Wstęp
Wyłączniki różnicowoprądowe, zwane popularnie „różnicówką” lub zabezpieczeniem RCD, są obecnie podstawowym zabezpieczeniem instalacji elektrycznych przed porażeniem prądem oraz niekontrolowanym jego przepływem. Ogólna zasada ich działania polega na pomiarze różnicy pomiędzy prądem który dopływa do instalacji w przewodzie fazowym, a prądem, który wraca do sieci przewodem neutralnym. Jeśli instalacja jest sprawna, nie ma „przebicia” i nie dochodzi do upływu prądu poprzez np. obudowę urządzeń do instalacji uziemiającej, różnica ta wynosi 0A. Jeśli w przewodach wystąpi uszkodzenie izolacji, zwarcie, przebicie na obudowę, itp. powstanie „prąd upływu”. Jego wartość może być bardzo różna, przy zwarciach będzie np. bardzo duża i zadziałać może wyłącznik nadprądowy. Przy uszkodzeniach izolacji, prąd upływu może mieć niewielką wartość, która nie zostanie „wykryta” przez wyłączniki nadprądowe. W takim przypadku w instalacji wystąpi pobór prądu wykazany przez licznik, chociaż praktycznie wyłączone były wszystkie urządzenia. W sytuacjach skrajnych przebicie na obudowie urządzeń i pojawienie się na nich napięcia, może prowadzić do porażenia prądem użytkownika. Wyłącznik różnicowoprądowy wyłączy w takim wypadku prąd, jeśli wartość upływu przekroczy znamionową wartość wyłącznika (zwykle 30mA). W artykule o budowie wyłącznika, jego rodzajach, zasadach działania i zasadach montażu w tablicach rozdzielczych.
Czy różnicówka zawsze chroni?
Wyłączniki różnicowoprądowe stosowane w domkach jednorodzinnych i mieszkaniach mają próg zadziałania ustawiony na 30mA. Czy taki prąd jest niegroźny dla człowieka? Otóż nie do końca. Poniżej przedstawiam wartości progowe i ich oddziaływanie na organizm człowieka.
Graniczne wartości prądów rażeniowych przemiennych i stałych (według BEZEL)
1) Próg odczuwania (percepcji) – jest to minimalna odczuwana przez człowieka wartość prądu:
a) przemiennego 50 Hz: Ip = 0.5 mA,
b) stałego: Ip = 2mA;
2) Próg samouwolnienia – jest to maksymalna wartość prądu, przy której osoba trzymająca elektrodę może samodzielnie uwolnić się spod napięcia:
a) przemiennego 50 Hz: Is = 10 mA,
b) stałego: Is = 30 mA – tylko przy skokowych zmianach kierunku przepływu prądu;
3) Próg fibrylacji – jest to maksymalna wartość prądu, przy której nie wystąpi fibrylacja komór serca:
a) przemiennego 50 Hz: dla t < 0,1s If = 500 mA i dla t >1s If = 30 mA,
b) stałego: dla t < 0,1s If = 500 mA, dla t >1s If = 120 mA.
Jak widać z powyższego, tzw. próg samouwolnienia wynosi najczęściej około 10mA. Większe prądy mogą spowodować skurcz mięśni i porażony nie ma możliwości samodzielnego uwolnienia się spod napięcia. Wartości te zależą oczywiście od indywidualnych predyspozycji poszczególnych osób. Wartość 30mA wydaje się więc stosunkowo duża, chociaż nie powoduje jeszcze migotania komór serca, chyba, że przepływ będzie trwał kilka sekund. A co, jeśli przepływ wynosi mniej niż 30mA, np. między 10-30mA? Prąd nas porazi, poczujemy skurcz mięśni i nie będzie to wcale przyjemne. Przy dłuższym przepływie, jeśli się nie uwolnimy, może dojść do oparzeń termicznych. Co wtedy z wyłącznikiem? No cóż, nie wyłączy prądu, bo jego próg zadziałania to właśnie 30mA. Wbrew pozorom prąd o natężeniu <30mA wcale nie jest taką rzadkością. Wystarczy, że dotykając do obudowy pod napięciem mamy suche ręce i np. gumowe klapki na nogach. Opór jaki wtedy stawia ciało może wynieść nawet> 10.000 omów. W takim wypadku „różnicówka” nas nie ochroni.
Wyłącznik różnicowoprądowy nie ochroni nas także przy bezpośrednim zwarciu między przewodem neutralnym i fazowym, gdy odbiornikiem jest nasze ciało. W takim przypadku stanowimy zamkniecie obwodu elektrycznego i nie wystąpi prąd upływu, tym samym różnicówka nie wyłączy prądu. Oba przypadki bardzo dobrze opisał i zilustrował na swoim blogu Pan Radosław Jachym (rys. poniżej).
Rys. Dwa przypadki porażenia prądem w instalacji z „różnicówką”. Po lewej przy przepływie prądu doziemnym i bardzo dużym oporze ciała, po prawej przy przepływie bezpośrednio przez ciało człowieka. (rys. www.elektrykadlakazdego.pl).
Gdzie można stosować?
