšími požadavky mohou být např.: dálková signalizace a ovládání, řešení záskoku zdrojů, snadné a spolehlivé připojování, nízké vlastní ztráty atd.

1. Jištění – ochrana elektrického zařízení před nadproudy

Jedním z rozhodujících požadavků kladených na jisticí přístroje je ochrana elektrického zařízení před nadproudy, jejich nežádoucími tepelnými a elektrodynamickými účinky.

Jisticí přístroje musejí tolerovat takové časově omezené nadproudy, které vznikají při běžném provozu elektrického zařízení, tj. při jeho zapínání nebo požadovaném dovoleném přetěžování, které však nezpůsobují překročení dovolené teploty zařízení.

Vhodně přiřazeným jisticím přístrojem k jištěnému elektrickému zařízení musí být na základě výše uvedeného požadavku obvykle zajištěna:

a) možnost trvalého zatěžování, blížícího se nebo rovnajícího se jmenovitému zatěžování
Pro elektrická zařízení, která lze krátkodobě přetěžovat, nikoliv ale trvale, tj. např. transformátory, elektromotory, vedení aj. musí platit: I_nJP Ł I_nEZ

Pro elektrická zařízení, která při normálním provozu nelze přetěžovat, nebo u kterých je ochrana proti přetížení zajištěna jiným způsobem, např. elektrické tepelné spotřebiče, musí platit (abychom je mohli vůbec provozovat): I_nJP ł I_nEZ

Přitom je třeba mít na paměti, že ve většině případů stejný jisticí přístroj chrání také přívodní vedení k jištěnému elektrickému zařízení proti přetížení, popřípadě i zkratu.

b) ochrana proti nedovoleným přetížením
Důsledkem nedovoleného přetížení je, že elektrické zařízení dosáhne větší teploty než dovolené a tím dojde ke zkrácení životnosti elektrického zařízení nebo dokonce k jeho havárii.

Důležitým způsobem vyjádření vlastností jisticího přístroje v této souvislosti je jeho vypínací charakteristika (charakteristika čas – proud). Udává, za jak dlouho jisticí přístroj vypne, prochází-li jím konstantní proud určité velikosti. Odpovídajícím vyjádřením vlastností elektrického zařízení v tomto směru je jeho přetěžovací charakteristika (charakteristika čas – proud). Udává, jak dlouho při určitém proudu lze zatěžovat elektrické zařízení, přičemž jeho teplota dosáhne právě dovolené teploty. Lze ji stanovit z odpovídající oteplovací rovnice, např. pro vedení viz ČSN 33 2000-4-43, příloha NK.

Ochrana proti přetížení spočívá ve volbě jisticího přístroje, jehož vypínací charakteristika nesmí dovolit svým průběhem překročení dovolené teploty. Jisticí přístroj musí tedy odpojit elektrické zařízení dříve, než dojde k překročení jeho dovolené teploty. Jestliže nakreslíme vypínací charakteristiku jisticího přístroje a přetěžovací charakteristiku elektrického zařízení do jednoho grafu, musí ležet vypínací charakteristika jisticího přístroje v celém svém průběhu vlevo, resp. pod přetěžovací charakteristikou elektrického zařízení, viz příklad jištění vedení obr. 1.

c) ochrana proti zkratovým proudům
Zkratové proudy mohou být nebezpečné pro elektrické zařízení, a to svými tepelnými a elektrodynamickými účinky.

Ochrana spočívá ve volbě jisticího přístroje, který dostatečně rychle vypne zkratový proud a popřípadě omezí jeho velikost (charakterizováno I²t, který propustí jisticí přístroj a io, tj. špičkovou hodnotou omezeného proudu).

Např. pro ochranu vodičů před nedovolenými tepelnými účinky zkratových proudů musí platit: I²t Ł k²S², kde: I²t je Jouleův integrál charakterizující energii propuštěnou jisticím přístrojem, a tedy také prošlou jištěným vodičem v ²S², k činitel daný vlastnostmi jádra a izolace vodiče (např. pro vodič Cu s izolací z PVC k = 115) a S průřez vodiče v mm²

Elektrodynamické účinky jsou úměrné kvadrátu špičkové hodnoty zkratového proudu. V některých případech je nutné omezujícím jisticím přístrojem snížit tuto hodnotu zkratového proudu, a tím tak snížit jeho elektrodynamické účinky na přijatelnou úroveň.

