IT RAZDELILNI SISTEM GLEDE OZEMLJITVE
Pomemben element pri zaščiti človeka (tudi imetja in živali) pred vplivi električnega toka je ozemljitev dela - točke električnega napajalnega sistema (npr. transformatorska postaja 20/0,4 kV iz katere se napaja objekt) in ozemljitev izpostavljenih prevodnih delov. Izpostavljeni prevodni del (na primer ohišje asinhronega motorja), normalno ni pod napetostjo, ob okvari, če fazni vodnik zaradi okvare pride v stik z ohišjem, pa je lahko nevarno, če se tega dela dotaknemo.
Glede na povezavo ozemljitev so dovoljeni naslednji sistemi napajanja:
-TN
-TT
- IT
V prispevku bi se omejili na IT napajalni sistem, ki se manj uporablja in je praktikom elektro stroke tudi manj poznan, zato je cilj prispevka dati osnovno informacijo o tem napajalnem sistemu.
IT napajalni sistem
Slika 1: IT sistem
1. črka v označbi IT pomeni odnos napajalnega sistema proti zemlji; »I« črka pomeni, da je nevtralna točka transformatorja (oziroma zvezdišče nizkonapetostnih navitij trifaznega transformatorja) izolirano proti zemlji (lahko je tudi povezano preko visoke upornosti-impedance). Torej vsi vodniki pod napetostjo (L1, L2, L3), pa tudi N-nevtralni vodnik, če obstaja so izolirani proti zemlji
2. črka pomeni odnos izpostavljenih prevodnih delov električne inštalacije (npr. ohišij električnih naprav, motorjev) proti zemlji.
Tako 2. črka T pomeni, da je izpostavljeni prevodni del (na primer ohišje motorja) neposredno ozemljen. (Slika 1)
V IT sistemu inštalacij pogosto nimamo nevtralnega vodnika , če pa ga že imamo, mora biti ščiten z odklopnikom, ki izklopi tako fazne kot nevtralni vodnik. Pojavlja se vprašanje, kje in zakaj, sploh uporabljati IT napajalni sistem glede ozemljitve. Za ta sistem se odločamo tam, kjer je neprekinjenost napajanja zelo pomembna. To je v rudnikih, delih metalurgije in kemijske industrije, v prostorih za specifične medicinske namene, kot so operacijske sobe, vojaške naprave… Seveda vsak specialni prostor ima tudi specifike, ki jih opisujejo posamezni standard za specialne prosorei, tako so na primer v medicinskih prostori specialni transformatorji z enofaznim napajanjem , vse pa deluje kot IT sistem. V nadaljevanju pa opisujem osnovno idejo IT sistema, ki pa velja za vse te prostore..
Osnovna ideja je, da v primeru prve napake (na primer vodnik pod napetostjo pride v stik z izpostavljenim prevodnim delom (npr. električna naprava v operacijski sobi bolnišnice), zaščitna naprava (varovalka, odklopnik) ne izklopi in tako ne prekine obratovanja. Seveda, če je bolnik na operacijski mizi mora biti to zanj varno, operacija se lahko nadaljuje, kar je pomembno, bolnik je uspešno operiran in preživi. Imamo pa neko nadzorno napravo (kontrolnik izolacije IMD- insulation monitoring devices), ki javi napako, in jo lahko vzdrževalci poiščejo in odpravijo, še preden morda pride do druge okvare, kjer pa mora obvezno nastopiti izklop napajanja.
Zaščita s samodejnim odklopom napajanja v IT sistemu
Slika 2: stik faznega vodnika z ohišjem neke električne naprave
Slika 2 prikazuje stik faznega vodnika z ohišjem neke električne naprave. Pojavlja se vprašanje ali lahko teče električni zemeljskostični tok. Nekateri bralci bi takoj pomislili, da tok teče pač po zemlji??? Vendar, če pozorno pogledamo sliko 2, električni tokokrog ni sklenjen, saj preko zemlje ni povezave do zvezdišča transformatorja. Torej bi bil po logiki električni tok 0 A. To pa spet ni čisto res, za kar pa je potrebno nekaj elektrotehniške teorije.
