Wyzwalacz różnicowoprądowy – rodzaje

Rodzaje wyzwalaczy różnicowoprądowych stosowanych w zabezpieczeniach różnicowoprądowych RCD (residual current device).

Wyłączniki różnicowoprądowe są zabezpieczeniami powszechnie stosowanymi w instalacjach elektrycznych. Stanowią jeden z 3 podstawowych filarów kompleksowej koncepcji ochrony samej instalacji jak i ich użytkowników (razem z ochroną nadprądową oraz przeciwprzepięciową).

Akty prawne

Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Infrastruktury z dn. 12 kwietnia 2002r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. z 2015 r. poz. 1422 i z 2017 r. poz. 2285) – tekst jednolity, instalacja elektryczna powinna być wyposażona w urządzenia ochronne różnicowoprądowe uzupełniające podstawową ochroną przeciwporażeniową i ochronę przed powstaniem pożaru, powodujące w warunkach uszkodzenia samoczynne wyłączenie zasilania (§ 183. 1. Rozdział 8 Instalacja elektryczna).

Zgodnie z normą PN-HD 60364-4-41 (ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa, ochrona przed porażeniem elektrycznym) mogą stanowić środek ochrony przy uszkodzeniu (dawniej znaną jako „ochroną przed dotykiem pośrednim”), pełniąc funkcję samoczynnego wyłączenia zasilania. Dodatkowo stanowią środek ochrony uzupełniającej w przypadku nieskuteczności działania ochrony podstawowej i/lub ochrony przy uszkodzeniu lub przy braku ostrożności użytkowników.

1. Ochrona podstawowa (dotyk bezpośredni)
2. Ochrona przy uszkodzeniu (dotyk pośredni)
3. Ochrona uzupełniająca

Typy wyzwalaczy

O ile rola zabezpieczeń różnicowoprądowych jest jasna, tak mało kto wie, że istnieją dwa podstawowe typy wyzwalaczy różnicowych. Podział ten wynika z ich budowy oraz podstawowych założeń dotyczących zasady działania.

W tym momencie rodzi się pytanie, czy typ wyzwalacza ma w ogóle jakieś znaczenie, rozpatrując instalacje elektryczne przez pryzmat polskich norm?

Drugie pytanie, na które ma za zadanie odpowiedzieć ten artykuł: czy na rynku dostępne są wyłączniki bazujące na każdym z opisanych typów?

Wyzwalacz różnicowy ma za zadanie wyzwolić (wyłączyć) urządzenie zabezpieczające, np. wyłącznik różnicowoprądowy RCCB, wyłącznik różnicowo-nadprądowy RCBO, wyłącznik kompaktowy MCCB (za pośrednictwem przekaźnika różnicowego MRCD oraz cewki wybijakowej zabudowanej w wyłączniku kompaktowym) w momencie pojawienia się upływności prądu do ziemi, w sieci TN-S.

Upływność ta może być spowodowana uszkodzeniem przewodu bądź urządzenia zasilanego z sieci elektrycznej co w rezultacie prowadzi do wystąpienia zagrożenia porażeniem prądem elektrycznym użytkownika instalacji bądź samego urządzenia elektrycznego, jak również zagrożenia pożarowego. Ze względu na przedstawione zagrożenia, ważne jest żeby urządzenie zabezpieczające przed wystąpieniem prądu w niezawodny i skuteczny sposób chroniła nas przed skutkami przepływu prądu przez nasze ciało.

Powszechnie dostępne na całym świecie zabezpieczenia różnicowoprądowe możemy podzielić na dwa typy, ze względu na budowę i zasadę działania zastosowanego wyzwalacza różnicowego.

1. Wyzwalacz o działaniu pośrednim (zależny od napięcia zasilania) – typ elektroniczny ELE
2. Wyzwalacz o działaniu bezpośrednim (niezależny od napięcia zasilania) – typ elektromechaniczny ELM

Wyzwalacz elektroniczny ELE

Pierwszym typem wyzwalacza różnicowoprądowego jest konstrukcja elektroniczna, zależna od napięcia zasilania, na której bazowały pierwsze konstrukcje wyłączników sięgające roku 1950. Obecnie w układzie wyzwalania tego typu wyłączników zastosowany jest układ elektroniczny będący wzmacniaczem sygnału (prądu różnicowego, indukowanego na uzwojeniu wtórnym przekładnika Ferrantiego).

Zastosowanie układu wzmacniającego umożliwia użycie przekładnika, który generuje sygnał o mniejszej mocy (taki przekładnik jest fizycznie mniejszy co za tym idzie całe urządzenie zabezpieczające może mieć mniejszy gabaryt).

