Protectia impotriva electrocutarii

Aceasta lucrare ofera un rezumat privind modalitatile de protectie impotriva electrocutarilor. Protectia se realizeaza in urmatoarele cazuri de baza:

protectia in timpul efectuarii lucrarilor obisnuite sau in caz de scurtcircuit (contact direct sau indirect), cand se utilizeaza curent de joasa tensiune, 50 V sau mai putin;

protectia in timpul lucrarilor de rutina ( impiedicand contactul direct), utilizarea izolatiei si - sau separarea-ingradirea partilor sub respectand distanta reglementara de izolare;

protectia in cazul unui scurtcircuit (impotriva contactului indirect), ce previne incarcarea cu electricitate a partilor bune conducatoare de electricitate, dar care in mod obisnuit nu sunt incarcate cu electricitate.

Tabel de prescurtari

CP protectia circuitului;

D,I contact direct, indirect;

ECRI (t) index de risc la contactul electric;

K (t) probabilitatea ca cineva sa atinga partile conducatoare de electricitate

S (t) probabilitatea ca echipamentul electric sa ramana in functiune fara sa afecteze carcasa buna conducatoare de electricitate care acopera distanta de izolare

U(t) probabilitatea ca partea conductoare de electricitate studiata sa nu indeplineasca conditia ca U(t) Ult

I_a curent ce trece in mod automat cand este deconectat sistemul de protectie in timpul t a mentionat in tab. 2

I_5s curentul I_a la t_a 5 s.

I_m curent minim ce determina declansarea instantanee a sistemului de protectie impotriva cresterii tensiunii curentului

I_Dn - curent nominal rezidual de operare in sistemul de protectie

T_d timpul de deconectare a sistemului de protectie

I_b curentul ce trece prin corpul uman

I_d curentul de defect la primul scurt (sistemul IT)

I_T curentul de fuga

L₁ conductor de linie

N conductor de nul

PE conductor de nul de protectie

R_A rezistenta a electrodului de impamantare pentru impamantarea echipamentului, sistemului

R_b rezistenta corpului, de la palme la talpi

R_N rezistenta electrodului de impamantare pentru punctul neutru alimentarii

R_T rezistenta electrodului la pamant pentru sistemul de impamantare

U_n tensiune nominala in ac, rms

U_L limita tensiunii conventionale (adica valoarea limitei admisibile a tensiunii la contact, ce persista pentru un timp ce depaseste sau este egal cu 5 s -in conditii normale- de exemplu 50 V t.a. rms sau 120 V fara zgomot de retea, ondulatie t.c.)

U_lt(t) limita tensiunii conventionale in timpul t_a, adica valoarea limitei admisibile a tensiunii la contact ce persista in timpul t si care nu depaseste t_a secunde

U_o voltaj la pamant ac rms

U_t voltaj la contact in viitor predeterminat

Z_L1 impedanta conductorului de linie, inclusiv impedanta sursei

Z_N impedanta conductorului neutru

Z_PE impedanta conductorului curentului de fuga

impedanta conductorului curentului de fuga -curentul principal si fider-ul linia de alimentare

impedanta conductorului curentului de fuga - circuitul derivat

Z_S impedanta circuitului la scurtcircuit numita si impedanta contactului glisant;

Z_t impedanta tensiunii posibile la atingere, contact

Z_r impedanta reziduala egala cu Z_S minus Z_L1 minus Z_t

Fig. 1 Contact direct (d) si indirect (i)

1. INTRODUCERE, EVALUAREA RISCURILOR ELECTRICE

Contact electric fie direct cu partile vii in timpul unei activitati normale sau indirect cu partile expuse, conducatoare de electricitate din echipamentul electric, datorita unei defectiuni an izolarea de baza, si care ar putea provoca rani fizice oamenilor sau animalelor de pe langa casa. Standardul IEC 364 4+41 (1 ) recomanda metode de proiectare tehnica ce asigura protectia impotriva electrocutarii (tab.1). Unul dintre criteriile de selectare a masurii celei mai adecvate pentru realizarea acestui obiectiv cu un grad suficient de protectie impotriva electrocutarii se poate determina evaluand riscul actual ECRI (t) 1 la contact electric. Riscul real, permanent depinde de urmatoarele

- probabilitatea (1-S(t)) ca o parte conductoare de electricitate sa fie sub tensiune

probabilitatea k(t) ca cineva s-o atinga, iar u(t) legat de valoarea reala a tensiunii la atingere

(1)

unde parametri S(t), k(t) si u(t) sunt cunoscute.

A.     Partea conducatoare de electricitate este sub tensiune

Este evident ca contactul direct, care prin definitie este un contact real cu partile vii, in timpul unei operatiuni normale, trebuie prevenit pentru a evita ranirea, daca valoarea tensiunii la atingere nu este foarte joasa.

Contactul indirect poate apare accidental cand se deterioreaza izolatia de baza a unui conductor sau a unei parti din circuit, avand ca rezultat contactul electric intre conductorul sau a unei parti a circuitului, aflate sub tensiune si carcasa de metal, sau atunci cand izolatia prin perna de aer este accidental strapunsa. Daca carcasele de metal nu au fost impamantate eficient, exista tendinta aceasta sa capete acelasi potential electric ca cel al conductorului de putere sub tensiune. Probabilitatea de defectiune poate fi evaluata prin valoarea insecuritatii, notata 1- S(t), unde S(t) reprezinta securitatea echipamentului electric.

