Ozemljitev in zaščita pri okvarah v TT razdelilnih sistemih

Pomemben element pri zaščiti človeka (tudi imetja in živali) pred vplivi električnega toka je ozemljitev dela – to je točke električnega napajalnega sistema in ozemljitev izpostavljenih prevodnih delov.

Ozemljitev točke električnega napajalnega sistema (npr. transformatorske postaje 20/0,4 kV iz katere se napaja objekt) je pomemben element pri zaščiti človeka (tudi imetja in živali) pred vplivi električnega toka. Prav tako pa je tudi ozemljitev izpostavljenih prevodnih delov pomemben element zaščite. Izpostavljeni prevodni del (na primer ohišje 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

Kakšen bo dovoljen napajalni sistem določa distributer električne energije v svojem soglasju za priključitev na omrežje. To soglasje se izda že pred gradbenim dovoljenjem in se ga morajo držati tako projektanti kot izvajalci električnih inštalacij. V prispevku  bi se omejil na TT napajalni sistem, ki se pogosto uporablja tudi pri stanovanjskih objektih.

1. črka v označbi pomeni odnos napajalnega sistema proti zemlji; »T« črka pomeni, da je nevtralna točka transformatorja (zvezdišče nizkonapetostnega navitja trifaznega transformatorja) neposredno povezana z zemljo. Povezava z zemljo je običajno izvedena z pocinkanim valjancem v obliki dveh obročev in štirih krakov. To ozemljilo se nahaja v zemlji pod-okoli transformatorske postaje 20kV/0,4 kV na ustrezni globini.
2. črka pomeni odnos izpostavljenih prevodnih delov električne inštalacije (npr. ohišij električnih naprav) proti zemlji.

Tako 2. črka  T pomeni, da je izpostavljeni prevodni del neposredno ozemljen, neodvisno od ozemljitve napajalnega sistema  (Slika 1)

Za TT sistem ozemljevanja je torej značilno, da ima obratovalno ozemljitev transformatorske postaje ločeno od zaščitne ozemljitve, ki se nahaja v zemlji oziroma temelju objekta.. Nevtralna točka napajalnega sistema-zvezdišče transformatorja je ozemljena direktno.

Slika 1: TT napajalni sistem glede ozemljitve

V TT – sistemu (slika 1) se praviloma zaščita s samodejnim odklopom napajanja izvaja s stikalom na diferenčni tok (RCD stikalo). Slika 2 prikazuje primer RCD stikala 25/0,03 A.

Slika 2: RCD stikalo 25 A/0,03A

Slika 3: 4 polno RCD stikalo v TT napajalnem sistemu (princip delovanja-potek okvarnega toka)

Ker v TT sistemu RCD stikalo služi kot zaščita pred električnim udarom s samodejnim odklopom napajanja v električnih inštalacijah, poskušajmo to razložiti. RCD stikalo se vedno aktivira pri toku, ki se pojavi pri določeni napaki  Tako v napajalnem sistemu  TT (slika 3), pri okvari na posamezni napravi oziroma porabniku (na primer vodnik pod napetostjo pride v stik z ohišjem elektromotorja, kar bi lahko bilo zelo nevarno za uporabnika). Okvarni tok steče preko ohišja motorja po zaščitnem vodniku (PE vodnik), nadalje preko zaščitne ozemljitve (R_A), ki je pri objektu, potem po zemlji do obratovalne ozemljitve (Ro) transformatorske postaje, potem pa po nizkonapetostnem navitju transformatorja in po faznem vodniku (preko nizkonapetostnega omrežja in sami nizkonapetostni inštalaciji) do porabnika. To predstavlja električni krog našega okvarnega toka. Vsa kovinska ohišja električnih naprav so namreč ozemljena z zaščitnim vodnikom, kjer je izolacija rumeno zelene barve.  V RCD stikalu pride tako do nesimetrije električnega toka, saj vsota pritekajočih tokov ni enaka odtekajočim in RCD  stikalo izklopi v času pod 30 ms, kar je zelo pomembno za varnost ljudi. Razlika tokov je znana pod imenom diferenčni tok. Če diferenčni tok preseže vrednost potrebno za sprožitev izklopilnega mehanizma RCD ja, bo RCD izklopil tokokrog. Na sliki 3  je prikazano štiripolno RCD stikalo (40 A/0,03), oziroma z diferenčnim tokom (I_Dn) 0,03 A. V tem primeru bo RCD stikalo izklopilo med 0,015A in 0,03 A oziroma med 15 in 30 mA, če je RCD stikalo običajno (tip AC). V našem primeru, kjer imamo RCD stikalo 30 mili ampersko, imamo poleg zaščite pri okvari tudi zaščito pred neposrednim dotikom, saj če bi se nehote direktno dotaknili faznega vodnika, bi RCD stikalo preprečilo skozi človeka večji tok od 30 mA, kar pa po teoriji ni smrtno nevarno.