Dużym zagrożeniem w tym przypadku jest zależność całego układu od napięcia panującego w chronionym obwodzie.

Gdy wartość napięcia spadnie poniżej pewnej wartości (podawanej przez każdego producenta zabezpieczeń różnicowych o działaniu pośrednim), urządzenie nie zapewnia ochrony przed przepływem prądu różnicowego. Dodatkowo funkcje ochronne utracone są również wraz z przerwaniem przewodu neutralnego. Urządzenie opierające się na wyzwalaczach elektronicznym (ELE) powszechnie stosowane są w Ameryce (jako zabezpieczenia GFCI ang. ground fault circuit interrupter).

Zaleta:

• Mniejszy gabaryt całego urządzenia zabezpieczającego

Istotna wada:

• Brak funkcji ochronnych przy obniżonym napięciu zasilania, bądź przerwaniu przewody neutralnego N

Wyzwalacz elektromagnetyczny ELM

Zabezpieczenia różnicowoprądowe dostępne na rynku polskim to w przewadze urządzenia oparte na wyzwalaczach elektromechanicznych (niezależne od napięcia zasilania).

Wyzwalacz o działaniu bezpośrednim charakteryzuje się brakiem zależności jego funkcji ochrony od napięcia zasilania zabezpieczanego obwodu.

W obwodzie wyzwalania takiego urządzenia nie występuje wzmacniacz prądowy, który potrzebowałby dodatkowego zasilania z sieci. Zostało to osiągnięte dzięki rozwojowi materiałów ferromagnetycznych, z których wykonane są przekładniki różnicowe.

W przekaźniku spolaryzowanym, na którym opiera się działanie całego wyłącznika, indukuje się strumień magnetyczny na skutek przepływu prądu różnicowego, który osłabia stały strumień magnetyczny magnesu trwałego, podtrzymującego mechaniczny zamek wyłącznika. Po przekroczeniu zadanego poziomu prądu różnicowego (I_Δn, np. 30 mA) strumień magnetyczny magnesu trwałego, który podtrzymuje zamek mechaniczny wyłącznika w normalnym stanie pracy urządzenia, zostaje osłabiony na tyle, że następuje odpadnięcie zwory. Tym samym następuje rozłączenie obwodu elektrycznego (odłączenie zasilania od odbiornika energii elektrycznej). Schemat blokowy tego typu wyzwalacza przedstawiony jest poniżej.

Zaletami tego rozwiązania są:

1. Brak zależności funkcji ochronnych od napięcia zasilania (nieczułe na zapady napięcia)
2. Zapewnia ochronę w przypadku przerwania przewodu neutralnego N
3. Wysoka odporność na zakłócenia elektromagnetyczne EMC (brak elektronicznego wzmacniacza), oraz przepięcia

Wyłącznik kombinowany

Dlaczego zwracamy uwagę na opisane powyżej, dwa typy wyzwalaczy różnicowych?

Szczególnym wykonaniem zabezpieczeń różnicowoprądowych są wyłączniki kombinowane / różnicowo-nadprądowe (RCBO – residual current circuit breaker with overcurrent protection). Są to urządzenia, które w jednej obudowie łączą funkcje ochronne urządzeń nadprądowych (ochrona przez zwarciem i przeciążeniem) oraz urządzenia różnicowoprądowego.

Klasyczne wyłączniki kombinowane dostępne w Polsce i całej Europie to wykonania 1-fazowe (1-faza + przewód neutralny N) o szerokości 2 modułów montażowych (36 mm). Są to wyłączniki, które bazują na wyzwalaczu różnicowym elektromechanicznym, zgodne są z normą PN-EN 61009-2-1.

Wyłączniki różnicowoprądowe z wbudowanym zabezpieczeniem nadprądowym do użytku domowego i podobnego (RCBO) — Część 2-1: Stosowanie postanowień ogólnych do wyłączników RCBO o działaniu niezależnym od napięcia sieci.

Wyłączniki o działaniu pośrednim (zależne od napięcia zasilania / elektroniczne) dominują w Ameryce, Wielkiej Brytanii i kilku krajach azjatyckich, zastosowanie ich jest niedozwolone natomiast w Niemczech. Na rynku polskim nie ma zharmonizowanej normy produktowej, dotyczącej wyłączników kombinowanych z wyzwoleniem pośrednim (międzynarodowa norma IEC 61009-2-2), co sugeruje, że ich sprzedaż oraz stosowanie w polskich instalacjach elektrycznych powinno być niedopuszczalne.

Wyłączniki kombinowane elektroniczne najczęściej wykonane są jako aparat 1-modułowy (18 mm szerokości). Są to urządzenia, które większość producentów posiada w swoim portfolio, jednak ogranicza ich dostęp na kraje, gdzie dopuszcza się ich stosowanie.