B. Atingerea partii sub tensiune

Pericolul efectiv (ECRI (t) egal cu 1) a unui contact indirect, ce apare intr-un echipament electric mobil sau portabil, legat de probabilitatea de k(t) ca cineva sa atinga simultan carcasa conductoare de electricitate sau un alt element conductor de electricitate care trece dincolo de distanta de izolatie, Nu la fel de previzibil ca si contactul direct, contactul indirect trebuie si acesta preintampinat.

In cazul echipamentului electric mobil - portabil, pentru care k(t) egal 1, este recomandabil sa se previna aparitia potentialului electric. In cazul unui echipament electric fix pentru care k(t)<1n poate fi suficient sa limitam persistenta potentialului electric legand echipamentul la pamant sau deconectandu-l de la retea.

C Daca curentul circula care este valoarea voltajului la atingere

Fig 1 prezinta un operator ce poate atinge punctul artificial d apartinand unei parti aflate sub tensiune, in timpul operarii normale (contact direct) sau punctul I apartinand unei parti extrem de buna conducatoare de electricitate, si care face parte din echipamentul electric la momentul scurtului (contact indirect). Dupa un contact trece un curent de defect I_T egal U_o pe Z_S.

In aceasta lucrare discutam exclusiv despre traiectoria unui curent de defect, ce implica pamantul sau sistemul de impamantare. Pentru o traiectorie ce trece printr-un corp uman, pericolul in care se afla persoana respectiva depinde mai ales de marimea si durata curentului I_b (I_b sI_T in fig. 2 si 3)

Fig. 2 si 3 prezinta doua cazuri de sisteme solid impamantate sau un sistem fara impamantare. In cazul fig 3, scurgerea de curent poate fi neglijabila si nepericuloasa.

Tensiunea de atingere U_t egal Z_t I_T se defineste ca produsul dintre curentul ce trece prin corp si impedanta totala a operatorului Z_t egal Z_b (suma impedantei totale a corpului si cea a bazei -suprafetei de sprijin. Relatia dintre curent si voltaj nu este lineara, deoarece impedanta corpului uman variaza cu voltajul la atingere de contact.

Impedanta intre una din palme la cele doua talpi Z_1hf2 este 75 % din impedanta intre o palma si cealalta Z_lhhl. In timp ce impedanta de la palme la ambele talpi Z_2hf2 este de 50% Z_1hh1(5) Pentru diferite trasee ale curentului, curentii cu aceeasi magnitudine au ca rezultat grade diferite de pericol de fibrilatie ventriculara. Efectul curentului (de ex. 16 mA) ce trece prin pe unul dintre urmatoarele trasee + de la palma stanga la palma stanga sau de la palma dreapta sau ambele talpi, de la ambele palme la ambele talpi pot fi luate ca referinta I_bref. Curentul corpului I_b1 (ex 40mA) ce trece pe traseul palma stanga la palma dreapta are un efect redus de 40% din valoarea de referinta (I_bref =4 I_b1 egal 16 mA) si I_b2 ( ex 20mA) pe traseul intre palma dreapta si laba stanga sau laba dreapta sau ambele talpi, de 80 % (I_{b ref} = 0,8 I_b2 =10 A) (5).

Tab. 1 Masuri de protectie IEC   

Fig. 2. Sistem cu impamantare solida

Fig. 3. Sisteme fara impamantare

Tab. 2 Parametri si valori pentru conditii de siguranta

In practica pentru proiectarea protectiei impotriva electrocutarii, criteriul necesar este limita admisibila pentru voltajul la atingere ULr(t) ca o functie de timp. In tabelul II coloana 1 ne sunt date valorile de timp maxim admisibile, iar in coloana 3 valorile limitelor admisibile corespunzatoare pentru voltajul la atingere Ult (ta). Tabelul 41+A (2), coloana 2 ne da valorile

Ult. Referintele (1) nu ne dau valorile Ult.

Fig. 4. Schema generala de protectie prin decuplarea automata. Traseul curentului de defect in timpul unui scurt, b) Schema generala ECRI evaluare

Anexa 4 defineste limita conventionala de voltaj UL, adica valoarea limita admisibila a voltajului la atingere, ce persista un timp mai mare sau egal cu 5 s. In conditii normale UL este egal cu 50 V ac rms sau 120 V fara variatii, ondulatii dc. In conditii speciale sunt cerute valori mai scazute.

Probabilitatea ca partea din sistemul de putere luat in consideratie sa indeplineasca conditia Ut Ult, presupune ca voltajul la atingere sa nu depaseasca valorile ULt in timpul in care partea conducatoare de electricitate ramane sub tensiune (orice t), sau avaria persista ) coincizand in general cu timpul de deconectare td a sistemului de protectie). Este evaluata de

U(t) = U_s U_t(t) U_Lt(ta))- 1

Functia este zero pentru toate valorile negative ale variabilei U_t(t) U_Lt(ta))- 1 si egala cu 1 pentru toate valorile pozitive

Evident daca U sau U_t este garantat mai mic decat U_L pentru orice timp t sau chiar U = 0, u(t) este intotdeauna egal cu zero.