Wyłączniki różnicowoprądowe mogą być stosowane w układach instalacji w których występuje osobny przewód ochronny PE. Są to układy typu TN-S, TN-C-S, TT. W starych instalacjach dwużyłowych typu TN-C stosowanie tego typu zabezpieczenia jest zabronione. Wyłącznik w takim wypadku nie wykryje np. przebicia na obudowie, bo obudowa połączona jest przewodem ochronnym z przewodem neutralnym. W razie przebicia, w układach TN-C prąd popłynie poprzez obudowę z powrotem do sieci i z punktu widzenia wyłącznika nie wystąpi jego upływ do ziemi. Do sieci wróci ta sama ilość elektronów, jaka wpłynęła do instalacji.
Rodzaje wyłączników różnicowoprądowych
Wyłączniki RCD wykonywane są jako dwupolowe, dla instalacji jednofazowych i czteropolowe dla instalacji trójfazowych z przewodem neutralnym. Dopuszcza się przy tym wykorzystanie wyłączników czterobiegunowych w obwodach jednofazowych, pod warunkiem przyłączenia przewodów L i N w sposób zapewniający działanie obwodu kontrolnego. Biorąc pod uwagę powyższe możemy też sklasyfikować wyłączniki RCD na napięcie znamionowe 230V i 400V.
Fot. Wyłączniki RCD, od lewej dwubiegunowy w wersji prawej i lewej, czterobiegunowy do instalacji trójfazowych.
Znamionowy prąd różnicowy zadziałania
Zalecane wartości znamionowego prądu różnicowego zadziałania (IΔn) wyłączników różnicowoprądowych są następujące: (0,006)* – (0,01)** – 0,03 – 0,1 – 0,2 – 0,3 – 0,5 – 1 – 2 – 3 – 5 – 10 – 20 – 30 A,
przy czym:
* stosowane w instalacjach o napięciu nieprzekraczającym 120 V i tylko do obwodów odbiorczych (standard amerykański),
** stosowane w Polsce w instalacjach 230 V, w wyjątkowych okolicznościach
Prąd znamionowy ciągły
Prąd znamionowy ciągły (In) jest największym prądem jakim wyłącznik może być obciążony długotrwale w stanie zamkniętym. Znormalizowane wartości prądu znamionowego ciągłego są następujące: 6,10,13,16,20,25,32,40,50,63, 80,100, 125 A. Produkowane są również wyłączniki RCD na prądy znamionowe ciągłe: 160, 200, 250, 400, 630 A.
Częstotliwość znamionowa
Częstotliwość znamionowa (f) zwykłych wyłączników różnicowoprądowych wynosi: 50 i/lub 60 Hz.
Wyłączniki różnicowoprądowe zbudowane d
o stosowania w instalacjach elektrycznych o innych częstotliwościach są odpowiednio oznaczone. Wyłącznik bez oznaczonej częstotliwości prądu nadaje się do obwodów 50 Hz (60 Hz).
Obciążalność zwarciowa
Ze względu na obciążalność zwarciową rozróżnia się następujące rodzaje wyłączników różnicowoprądowych:
a) wyłączniki różnicowoprądowe bez wyzwalaczy nadprądowych (RCCB) o zdolności wyłączania co najmniej równej 10-krotnej wartości prądu znamionowego ciągłego, ale nie mniejszej niż 500 A. Takie wyłączniki należy dobezpieczyć. Największy dopuszczalny prąd znamionowy wkładki bezpiecznikowej jest związany z wytrzymywanym przez wyłącznik różnicowoprądowy skutkiem cieplnym prądu zwarciowego i wytrzymywaną wartością szczytową prądu zwarciowego. Jeżeli jako dobezpieczenie zastosowano wyłącznik nadprądowy, to powinien on ograniczać prądy zwarciowe w stopniu nie gorszym niż bezpiecznik podany przez producenta;
Fot. (u góry) wyłącznik różnicowoprądowy typu RCBO z członem nadmiarowym B20.
b) wyłączniki różnicowoprądowe z wyzwalaczami nadprądowymi (RCBO) o zdolności wyłączania porównywalnej z wyłącznikami nadprądowymi. Takie wyłączniki oznaczone są symbolem graficznym, który informuje o znamionowym prądzie zwarciowym umownym. W sumie jest to połączenie różnicówki z wyłącznikiem nadprądowym, odpowiednio droższe w handlu.
Rys. Wyłącznik różnicowoprądowy. Ozn. 1-przycisk ręcznego wyzwalacza, 2-włącznik, 3-napięcie znamionowe pracy, 4- dopuszczalna temperatura pracy „mrozoodporność” (tutaj -25C), 5- dopuszczalne natężenie prądu zwarciowego 6000A, 6- czułość 30mA, 7- dopuszczalny prąd pracy znamionowy (tutaj 40A)
Ze względu na czułość
Ze względu na czułość (wartość prądu znamionowego) wyłączniki różnicowoprądowe dzielą się na:
a) wysokoczułe – znamionowy prąd różnicowy IΔn ≤ 30 mA,
b) średnioczułe, – znamionowy prąd różnicowy 30 mA < I Δn ≤ 500 mA,
c) niskoczułe, – znamionowy prąd różnicowy IΔn > od 500 mA.