Předpokladem, aby byl jisticí přístroj schopen ochrany elektrického zařízení před účinky zkratu je, že musí předně jisticí přístroj sám být schopen tento zkratový proud bezpečně zvládnout – vypnout. Z tohoto hlediska je důležité, aby zkratová vypínací schopnost jisticího přístroje byla vyšší nebo alespoň rovna největší hodnotě zkratového proudu v místě jeho použití v elektrickém rozvodu.

2. Selektivní působení

Rozvod elektrické energie je téměř vždy tvořen rozvětvenou paprskovou sítí s mnoha jisticími přístroji řazenými za sebou. Základním požadavkem, stále důležitějším vzhledem k možným důsledkům, je minimalizace výpadků elektrické energie. V případě poruchy nadproudem (přetížení, zkrat) je tedy důležité, aby se její důsledky projevily v co nejmenší části rozvodu. Lze toho dosáhnout odpojením místa s poruchou pouze jisticím přístrojem, který je nejblíže předřazen místu poruchy směrem ke zdroji (viz obr. 2, pojistky v řadovém pojistkovém odpínači FH000 - označen modrým kroužkem).

Nevypínají tedy i jiné předřazené jisticí přístroje (např. pojistky v řadovém pojistkovém odpínači FH2 – označen zeleným kroužkem, nebo dokonce jistič BH630 – označen červeným kroužkem) a důsledky poruchy se tak omezí pouze na část elektrického rozvodu za pojistkami v odpínači v modrém kroužku. Takovéto působení jisticích přístrojů - jističů, pojistek - označujeme jako selektivní a hovoříme o tzv. selektivitě jištění.

Jestliže jisticí přístroje umožňují takovéto působení do nejvyšší hodnoty zkratového proudu v daném místě elektrického rozvodu, hovoříme o plné selektivitě. Pokud selektivní působení je splněno jen do určité hodnoty zkratového proudu, potom tuto hodnotu proudu označujeme jako mez selektivity a hovoříme o částečné selektivitě.

Selektivní působení jisticích přístrojů lze v oblasti malých nadproudů (u jističů do hodnoty vybavovacího proudu zkratové časově nezpožděné spouště předřazeného jističe, u pojistek do proudu odpovídajícímu vypínacímu času cca 10 ms) určit jednoznačně z vypínacích charakteristik. Tato oblast vypínací charakteristiky předřazeného jističe musí ležet nad nebo vpravo od vypínací charakteristiky přiřazeného jističe. Selektivní působení jisticích přístrojů v oblasti větších nadproudů nelze z vypínacích charakteristik jednoznačně určit. Uplatňují se zde vlastnosti jisticích přístrojů, které vypínací charakteristiky nereprezentují dostatečně. Selektivitu (mez selektivity) v této oblasti nadproudů je nutné stanovit na základě zkoušek konkrétní dvojice jisticích přístrojů.

3. Kaskádování

V případech, kdy není důležitá plná selektivita jisticích přístrojů, můžeme za určitých podmínek použít v elektrickém rozvodu jistič(e) s nižší vypínací schopností (jsou levnější), než je zkratový proud v daném místě a snížit tak investiční náklady na elektrický rozvod. Rozhodující podmínkou je předřadit takový jisticí přístroj, který vypíná dostatečně rychle, a je tak schopen omezit svým působením energii zkratového proudu na hodnotu, kterou zvládne vypnout přiřazený jistič. Zkratová vypínací schopnost předřazeného jisticího přístroje musí být samozřejmě vyšší nebo rovna maximálnímu zkratovému proudu v místě jeho použití. Maximální hodnota zkratového proudu, do které může být za těchto podmínek přiřazený jistič použit, je dána zkouškami konkrétní kombinace jisticích přístrojů. Pro kaskádování lze s výhodou použít jako předřazeného jisticího přístroje pojistky. Mají větší omezovací schopnosti při nižší ceně proti jističům.

Na obr. 3 je uveden příklad kaskádování – s předřazenými pojistkami PN1 125 A gG můžeme použít jističe LSN s vypínací schopností I_cn = 10 kA do zkratového proudu až 50 kA.