2. ABC ul sistemului IEC. Masuri de protectie

Scopul masurilor de protectie impotriva electrocutarii este acela de a mentine riscul de contact cota cea mai scazuta, si parametrii 1-S(t), k(t) sau u(t) aproape de zero, cat mai mult posibil.

Pentru a introduce sistemul IEC de protectie impotriva electrocutarilor este foarte utila facem urmatoarele constatari generale Evident operatorul nu se poate electrocuta intamplator daca sunt prezente urmatoarele conditii

1( Echipamentul electric nu este sub tensiune (U= 0 sau Ut= 0 sau u =0), sau daca partile conducatoare de energie, expuse nu sunt sub tensiune (1+S =0)

2) valoarea tensiunii nominale U, sau tensiunea la pamant Uo, sau tensiunea la atingere nu depasesc limita conventionala UL (u =0).

3) Se impiedica atingerea partilor sub tensiune (la desfasurarea normala a interventiei sau la scurt) (k=0)

4) Curentul nu poate circula sau, dimpotriva, circula suficient curent pentru a permite deconectarea sau alimentarea rapida (fig. 2 sau 3, prezinta cele doua cazuri, respectiv cel al unui sistem cu impamantare solida si respectiv cel fara impamintare. Fig. 3 scurgerea de curent poate fi neglijabila si deci ne periculoasa. Fig. 4 prezinta o schema generala simpla in care sistemul si partile conducatoare de curent expuse sunt legate la pamant. Impamantarea sistemului permite eliminarea defectiunilor provocate de deconectare stemelor-metodelor de protectie in timpul td, astfel ca probabilitatea ca primul operator care atinge echipamentul dupa avarie sa aiba contact cu partile sub tensiune, sa se reduca doar la timpul td 8 fig. 4(b)) IEC standard propune urmatoarele masuri de protectie

a)protectia impotriva electrocutarii, provocata de contact direct, la operarea normala.

b) protectia in caz de accident datorat contactului indirect

c) protectia in ambele cazuri, de operare normala sau de avarie

Masurile de protectie impotriva electrocutarii, prevenirea contactului direct, indirect sau a ambelor (MPDC,MPIC, MPBC) sunt schematizate mai sus in tabelul 1

Punctul 1 motiveaza masurile active de protectie bazate pe impiedicarea persistenta curentului electric prin deconectare automata a alimentarii (MPIC bazat pe u(t) =0 si masura pasiva de protectie bazata pe izolare dubla sau pe izolare echivalenta (echipament IEC tip II) ce previne contactul (MPIV bazat pe 1-S(t) = 0)

Punctul 2 motiveaza masura de protectie bazata pe utilizarea SELV, PELV,FELV tensiuni joase si sigure cu circuite speciale (MPBC, bazate pe u(t) = 0, intrinsec) si masura pasiva de protectie bazata pe asigurarea de legaturilor principale si locale cu acelasi potential (MPIC bazat pee u(t) = 0 intrinsec =.

Punctul 3. motiveaza protectia prin izolarea partilor aflate sub tensiune si care se pot indeparta doar prin distrugere, protectia prin bariere sau ingradire asigurand cel putin o protectie ca la IPXXB, pentru cazurile de prevenire a contactului neintentionat, cu partile sub tensiune, protectia prin obstacole si cea prin plasarea astfel ancat sa nu se poata ajunge la aceste parti periculoase (partile accesibile simultan la diferite potentiale nu trebuie sa fie la indemana, sau sa se poata ajunge la ele intinzand bratul) MPDC bazat pe k(t) = 0)

Punctul 4. Motiveaza definirea tipurilor de impamantare a sistemului )MOIC bazat pe u(t) = 0) Impamantarile sistemului sunt clasificate ca sistem TN, TT, IT. Prima litera, T sau I reprezinta un sistem cu impamantare solida si respectiv un sistem fara impamantare, iar cea de-a doua litera N sau T, reprezinta conectarea partilor conducatoare de electricitate cu acelasi punct impamantat ale sistemului de alimentare cu curent (fig. 5) sau cu un electrod cu impamantare independenta (fig., 6), respectiv.

Fig. 5

Fig. 6

Sistemul TN si cel TT sunt realizate pentru facilitarea circulatiei curentului de fuga si a deconectarii automate a alimentarii, deoarece voltajul la atingere Ut nu poate fi mentinut in orice punct al instalatiei, mai mare decat cel UL1(t) in timpii to din tabelul II.

Dimpotriva, sistemul IT s-a realizat pentru a limita si controla circulatia scurgerilor de curent. In fine, protectia prin separare electrica impiedica si ea circulatia (este vorba de protectia prin separare electrica a unui circuit individual alimentat de o sursa de separatie adica un transformator de izolare).

Fig. 7 Tensiunea maxima la atingere U_L1 curbele de timp potrivit coloanelor 2 si 3 din tab. 2

Punctul 4 justifica de asemenea o masura suplimentara de protectie impotriva contactului (MPDC bazat pe u(t) =0 permis datorita procedeelor ce utilizeaza curent rezidual. Utilizarea procedeelor pe baza de curent rezidual I Dn nu mai mare de 30 mA, recunoscuta ca o masura suplimentara de protectie impotriva electrocutarii, in coditii normale, in cazul in care alte masuri de protectie se dovedesc ineficiente sau in cazul in care utilizatorul este neglijent (t_d(2I_Dn < ta in care U_L1 U). Utilizarea unor astfel de metode nu este recunoscuta ca singurul mijloc de protectie si nu exclude necesitatea de a aplica una dintre masurile de protectie anterioare, cum ar fi aceea ca nu se poate limita valoarea curentului real ce trece prin corp.