Iz slike 3. se tudi  vidi zakaj je v TT sistemu praviloma vedno RCD stikalo. Zelo težko je doseči, da bi taljiva varovalka ali inštalacijski odklopnik prekinil v predpisanem kratkem času (na primer pod 1 s), saj velikost okvarnega toka, po Ohmovem zakonu, zmanjšuje naslednja vsota, ki je (= upornost zaščitnega ozemljila R_A + upornost obratovalnega ozemljila R_O + upornost  samih vodnikov, tako faznega kot zaščitnega. Glej sliko 3). Večja upornost te okvarne zanke pa  pomeni, manjši okvarni tok in posledično daljši čas izklopa zaščitne naprave, kar pa ni po predpisih.

V TT - sistemu se morajo vsi izpostavljeni prevodni deli inštalacije (ohišja strojev, svetilk ...) medsebojno povezati s pomočjo  zaščitnega vodnika na isto skupno ozemljilo (zaščitno ozemljilo). V TT - sistemu inštalacij se okvarni tok, ki ga napaja fazna napetost, zaključi preko poškodovane naprave, zaščitnega (PE) vodnika, upornostjo zaščitnega ozemljila R_A in zemlje do obratovalnega ozemljila transformatorja R_O in nato v faznem navitju faze, ki napaja mesto napake. Če je ta tok večji (oziroma že v mejah, odvisno od tipa RCD stikala) od nazivnega diferenčnega stikala, bo RCD - stikalo izklopilo. Ker na tej poti predstavlja vsota upornosti ozemljila izpostavljenih prevodnih delov in zaščitnega vodnika izpostavljenih prevodnih delov R_A odločilno upornost (ostale se ne upoštevajo – so zanemarljive), moramo izpolniti naslednji pogoj:

                                           R_A×I_Dn£50

R_A - vsota upornosti ozemljila izpostavljenih prevodnih delov in zaščitnega vodnika  izpostavljenih prevodnih delov

I_Dn - nazivni diferenčni tok RCD – zaščitnega stikala v A

U_c -  dopustna napetost dotika 50 V

Ker v večini primerov znaša upornost zaščitnega vodnika v primerjavi z upornostjo ozemljila  zanemarljivo vrednost, lahko kontrolo ustreznosti zaščite s samodejnim odklopom napajanja izvedemo z računskim dokazom ustrezno male upornosti ozemljila. To naredi projektant. Seveda je po izvedbi inštalacije obvezna tudi meritev upornosti zaščitnega ozemljila. Zaščitna ozemljitev R_A mora biti tako manjša od 166 ohmov  pri 0,3 A diferenčnim nazivnem toku RCD – stikala, pri 30 mA RCD stikalu pa celo 1666 ohmov , kar ni težko doseči. Dejanska upornost prevodnih delov, vodnikov, kompleta z glavno izenačitvijo potencialov in z ozemljilom je praviloma znatno nižja  in omogoča minimalno pričakovano napetost dotika.

Preglednik mora obvezno izvršiti tudi kontrolo oz. preskus delovanja zaščite pred električnim udarom s samodejnim odklopom napajanja. Ta meritev pokaže eventualne skrite napake, ki so lahko zelo nevarne za ljudi (npr. prekinjen zaščitni vodnik oz. ohišje nekega električnega aparata ni ozemljeno). Tako bo npr. v TT sistemu z RCD- stikalom napravil še naslednje meritve:

            - preizkus delovanja naprave s preizkusnim gumbom

            - preveriti pri umetni napaki pogoje delovanja naprave ( potrebno je ugotoviti, da je napetost dotika Uc < 50V oz. napetost, ki požene dovolj velik tok , da RCD stikalo izklopi, mora biti manjša od 50 V kar velja za razmere 1, za razmere 2 (npr. kopalnice) pa 25 V

            - merjenje upornosti zaščitne ozemljitve in ugotoviti njeno ustreznost R_A < 50 / I_Dn.

            -meritev  časa (časov) izklopa zaščitnega stikala t_D

-meritev dejanskega diferenčnega  toka pri katerem bo RCD stikalo izklopilo I_D