Niestety w Polsce można spotkać się z wyłącznikami RCBO ELE (różnicowo-nadprądowe, elektroniczne, zależne od napięcia zasilania). Z wyżej przedstawionych powodów nie powinno mieć to miejsca. Należy zachować ostrożność w przypadku, gdy trafiamy na ofertę wyłączników kombinowanych o szerokości 1-modułu montażowego i szczegółowo zapoznać się z informacjami technicznymi.

Wyłącznik kombinowany 1-modułowy

Pierwszym i na chwilę obecną jedynym producentem oferującym wyłączniki różnicowo-nadprądowe (RCBO) zgodne z Polskimi Normami (wyzwalacz różnicowy w wykonaniu bezpośrednim) jest firma SIEMENS, wyłączniki serii 5SV1, z rodziny SENTRON.

Od stycznia 2019 roku na rynku polskim dostępne są wyłączniki kombinowane w zakresie prądów 2 A – 16 A, które odznaczają się wąską obudową (1+N, 1-moduł montażowy; 18 mm). Dzięki wąskiej konstrukcji możliwa jest optymalizacja miejsca w rozdzielnicach, które wyposażone są w dużą ilość obwodów indywidualnie zabezpieczanych wyłącznikami różnicowo-nadprądowymi. Dodatkowo przygotowano dedykowane szyny łączeniowe, które upraszczają połączenie nowych wyłączników w rozdzielnicy. 

Szyna 3-fazowa + N, przekrój 10 mm², dla 12 wyłączników jednomodułowych 1+N 18 mm (5SV1, 5SV6, 5SY60).

Równoległa seria 5SU1 to wyłączniki kombinowane RCBO o maksymalnym prądzie znamionowym 40 A.

Firma Siemens posiada w swojej ofercie również wyłączniki RCBO ELE (elektronicze), jednakże nie przewiduje ich sprzedaży na rynku Polskim.

Korzyści

Kto najwięcej skorzysta stosując nowe wyłączniki różnicowo-nadprądowe 5SV1, w wykonaniu jednomodułowym?

Wyobraźmy sobie dom, który zgodnie z wizją mieszkańców / właścicieli stał się „inteligentnym domem”. Taki dom powinien być „przyjazny” dla jego mieszkańców, zapewniać najwyższy poziom komfortu oferując niezliczone zautomatyzowane funkcje. Jednakże podstawą takiego budynku powinna być niezawodna, klasyczna instalacja elektryczna, która z jednej strony chroni budynek oraz jego mieszkańców lecz z drugiej strony zapewnia pewne działanie systemów automatyki domowej.

Czym może grozić wyzwolenie wyłącznika różnicowoprądowego w „inteligentnym domu”, jeśli zabezpiecza on całą instalację?

Uszkodzenie w którymkolwiek z obwodów elektrycznych, powodujące przepływ prądu różnicowego spowoduje wyłączenie zasilania w całej instalacji elektrycznej, doprowadzając do de-aktywacji większości, jak nie wszystkich (w przypadku braku zasilania rezerwowego) funkcji inteligentnego domu.

Jak zabezpieczyć się przed takim „black out’em”? Podstawą powinno być zastosowanie indywidualnej ochrony różnicowoprądowej w instalacji elektrycznej.

To właśnie w tym miejscu rozpatrujemy konieczność stosowania wyłączników różnicowo-nadprądowych (kombinowanych) w rozdzielnicy niskiego napięcia. Biorąc pod uwagę, że rozdzielnica elektryczna w przypadku inteligentnego domu posiada znaczną ilość odpływów końcowych, redukując wielkość wyłączników kombinowanych, redukujemy wymagane miejsce na ich zainstalowanie, czyli zmniejszamy gabaryty obudowy rozdzielnicy.

Zabezpieczenie przed iskrzeniem

Dodatkowo, wyłącznik 5SV1 posiada możliwość rozbudowy o człon AFDD (urządzenie do wykrywania zwarć łukowych) firmy Siemens typ 5SM6. Uzyskujemy tym samym dodatkową ochronę przed niebezpiecznym iskrzeniem w instalacji elektrycznej.

Kompletny zestaw składający się z wyłącznika 5SV1 i detektora 5SM6 zajmuje tylko dwa moduły montażowe (36 mm) będący tym samym najmniejszym dostępnym na rynku zabezpieczeniem tego typu.

Mgr inż. Łukasz Barton
Młodszy Specjalista ds. Wsparcia Technicznego w Siemens Sp. z o.o. | Aparatura modułowa nN

Profil autora na Linkedin