3. Tipuri de impamantare a sistemului

A Generalitati

Pentru a impamanta partile conducatoare de electricitate, expuse din fiecare cladire, trebuie sa asiguram standardele de siguranta si functionare a instalatiilor electrice.

Selectarea si instalarea echipamentelor de impamantare si a conductorilor de protectie pentru curentul de fuga (PE) trebuie sa se execute astfel

. rezistenta la impamantare este conforma cu parametrii necesari protectiei si functionarii instalatiei si este proiectata sa functioneze continuu.

. Se poate transporta fara nici un pericol curent de fuga si de scurgere, in special cei produsi prin tensiunea termala, termo-mecanica si electromecanica.

.Sunt robuste sau dispun de o protectie mecanica suplimentara adecvata conditiilor de influentare externe (externe).

Simultan partile conducatoare de electricitate, expuse trebuiesc conectate la aceleasi mijloace de impamantare.

Un sistem de conectare echipotential, principal trebuie sa faca legatura intre urmatoarele parti 1) conductorul principal de protectie si 2) conductorul principal ce asigura continuitatea la pamant (tevile, instalatiile de incalzire centrala si aer conditionat).

In plus se recomanda legarea partilor metalice ale structurii cladirii si a altor conducte metalice. In unele cazuri, poate fi utila sau necesara realizarea unei legaturi locale (reductia lui Zt, Fig. 8) Aceasta legatura suplimentara echipotentiala trebuie sa includa toate partile conducatoare de electricitate, expuse, simultan accesibile ale echipamentului fix si partile conducatoare externe, inclusiv, acolo unde este posibil, intariturile metalice principale ale betonului armat folosit la constructie. Sistemul echipotential trebuie conectat la conductorii protejati ai intregului echipament, inclusiv cei ai fiselor de curent. Partile conductoare expuse ale echipamentului electric trebuie conectat la conductorul de protectie, in conditiile specificate pentru fiecare tip de sistem de impamantare.

Utilizarea sistemului TN sau a celui TT este conditionata de proprietatile transformatorului de inalta sau joasa tensiune, adica, intr-un sistem de putere prevazut cu transformator, se poate aplica doar sistemul TT. Fig.5 si 6 prezinta sistemele TN si TT.

Impedanta Z_S a circuitului complet al curentului de fuga ar trebui sa fie suficient de joasa pentru a asigura un flux suficient al curentului de fuga, pentru operarea si aplicarea rapida a procedeelor de protectie a circuitului si pentru a micsora la maxim potentialul curentilor telurici rataciti (accidentali) asupra sistemelor solid impamantate, asa cu este descris la (3).. Pentru a contribui la realizarea unui curent de fuga cu impednta scazuta, conductorul de impamantare PE trebuie sa treaca adiacent cablurilor de putere cu care este asociat, adica, in interiorul aceleasi canal pentru cabluri. In sistemul TT, curentul de fuga este in mod normal determinat de rezistenta electrozilor (R_A,R_N), considerandu-se ca, prin comparatiei cu aceste rezistente, celelalte impedante ale circuitului de fuga ) cum ar fi Z_L1, Z_PE), sunt in general neglijabile (Z_S R_A + R_N). Impedanta tensiune la atingere este egala cu Zt = R_A plus Z_PE R_A (in publicatiile IEC, R_A include si valoarea lui Z_PE).

In sistemul TN, impedanta voltajului la atingere este Z_t =Z_PE. Curentii de fuga au in general valori mai ridicate decat in sistemul TT avand in vedere ca rezistenta R_T este in afara circuitului de fuga (Z_S =Z_PE + Z_L1).

Astfel, in sistemul TN, utilizarea procedeelor de maxima protectie pot fi suficiente, in timp ce sistemul TT poate fi necesara o metoda de protectie prin curent rezidual.

B. Sistemele TN (fig. 5-10)

Sistemul TN este, in general, cazul unei uzine echipata cu propria substatie de transformatoare.

Toate partile conductoare expuse trebuiesc conectate la punctul de impamantare a sistemului prin intermediul conductorilor de protectie (PE). In general punctul de impamantare este neutru Conductorii de protectie trebuie trebuiesc impamantati langa fiecare transformator sau generator de putere al instalatiei.

Pe langa asigurarea unui echipament de impamantare in astfel de sub-statii, potentialul de nivel si de atingere trebuiesc mentinute la un nivel sigur.

Sistemul TN-S este numele dat celui mai general caz al sistemului TN. Acesta prezinta conductorul PE neutru si protector ca fiind separat. In plus, sistemul TN+C asigura aceluiasi conductor (PEN) atat functia de conductor de fuga neutru cat si de protectie. Pentru acest sistem protectia trebuie asigurata prin metode ce utilizeaza curent de inalta tensiune, nu este posibila utilizarea metodelor reziduale. In sfarsit, sistemul TN-C-S este o combinatie intre aceste doua solutii.