Slika 3: prikaz kapacitivnega toka pri prvi okvari (faza pride v stik z ohišjem)
Razmere pri prvi okvari
Zamislimo si, da nek energetski kabel napaja elektromotor v rudniku. Kabel poteka po kabelskih policah in se dotika obdajajoče zemlje, Vsak vodnik pod napetostjo je izoliran. Pri osnovah elektrotehnike smo se učili, da je kapacitivnost lastnost električno prevodnih teles, ki pod vplivom električne napetosti sprejmejo elektrino. Naša električno prevodna telesa so na eni strani fazni vodniki (tudi nevtralni , če ga imamo) in na drugi strani obdajajoča zemlja. Med zemljo in faznimi vodniki pa je izolacija. Tako je zgrajen tudi električni kondenzator. Seveda v naši električni inštalaciji ni nobenih kondenzatorjev, si pa lahko nekako v glavi predstavljamo neke dozemne kapacitivnosti med faznimi vodniki in zemljo. Če pogledamo sliko 3, okvarni tok, ki je pretežno kapacitivni tok Ic teče po faznem vodniku L1, preko ohišja motorja po zaščitnem vodniku PE, preko zaščitne ozemljitve RA in dozemnih kapacitivnosti po celi dolžini trase kabla med L2 in zemljo in L3 in zemljo. Seveda je ta tok izjemno mali, to je nekaj mA do nekaj 10 mA ali celo več 100 mA (npr, v rudnikih), predvsem je odvisen od dolžine kabla in prereza kabla. Večja dolžina in večji prerezi pomenijo večji kapacitivni tok.
Sedaj pa predpostavimo, da bi se nehote dotaknili ohišja motorja. Zaradi zgoraj navedenih pogojev bi teoretično bil lahko električni tok, tudi nevaren za človeka, vendar pa je tok zagotovo premajhen, da bi izklopil zaščitno napravo (varovalka, odklopnik, včasih tudi RCD). Projektant mora preveriti, da je produkt pričakovanega okvarnega toka in upornosti zaščitne ozemljitve manj kot 50 V, kar praviloma ni težko doseči z ustreznim dimenzioniranjem zaščitne ozemljitve, s tem pa zadostimo, da je varno za človeka, saj se ne more pojaviti nevarna napetost dotika. Zaščitna naprava pa vseeno ne izklopi. Imamo pa okvaro!!!
V IT sistemu je dovoljeno, da električno inštalacijo pri prvi okvari ne odklopimo, temveč lahko kasneje poiščemo napako in jo odpravimo. Da pa vemo, da napaka je, imamo napravo za nadzor izolacije (IMD- insulation monitoring devices), ki oddaja zvočni in/ali svetlobni signal tako dolgo, dokler traja okvara (danes so dodani tudi sodobnejši načini javljanja okvare- npr. vzdrževalec dobi SMS). Cilj je, da so vzdrževalci obveščeni, da obstaja okvara in po končanem delovnem procesu, kjer ne želimo, da pride do odklopa, napako odpravimo. Slika 4 prikazuje priklop kontrolnika izolacije (IMD- insulation monitoring devices), ki je nameščen nekem razdelilniku.
Slika 4: priklop naprave za nadzor izolacije (IMD- insulation monitoring devices) v IT sistemu
Omenimo, da je lahko kontrolnikov izolacije tudi več (po posameznih tokokrogih), saj s tem vzdrževalno osebje prej najde napako.
Razmere pri drugi okvari-skupna ozemljitev
Slika 5. prikazuje stanje, če pride v IT sistemu do druge okvare. Druga okvara pomeni, da je prišla še druga faza v stik z ohišjem ali pri istem porabniku ali pa pri drugem porabniku. Če pogledamo sliko 5 vidimo da je pri prvem porabniku prišla prva faza L1 v stik z ohišjem, pri drugem porabniku pa je prišla druga faza L2 v stik z ohišjem Ker sta oba porabnika ozemljena skupno z istim zaščitnim vodnikom, imamo v bistvu dvopolni kratek stik, toku pa bomo rekli okvarni tok, saj teče tudi po zaščitnem vodniku.
Slika 5: prikaz okvarnega toka pri drugi okvari v IT sistemu (skupno ozemljilo)
Slika 5 prikazuje primer okvare v IT sistemu z nadtokovno zaščito (v našem primeru taljiva varovalka) na posamezni napravi oziroma obeh porabnikih (na primer fazni vodnik L1 je prišel v stik z ohišjem prvega motorja, fazni vodnik pod L2 pa je prišel v stik z ohišjem drugega motorja. Okvarni tok steče preko prve faze do ohišja prvega motorja po zaščitnem vodniku (PE vodnik) do ohišja drugega motorja, nadalje tok teče po faznem vodniku L2 do nizkonapetostnega navitja druge faze transformatorja, potem pa po nizkonapetostnem navitju prve faze transformatorja in po faznem vodniku (preko nizkonapetostne inštalacije do prvega porabnika-motorja. To predstavlja električni krog našega okvarnega toka, ki teče po tako imenovani impedanci okvarne zanke (slika 5). V bistvu imamo dvopolni kratek stik, zaradi jasnosti pa govorimo o okvarnem toku, saj tok teče tudi po zaščitnem vodniku PE.