4. Ochrana samočinným odpojením od zdroje

Elektrický proud procházející lidským organismem může být svými fyziologickými účinky smrtelně nebezpečný. Záleží předně na jeho velikosti a době, po kterou organismem prochází. Je tedy důležité zajistit taková opatření, která nedovolí, aby se nebezpečným stal. Jedním z těchto opatření chránícím před úrazem elektrickým proudem, nebezpečným dotykem neživé části (ochrana při poruše), je ochrana samočinným odpojením od zdroje.

Tato ochrana je nejrozšířenější. Lze ji použít ve všech druzích sítí. V síti TN vyžaduje spojení všech neživých částí instalace s uzemněným bodem prostřednictvím ochranných vodičů. Podle druhu sítě plní funkci ochranného vodiče buď samostatný vodič značený PE – sítě TN-S nebo sdružený vodič plnící současně i funkci středního vodiče a je značený PEN – sítě TN-C. V sítích TN-C-S je část rozvodu realizována pomocí vodiče PEN, zbývající část za místem rozdělení tohoto vodiče samostatným ochranným vodičem PE a středním vodičem N. Princip ochrany samočinným odpojením v síti TN-S je patrný z obr. 4.

Při poruše – spojení živé části elektrického zařízení s neživou částí, např. při poškození izolace - dojde ke zkratu a dříve neživá část se stane živou. Poruchový (zkratový) proud prochází od zdroje fázovým vodičem přes ochranný přístroj (pojistka, jistič nebo proudový chránič ) do místa poruchy a odtud se vrací ochranným vodičem ke zdroji. Pro tuto dráhu zkratového proudu se vžil název impedanční smyčka - z důvodu důležitosti velikosti její impedance.

Zkratový proud má při galvanickém spojení živé a neživé části v místě poruchy velikost I_zk = U₀ / Z_s

Aby bylo zajištěno samočinné odpojení elektrického zařízení s poruchou od zdroje, musí na tento proud zareagovat vypnutím ochranný přístroj. Musí být tedy zkratový proud I_zk větší nebo roven proudu I_a, který zajišťuje samočinné vypnutí ochranného prvku ve stanovené době. Z výše uvedeného vyplývá podmínka uvedená v ČSN 33 2000-4-41 pro ochranu samočinným odpojením v síti TN: Z_s × I_a Ł U₀, kde: Z_S je impedance poruchové smyčky zahrnující zdroj, fázový vodič k místu poruchy a ochranný vodič mezi místem poruchy a zdrojem, I_a proud zajišťující samočinné působení (vypnutí) ochranného přístroje ve stanovené době. V případě použití proudového chrániče je I_a rovno jmenovitému reziduálnímu proudu I_Dn a U₀ jmenovité střídavé napětí proti zemi (efektivní hodnota).

Hodnotu proudu I_a zajišťujícího samočinné působení stanovíme z vypínací charakteristiky konkrétního jisticího přístroje, například pro pojistku PN2 250 A gG a maximální dobu odpojení 5 s viz obr. 5.Jističe řady Modeion umožňují díky velkému regulačnímu rozmezí vypínací charakteristiky dosáhnout nižších hodnot proudů I_a a tím vyšších možných hodnot impedance smyčky Z_s. Umožňují tedy realizovat delší vedení, pokud tomu nebrání jiné požadavky.

5. Minimalizace nákladů

Z porovnání přibližných nabídkových cen v Kč jisticích přístrojů OEZ s. r. o. (tab. 1) je patrné, že použití pojistkových systémů je v mnoha případech, kdy vyhovují svými vlastnostmi, výhodné vzhledem k jejich cenové úrovni.

Tab. 1. Porovnání přibližných cen (Kč) jisticích přístrojů OEZ, s. r. o.

Závěr

Řešení složitějších elektrických rozvodů a v této souvislosti volba jisticích přístrojů, s přihlédnutím ke všem požadavkům, je činnost značně náročná na čas a informace. Firma OEZ s. r. o. poskytuje zdarma program Sichr (nyní již verzi 5), který významně usnadňuje tuto činnost. Mimo výše uvedené základní požadavky na jisticí přístroje řeší a vyhodnocuje celou řadu dalších, vyplývajících z komplexního návrhu konkrétního elektrického rozvodu. Využijí ho tedy všichni, kteří se zabývají problematikou projektování, ale i revizí distribučních, průmyslových i domovních elektrických rozvodů.

Program Sichr lze získat stažením z firemních stránek: www.oez.cz nebo objednat CD-ROM na tel.: 465 672 195, popřípadě e-mail: dokumentace@oez.cz