C Sistemele TT (fig. 6 si 11)

Sistemul TT este in general, cazul cladirii unei uzine alimentate de o substatie cu transformator electric. Toate partile conductoare expuse protejate toate cu acelasi sistem de protectie trebuie interconectate cu conductori de protectie anti-scurt avand un electrod de impamantare cu rezistenta Ra, comun tuturor acestor parti. Acolo unde se utilizeaza procedee de protectie in serie, aceasta conditie se apalica separat tuturoe partilor conducatoare de electricitate protejate de fiecare procedeu - metoda separat.

Punctul neutru (sau, daca nu exista vreunul, un conductor de faza) la fiecare generator sau transformator trebuie impamantat cu propriul electrod de impamantare.

D - Sisteme IT (fig. 4 cu Zr[TM1]  si fig 6 cu R_N =

Sistemele IT sunt izolate de sol sau conectate la sol printr-o impedanta destul de mare, sau la punctul neutru (in stea) al sistemului sau la un punct in stea artificial. Curentul de defect este scazut in cazul unui singur scurt la una din partile conducatoare expuse sau la pamant, nu este imperios necesara deconectarea. Totusi trebuiesc luate masuri, pentru a evita pericolul in cazul in care exista doua scurt-uri simultan.

Nici un conductor al instalatiei, prin care trece curent nu trebuie legat direct la pamant. Pentru a reduce supravoltajul s-au oscilatia acestuia, este necesara asigurarea unei impamantari cu impedanta adecvata sau puncte neutre artificiale. Partile conducatoare expuse trebuiesc impamantate separat, individual, in grupuri sau colectiv.

4. PROTECTIA PRIN DECONECTAREA AUTOMATA DE LA ALIMENTARE

A.     Conditii generale de siguranta

Protectia prin deconectarea automata a alimentarii, in cazul in care partile conductoare expuse ale echipamentului electric trebuie conectat la pamant.

In fig 4 (a) se prezinta o schema generala. Elementele componente ce trebuiesc ce trebuiesc luate in consideratie sunt urmatoarele Echipamentul electric avariat si partile alimentarii din sistemul de putere, 2) operatorul si si 3) sistemul de protectie. Cele doua masuri de 'impamantare cu deconectarea alimentarii', dupa aparitia scurt circuitului, sunt proiectate sa declanseze imediat alarma si sa impiedice voltajul la atingere sa persiste atat cat sa se iveasca vreun pericol (fig 4(b)).

Prin urmare, parametrii proiectului caracteristici acestei masuri de protectie, in oricare punct al instalatiei sunt urmatorii

curentul de defect IT = Uo ZS si voltajul la atingere Ut = Zt.IT = ( Zt ZS ) . Uo este an general fiz., IT depinde de impedanta buclei de defect ZS si Ut depinde de raportul Zt ZS. Unde Zt este impedanta tensiunii prospective la atingere),

limitele conventionale ale voltajului la atingere Ult (t (Tabelul II)), coloana 3) care defineste timpul maxim corespunzator ta (tabel II, coloana 1) in care Ult poate persiste (fig 7)

curba caracteristica timp- curent I-t a procedeului de protectie.

Dupa un scurt IT intr-una din partile instalatiei alimentate de Uo, tensiunea de atingere U_t = Y_t Z_SUo nu poate fi mentinuta in nici unul din punctele instalatiei, ce are un exces de timp maxim ta, admis de tensiunea U_lt (ta) = U_t(1).
Este necesara adoptarea unui procedeu de protectie cu un curent de operare Ia care asigura deconectarea automata in timpul ta din tab 2. Aceste cerinte sunt satisfacute in cazul in care se indeplinesc urmatoarele conditii:

(2)

(3)

(4)

(5)

Observati ca al trei-lea termen al expresiei (3) se obtine substituind valoarea curenta a lui I_T din (2).

Astfel, daca stim ca Y_S = 0,2 W , Z_t/Z_S = 0,4 si U_o = 230 V, valorile lui I_T = 1150 A si U_t = 92V se determina pe baza expresiilor (2) si (3). Este posibil ca in tab. 2, coloana 1 sa gasim limita admisibila de timp ta = 0,40 s in corespondenta cu Ult = Ut din coloana 3, sau in acest caz al unor valori intermediare ale tensiunii, pana la urmatoarea valoare mai mare din coloana (U_lt = 100 V > 92 V, sau folosind curba din fig. 7, valoarea reala t_a =0,47 s in corespondenta cu U_lt = 92 V). De aceea, in punctul avariat al instalatiei trebuie indeplinita conditia (5) adoptand un procedeu de protectiei prin care trece iun curent de operare I_a 1150 A si asigurand deconectarea automata la momentul t_a = 0,40 s. Este clar ca aceasta masura de protectie are nevoie de coordonarea urmatorilor parametri

caracteristicile metodelor de protectiei

tipul de sistem de impamantare (sistemul TN, TT sau IT).

In sistemele TN si in cele TT se recomanda utilizarea urmatoarelor metode de protectiei:

metode de protectie cu supracurent

cu curent rezidual, utile in cazurile de protectie cand curentul are valorile cele mai scazute, ca de pilda, scurt prin arc electric sau curent de defect chiar de la inceputul evolutiei

Trebuiesc luate in consideratie urmatoarele

Procedeele de protectie impotriva supracurentului cu o caracteristica de timp invers presupun un timp de deconectare indelungat, care in orice caz trebuie sa indeplineasca conditia td ta

o        procedeele de protectie impotriva supracurentului avand caracteristic o declansare instantanee, sau procedeele de protectie pentru curent rezidual se caracterizeaza printr-un timp scurt de deconectare td, ceea ce poate asigura valori valorificate pentru ULt (ta) pana la Uo.