Temeljni pogoj v IT- sistemu inštalacij v primeru druge okvare (porabniki-skupinsko ozemljeni) je, da karakteristiko zaščitne naprave in impedanco tokokroga izberemo tako, da se ob primeru druge okvare (slika 5), napajanje samodejno izklopi v določenem času in to manj kot 5s. Impedanca naše okvarne zanke mora biti torej dovolj majhna, da steče dovolj velik tok, ki prekine tokokrog (izklop zaščitne naprave-varovalke, odklopnik) v predpisanem času. Zaščitni ukrep s samodejnim odklopom napajanja v primeru okvare na ta način preprečuje vzdrževanje napetosti dotika v takšnem trajanju, da bi lahko bilo uporabniku nevarno. Podobna logika je, kot v TN sistemu. V našem primeru bi seveda reagiralo tudi RCD stikalo, če bi ga imeli kot zaščitno napravo, saj vsota pritekajočih tokov ni enaka vsoti odtekajočih tokov. Pri RCD stikalu pa moramo biti pozorni da ne pride do izklopa pri prvi okvari, saj je lahko ta uhajavi tok večji kot diferenčni nazivni tok RCD stikala.
Vse zgoraj povedano, mora računsko prekontrolirati projektant, preglednik pa z meritvijo ugotoviti ali pogoj IT sistema glede zaščite pred električnim udarom ustreza.
Razmere pri drugi okvari-posamična ozemljila
Če pa pogledamo sliko 6 prav tako vidimo, da je pri prvem porabniku prišla prva faza L1 v stik z ohišjem motorja , pri drugem porabniku pa je prišla druga faza L2 v stik z ohišjem motorja. Tukaj pa sta oba porabnika ozemljena vsak na svojo ločeno ozemljilo. Tu pa je potek okvarnega toka drugačen. Okvarni tok teče po nizkonapetostnem navitju prve faze transformatorja in po faznem vodniku nizkonapetostne inštalacije do prvega motorja, od ohišja tega motorja po zaščitnem vodniku (PE vodnik) do zaščitne ozemljitve RA na katero je ozemljen prvi porabnik-motor, nadalje preko zemlje do zaščitne ozemljitve RA drugega porabnika potem do ohišja drugega motorja po PE zaščitnem vodniku, nadalje tok teče po faznem vodniku L2 do nizkonapetostnega navitja druge faze transformatorja. Tukaj pa je okvarni tok mnogo manjši kot prej, saj imajo zaščitne ozemljitve neko določeno upornost. Praviloma je okvarni tok premajhen, da bi izklopila nadtokovna zaščita v predpisanem času, si pa lahko pomagamo z RCD stikalom, ki pa mora biti s takim diferenčnim nazivnim tokom, da ne pride do izklopa pri prvi okvari (tok pri prvi okvari smo povedali, da je praviloma zelo mali), izklopi pa obvezno pri drugi okvari. Dovoljena napetost dotika je lahko največ 50 V. Podobno je kot v TT sistemu z RCD stikalom. V našem primeru iz slike 6 bi seveda reagiralo RCD stikalo, saj pri drugi okvari vsota pritekajočih tokov ni enaka vsoti odtekajočih tokov, okvarni tok pa mora biti večji od diferenčnega nazivnega, da RCD stikalo proži.
Slika 6: prikaz okvarnega toka pri drugi okvari v IT sistemu (posamična ozemljila)
Zaključek
IT sistem se uporablja manj, je pa iz projektantskega vidika precej zahteven, saj mora projektant računsko preveriti vse zgoraj naštete pogoje. Preglednik električne inštalacije pa mora z meritvijo preveriti ustreznost zaščite s samodejnim odklopom napajanja, tako v primeru prve okvare in pa seveda druge, kjer mora biti pozoren ali so porabniki skupinsko ozemljeni z istim zaščitnim vodnikom ali pa so ozemljeni na vsak svojo zaščitno ozemljitev.