Ze względu na opóźnienie wyzwalania
Ze względu na opóźnienie wyzwalania rozróżnia się:
a) wyłączniki bezzwłoczne – bez określonego czasu przetrzymywania i bez dodatkowych oznaczeń,
b) wyłączniki krótkozwłoczne – o gwarantowanym czasie podtrzymywania co najmniej 10 ms, nadające się do obwodów odbiorczych o dużym przejściowym prądzie różnicowym, oznaczone: G lub VSK, KV, KVP, Hpi, HI,
c) wyłączniki zwłoczne – nazywane też wyłącznikami selektywnymi, o gwarantowanym czasie przetrzymywania co najmniej 40 ms, zapewniające wybiórczość działania z wyłącznikami bezzwłocznymi bądź krótkozwłocznymi, oznaczone na obudowie literą S.
Zasady montażu
Wyłączniki różnicowoprądowe nie zabezpieczają instalacji przed skutkami cieplnymi przepływu prądu. Nie mogą więc stanowić jedynego zabezpieczenia instalacji. Pomiędzy RCD a odbiornikiem musi się jeszcze znaleźć wyłącznik nadprądowy. Jest jeden wyjątek, to wyłączniki zwane potocznie combo, czyli wyłączniki różnicowo-nadprądowe typu RCBO. Ich stosowanie oszczędza miejsce w rozdzielnicy, są jednak dużo droższe. Ich uszkodzenie wymaga też wymiany całego elementu.
Jak to połączyć?
Na początek instalacja jednofazowa i kilka obwodów, np. jeden obwód gniazd wtykowych i dwa gniazd oświetleniowych (rys. poniżej).
Elektryk powie, że nie powinno się mieszać różnych obwodów i do jednej różnicówki podłączać dwa typy wyłączników nadprądowych. Przy dużej i rozległej instalacji na pewno. Pamiętajmy, że jeden wyłącznik na całą instalację powoduje, że jakiekolwiek problemy w jednym jej miejscu powodują stałe wyłączanie prądu w całej instalacji. Korzystniej jest więc zamocować kilka wyłączników różnicowoprądowych, np. osobno do oświetlenia, osobno do gniazd wtykowych, kolejny do garażu, piwnicy czy kotłowni. W domku jednorodzinnym nasza tablica może być naprawdę mocno rozbudowana. Na rysunku powyżej w pierwszej kolejności przewód fazowy i neutralny podłączone są do RCD. Przewód ochronny PE biegnie niezależnie i podpięty jest do listwy zaciskowej PE. Za wyłącznikiem RCD przewód fazowy łączymy z wyłącznikami nadprądowymi, a neutralny N podpinamy do listwy zaciskowej N. Tam też sprowadzamy potem wszystkie przewody neutralne z instalacji. Przewody fazowe łączymy z drugiej strony wyłączników nadprądowych z przewodami fazowymi obwodów instalacji. Prąd płynie kablem zasilającym na wyłącznik różnicowoprądowy, następnie na wyłączniki nadprądowe, zasila instalację i przewodami neutralnymi wraca poprzez RCD z powrotem do sieci.
W powyższej instalacji mamy niezgodność amperażu wyłącznika RCD z wyłącznikami nadprądowymi. W skrajnej sytuacji, maksymalnie obciążonych wyłączników, może popłynąć prąd o natężeniu 36A, a RCD ma tylko 32A. Należy na to zwracać uwagę przy doborze RCD i w rozdzielni przed RCD zastosować dodatkowy wyłącznik nadprądowy.
Teraz dwie różnicówki
Takie rozwiązanie jest korzystniejsze z punktu bezpieczeństwa działania instalacji. Każda różnicówka chroni inny jej fragment. Sposób podłączenia jest podobny. Trochę inaczej podpięto tylko przewód neutralny N. Przewód sieciowy wpięty jest najpierw do listwy, a stąd łączy się z wyłącznikami RCD. Za wyłącznikiem poprzez łączówki podpięty jest do przewodów neutralnych obwodów instalacji. Zwracam też uwagę na odwrotne zasilanie wyłączników nadprądowych. Z jednej różnicówki zasilane są od dołu, a z drugiej od góry. Nie ma to żadnego znaczenia dla ich działania, bowiem są symetryczne.
Róźnicówka trójfazowa
Rys. Schemat instalacji trójfazowej z wyłącznikiem różnicowoprądowym. Ozn. 1- wyłącznik nadprądowy trójfazowy, 2-wyłącznik RCD trójfazowy.
W instalacji trójfazowej stosowane są wyłączniki RCB trójfazowe, czteropolowe. Producent zaznacza na obudowie poszczególne fazy i miejsce podpięcia przewodu neutralnego. W jaki sposób taka różnicówka zlicza prąd powracający do sieci, skoro są aż trzy przewody fazowe? Zliczanie jest metodą wektorową. Sumowane są wektory prądów płynących do instalacji na wszystkich trzech fazach, a od nich odejmowany jest wektor prądu powracającego przewodem neutralnym.