In general, aceste observatii trebuiesc facute in fiecare punct al instalatiei unde sunt indeplinite greu sau deloc conditiile (4) si (6).

Fig. 9. In timpul utilizarii echipamentul portabil trebuie tinut in mana

Putem evalua daca riscul este acceptabil, luand in consideratie posibilitatea reala k(t) de contact electric in timpul td pana la deconectare.

Pentru a indeplini conditiile din (1) este necesar sa asiguram conectarea locala, definita ca o legatura suplimentara echipotentiala, care reduce valoarea lui Z (fig. 8).

Fig.8

Piesele fixate ale echipamentului au expuse partile conducatoare de electricitate cu o probabilitate redusa de contact (k(t)= 1 ). In cazul in care apare un defect intr-una din partile portabile ale echipamentului, si care trebuie tinuta in mana, in timpul utilizarii, contactul este garantat doar partial (fig.9)

Pentru partile instalatiei (cum ar fi circuitele de ramura) proiectate sa asigure echipament portabil, mobil si de alt gen, avand expuse parti conducatoare ce se tin in mana, trebuiesc respectate (4) si (5) adica tensiunile la contact si timpii din tabelul II.

B.     Abordarea conventionala. Doua reguli. Conditii specifice de securitate pentru fiecare impamantare

O abordare simplificata ne permite sa reducem cele 4 conditii (2) - (5) la una singura.

Aceasta abordare simplifica se bazeaza pe raportul Zt ZS = Ut Uo avand valori limita conventionale ce depind de Uo si de tipul de impamantare. Cand se cunoaste Uo maximul admisibil Ult = Ut = (Zt/ZSU_o ( ramane fix si in consecinta timpul t_a , adica tab. 2 sistem tip TN pentru U_o 0-230 V coloana 6, Z_t/Z_S = 12,3 col. 5, U_lt = 100 V col. 3, si ta = 0,4s col. 1 ).

Deoarece ta ramane conventional fix, putem defini o singura conditie de siguranta legata de impedanta Z_S (sistem TN) sau Z_t (sistem TT).

(6)

Aceasta fiind cea mai generala conditie, care rezuma cele patru conditii de care aminteam mai sus.

In practica abordarea IEC urmatoarele reguli pentru timpul ta

Regula I (variabila de timp t_a). Raportul maxim Z_t/Z_S se bazeaza pe valoarea reala a limitei de protectie ce depinde de U_o (tabel II, col. 5). In general, aceasta regula se adopta pentru sistemul TN si in particular, pentru circuite de ramura.

Regula 2 (ta timp fix egal cu 5 s sau mai exact intotdeauna U_t = U_L) Raportul maxim Z_t/Z_S ce permite satisfacerea conditiei U_t U_L este automat fixata la U_L=U_o (tab. 2, col. 8). In general aceasta regula este adoptata pentru sistemele TT si IT si acceptata pentru circuitele de distribuire ale sistemului TN (pentru alimentatori si circuite de distribuire principale )

Sistemul TN ( Z_S = Z_PE + Z_L1,Z_t = Z_PE) cu referire la regula 1, expresia (6) ramane aceeasi

(6)

Caracteristicile procedeelor de protectie si suprafetele sectiunilor transversale ale conductorilor trebuiesc selectate astfel incat daca survine o defectiune cu impedanta neglijabila oriunde intre un conductor de faza si un conductor PE va apare protejat impotriva defectelor datorate impamantarii, sau o peste conducatoare de electricitate expusa deconectarea automata survine in timpul specificat ta.

Avand in vedere ca Uo este fix, si in consecinta ta ramane de asemenea fix, pentru a indeplini (6) in fiecare punct al instalatiei, dat fiind ca poate apare o defectiune cu impedanta Zs, procedeul de protectie trebuie sa se caracterizeze printr-un curent de operare I_a U_a Z_S in timpul ta. ( adica sistemul TN pentru U_o = 230 V in tab. 2, t_a = 0,4 s daca Z_S = 0,5 W, Ia (0,4 s) 230 0,5 = 460 A.

In general, cand sunt folosite procedeele de protectie contra supracurentului, cele mai dificile puncte ale sistemului TN unde nu poate fi indeplinita aceasta conditiei, sau este foarte greu de realizat, sunt cele de la capetele circuitelor de ramura, sau cu alte cuvinte, in acele puncte unde impedanta Z_S are valoarea cea mai mare (este necesara cea mai scazuta valoare pentru Ia=I_T).

Utilizarea procedeelor de protectie contra curentului rezidual pot rezolva problema unei valori mici pentru Ia, asa cum am spus deja. Abordarea bazata pe Regula 1 este evident afectata de neajunsul determinat de faptul ca daca valoarea reala a raportului

Z_t Z_S = Z_PE Z_S este mai mare decat valoarea conventionala prospectiva din tab 2 col. 5, nu se respecta conditia (4). Pentru acest handicap neajuns exista urmatoarele solutii:

proiectul Z_S cu valoare scazuta ce permite adoptarea unei metode de protectie cu un timp de deconectare scurt td ( U_lt ridicat).realizati o legatura suplimentara echipotentiala (fig 10)

Indiferent de valorile din tab.2 ((1)), conditiile ce admit timpi conventionali de operare, ce nu depasesc 5 secunde pentru alimentare si circuitele principale de distributie (risc de contact redus). Cu alte cuvinte, referitor la Regula 2, expresia conditiei de securitate (6) se transforma in urmatoarea expresie

Pentru metodele de protectie ale unui circuit de ramura, care furnizeaza echipament doar la puncte fixe se admit si timpii conventionali ce nu depasesc 5 secunde. Daca alte circuite de ramura ce necesita timpii t_a din tab. 2, sunt alimentate de la acelasi panou de distributie, timpul ce nu depaseste 5 sec. Sunt inca admise in toate cazurile in care Z_t/Z_S = Z'_PE/Z_S (fig 10) nu este mai mare decat valoarea prospectiva conventionala U_L/Uo din tab.2. col. 8. Z'_PE este impedanta conductorului principal de protectie al panoului de distribuire.

Fig. 10 Impamantari pentru protectia impotriva defectiunilor provocate de lipsa acestora in sistemul TN, circuite trifazate, cu 4 fire. Traiectoria curentului de defect prin conductori fara impamantare.

Sistemele TT, conditiile (Z_S = R_A + R_N; Zt = R_A + Z_PE R_A), iar R_N este un parametru al sistemului companiilor de electricitate si poate fi necunoscut sau poate scapa controlului supravegherii directe. Referitor la Regula 2, cel de-al treilea termen al conditiei de securitate (6) se modifica

(8)

Data fiind faptul ca valoarea U_L= 50 V este fixa, valoarea R_A trebuie sa fie suficient de mica pentru ca dispozitivul de protectie sa furnizeze un curent operational Ia care sa satisfaca conditia (8), in fiecare punct al instalatiei unde poate apare un defect.

Cand procedeul de protectie (potrivit regulii 1, clauza 413. 1.4.2)) este unul din urmatoarele, I_a va avea valorile specificate.

• Pentru un procedeu de protectie impotriva supracurentului, cu o declansare instantanee a releului, caracteristica, in (8), Ia va fi curentul minim Im ce va determina declansarea    instantanee (ceea ce intr-adevar va garanta U_lt (ta) > U_L, pana la U_lt (ta) > U_o, daca t_d 0,17 s se admite U_Lt (ta) > 230 V, daca I_m < decat valoarea reala I_T);

• Pentru procedeul de protectie impotriva curentului rezidual, I_a va fi curentul rezidual de operare, scontat I _Dn ( timp scurt de deconectare) adica daca I _Dn = 0,03 A, R_A    . W

Avand in vedere ca o valoare ridicata a lui R_A este mai usor de realizat si ca, dimpotriva daca se obtine un R_A cu valoare scazuta, este posibil sa protejam valorile ridicate ale totalului Z_S (defectul prin arc, valoare ridicata pentru R_N). In sistemul TT este de preferat utilizarea metodelor de protectie impotriva curentului rezidual.

In circuitele de distribuire este permis un timp de deconectare care sa nu depaseasca 1 sec.

In general, cand se folosesc procedee de protectie impotriva supracurentului, cel mai vulnerabil punct al instalatiei TT, unde nu se poate satisface sau este greu de realizat aceasta conditie, este punctul de pornire al circuitului principal de distribuire, altfel spus acolo unde curentul de operare Ia are valoarea ce mai inalta (fiind necesar RA cu valoarea cea mai scazuta ).

Abordarea ce se bazeaza pe Regula 2 este afectata pe handicapul ca daca valoarea reala a raportului Z_t/Z_S = R_A/(R_N + R_A) este mai mare decat valoarea fixata in Tabelul II coloana 8, ne fiind respectata conditia (4) U_t U_L. Un risc real este mult mai posibil daca metoda de protectie adoptata este un tip de supracurent avand si caracteristica de timp invers. De fapt, conform tab. 2, col. 8, valoarea conventionala a lui Z_S este

Asta inseamna ca, presupunand ca Uo = 230 V, valorile conventionale ale lui ZS sunt urmatoarele daca R_A = 1 W; Z_S = (230 50=x 1 = 4,6 W, si daca R_A = 1666 W; Z_S = (230 50) x 1666 = 7634 W

Deci, daca valoarea reala a lui Z_S = R_N + R_A este mai mica decat valoarea preconizata (9), atunci valoarea reala a lui IT este mai mare decat valoarea asteptata.

Astfel, pentru a lua in calcul cea mai rea dintre situatiile variabilei Z_S, coordonarea pentru o protectie corecta trebuie verificata cu R_A fixat la valoarea mentionata in legatura cu I_5s (conditia 8) si urmatoarea conditie

(10)

Cu alte cuvinte, valoarea curbei I_a5s relativ la timp trebuie sa ramana sub valoarea curbei timp relativ corespunzatoare U_L1 (t)/U_L (fig 12 si 13). Valorile U_lt(t)/U_L sunt date in col. 4, iar cele ale timpului t_a in col. 1 a tab. 2..

Fig. 12 prezinta unul din cazurile optime in care este indeplinita conditia (10), deoarece, practic cele mai dificile cazuri in ceea ce priveste coordonarea protectiei corespunde valorii de referinta I5s. De exemplu, presupunand ca I5s = 50 A, valoarea RA, ce respecta regula 2, trebuie sa fie RA = 50 V 50A = 1 W. De asemenea IT real presupune ca valoarea I_T = 1,2 I_5s =60 A, tensiunea asteptata la atingere va fi U_t = R_A I_T =60 V, dispozitivul de protectie se deconecteaza intr-o secunda, timp in care admite ca U_lt = 60 V.

Figura 13 prezinta un caz negativ in care nu este respectata conditia 10, deoarece cel mai rau caz pentru coordonarea protectiei nu corespunde cu valoarea de referinta I_5s. De exemplu presupunand ca I_5s =50 A, valoarea RA, ce respecta Regula 2, trebuie sa fie R_A = 50 V/ 50A = 1 W. Acum, daca I_T real ajunge sa presupuna valoarea I_T = 2,6 I_5s = 130 A, tensiunea scontata la atingere va fi Ut = R_A*I_T =130 V, dispozitivul de protectie se deconecteaza in 1,2 sec. ce admite ca U_lt sa fie doar < 60 V (fig. 7) sau U_lt <67,5 la 0,8 sec (tab. 2, col. 3 si respectiv 1). In acest caz, pentru o buna coordonare a protectiei u in concordanta cu abordarea conventionala. Trebuie presupus ca este egala cu I_a (1,2 s) = 130 A, si apoi R_A < W

Fig 11 Impamantarea pentru protectia in sistemul TT trifazat si circuit cu 4 fire. Curentul de defect trece prin conductori fara impamantare si prin pamant

Fig. 12 Variabila Z_S, cazul coordonarii corecte a protectiei

Fig. 13 Variabila Z_S, cazul unei coordonari defectuoase

Solutia pentru acest neajuns constand in nerespectarea abordarii neconventionale poate fi urmatoarea:

adoptati un procedeu de protectie impotriva curentului rezidual care sa poata faciliteze coordonarea despre care vorbeam mai sus.

realizati legaturi suplimentare echipotentiale

Iata cele mai importante observatii

In sistemul TT (fig. 5), R_A*I_T, unde I_T este curentul de defect efectiv , este cresterea potentialului la impamantare in electrodul impamantat, impedanta Z_PE este in general foarte mica comparativ cu R_A.

In sistemul TN, Z_PE*I_T este potentialul la atingere;

Pentru sistemul TN este foarte important sa aiba legaturi echipotentiale suplimentare pentru reducerea potentialul la atingere de la valoarea Ut din Z_PE.I_T la valoarea Z''_PE*I_T, asa cum s-a aratat in fig. 10 pentru operator.

Pentru sistemul TT, poate fi suficient sa existe un bun sistem principal de legatura echipotential pentru a reduce potentialul efectiv la atingere. Aceasta reducere a lui U_t la Z_PE . I_T nu este luat in calcul in fig. 11, pentru operator expus la R_A . I_T.

sistemele IT . Potrivit regulii 2, trebuie indeplinita urmatoarea conditie

Daca avem un dispozitiv de monitorizare a izolatiei care sa indice momentul la care survine primul scurt de la partea conducatoare de curent la partile conducatoare expuse sau la pamant, acest dispozitiv trebuie sa emita un semnal audio si sau vizual, sau sa deconecteze automat alimentarea cu curent.

Se recomanda ca prima defectiune sa fie eliminata cu o intarziere cat mai mica

Trebuiesc aplicate conditiile pentru deconectare alimentarii in eventualitatea unei a doua defectiuni asa cum se specifica pentru sistemele TT si TN, si care depind de faptul daca toate partile conducatoare de curent expuse sunt interconectate printr-un conductor (individual sau in grupuri pentru sistemele TT, si colectiv pentru sistemele TN).

In cazul sistemelor TN (vezi ((1)) -- daca conductorul neutru nu este distribuit, se aplica relatia prezentata in formula (6), in care --U = radical de 3Uo in loc de Uo, - Impedanta buclei conductorului de linie si a lui PE egala cu 2ZS si - pentru ta valorile corespunzatoare din acelasi rand cu Ua din Tabelul II coloana 1

(6'')

Daca conductorul neutru este distribuit, relatia din (6') se aplica considerand inlocuind Uo cu Uo/2, Z_S ca impedanta buclei conductorului neutru si a lui PE si pentru ta valorile corespunzatoare din randul de sus pentru U₀ din tab. 2, col. 1.

(6'')

Daca nu pot fi indeplinite astfel de conditii de siguranta este necesar sa se asigure o legatura locala (suplimentara si echipotentiala)

In sistemele IT se admite utilizarea urmatoarelor dispozitive de protectie:

dispozitive de monitorizare a izolatiei;

dispozitive de protectie contra supracurentului;

DDR de protectie impotriva curentului rezidual

5. CONCLUZII

Daca se adopta abordarea conventionala stipulata in (1), criteriul pentru a evita sau diminua avariile provocate de un contact indirect ce apare in instalatia electrica este urmatorul. In cazul unei instalatii portabile (mobile) este necesar sa impiedicam aparitia potentialului electric, in timp ce in cazul unei instalatii fixe poate fi suficient sa limitam persistenta potentialului electric prin impamantare si deconectare automata a alimentarii.