TN RAZDELILNI SISTEM GLEDE OZEMLJITVE IN ZAŠČITA PRI OKVARI
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 štedilnika), normalno ni pod napetostjo, ob okvari, če pa 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 Ker se v nizkonapetostnih distribucijskih omrežij najpogosteje uporablja sistem TN, v nizkonapetostnih električnih inštalacijah pa prevladujeta TN in TT sistem, bi se v prispevku omejil na TN napajalni sistem.
TN napajalni sistem
V TN sistemu prevladujejo tri vrste tega sistema glede na ureditev nevtralnega in zaščitnega vodnika, kar prikazuje slika 1.
Slika 1: TN-C, TN-C-S TN-S sistem
Sedaj pa razložimo kaj pomeni posamezna oznaka:
Prva 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 na ustrezni globini.
Druga črka pomeni odnos izpostavljenih prevodnih delov električne inštalacije proti zemlji;
V našem primeru, »N« črka pomeni, da so izpostavljeni prevodni deli neposredno povezani z ozemljeno točko napajalnega sistema – nevtralno točko transformatorja. (Glej slika 1).
Oznaka C pomeni, da je zaščitna in nevtralna funkcija združena v enem vodniku – PEN vodniku. (C -combined)
S oznaka pomeni, da je zaščitna in nevtralna funkcija izvedena z ločenima vodnikoma N -nevtralni vodnik (moder) in PE zaščitni vodnik (rumenozelena izolacija) (S-angleško separated)
Vodnik PEN (zaščitno nevtralni vodnik) je ozemljeni vodnik, ki opravlja funkcijo zaščitnega in nevtralnega vodnika hkrati. (slika 1). Mora pa imeti prerez najmanj 10 mm2, če je bakren oziroma 16 mm2, če je aluminijast. Ko se PEN vodnik v nekem delu električne inštalacije razdruži na N in PE vodnik, se več ne sme povezovati. Vodnika N takrat ne smemo več povezati z katerim koli ozemljenim delom inštalacije.
Slika 2. prikazuje neko razvejeno električno inštalacijo. Razdelilnik RG se napaja iz transformatorske postaje z štirižilnim kablom (L1, L2, L3,PEN), od tam pa se napajajo neki podrazdelilniki prav tako z štirižilnimi kabli prereza več kot 10 mm2. Tako bo oznaka na razdelilniku RG TN-C. Razdelilnik R1 pa se napaja z štirižilnim kablom, od tam pa se napajajo manjši pod razdelilniki z pet žilnimi kabli (L1, L2,L3, N, PE). Na razdelilniku bo pisala oznaka TN-C-S, saj se v tem razdelilniku (R1) loči PEN vodnik na vodnika N in PE. Do nekega pod razdelilnika R2 pa poteka pet žilni kabel prereza pod 10 mm2 od tam pa se napajajo različni enofazni porabniki manjših prerezov. Na tem razdelilniku pa bo pisala oznaka TN-S, saj ni na dovodu PEN vodnika.
.
Slika 2: napajanje različnih razdelilnikov in porabnikov v delu električne inštalacije-razlaga kdaj je na razdelilniku napis TN-C, TN--S ali TN-S
TN napajalni sistem- zaščita pri okvari
V TN - sistemu se izvaja zaščita ob okvari z naslednjimi napravami:
-z nadtokovno zaščito (varovalka, inštalacijski odklopnik, odklopnik)
-z diferenčno tokovno zaščito ( RCD stikalom)
TN z nadtokovno zaščito (varovalka, inštalacijski odklopnik, odklopnik)
V primeru TN napajalnega sistema zaščite s samodejnim odklopom napajanja z nadtokovno zaščito (varovalka, inštalacijski odklopnik, odklopnik) mora projektant računsko preveriti ustreznost zaščite pri okvari, pri pregledu električnih inštalacij pa mora preglednik z meritvijo projektantovo oceno potrditi.
Slika 3: TN sistem-zaščita pri okvari izvedena z inštalacijskimi odklopniki
Slika 4: inštalacijski odklopnik tip B16 A, ki izklopi v primeru okvare (slika 3)
Slika 3 prikazuje primer okvare v TN sistemu z nadtokovno zaščito (v našem primeru inštalacijski odklopnik-slika 4) na posamezni napravi oziroma porabniku (na primer vodnik pod napetostjo pride v stik z ohišjem štedilnika, kar bi lahko bilo zelo nevarno za uporabnika. Okvarni tok steče preko ohišja štedilnika po zaščitnem vodniku (PE vodnik), nadalje preko PEN vodnika, do 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. Ta naš električni tok je praktično po velikosti enak, kot bi bil pri enopolnem kratkem stiku med L in N vodnikom, razlika pa je v tem, da okvarni tok teče po PE vodniku. Tok teče, tam ko je najmanjša upornost, tako da tok preko ozemljitve pri objektu zanemarljiv.
Temeljni pogoj zaščite s samodejnim odklopom napajanja v TN - sistemu inštalacij je, da karakteristiko zaščitne naprave in impedanco tokokroga izberemo tako, da se ob okvari med faznim in zaščitnim vodnikom ali izpostavljenim prevodnim delom kjerkoli v inštalaciji, napajanje samodejno izklopi v določenem času. Impedanca okvarne zanke mora biti torej dovolj majhna, da steče dovolj velik tok, ki prekine tokokrog (izklop zaščitne naprave) 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. Ta zahteva je izpolnjena s pogojem:
ZS × Ia £ U0
ZS - impedanca okvarne zanke, ki zajema izvor napetosti (nizkonapetostno navitje transformatorja), fazni vodnik do mesta okvare in zaščitni vodnik oz. zaščitno nevtralni vodnik med mestom okvare in izvorom napetosti (slika 3)
Ia - tok, ki zagotavlja delovanje zaščitne naprave za avtomatični odklop v predpisanem času (npr. za tokokroge vtičnic, ki ne presegajo toka 32 A mora biti čas manjši od 0,4 sekunde, za razdelilne (napajalne) tokokroge in končne tokokroge nad 32 A pa manjši kot 5 sekund), če je fazna napetost 230 V in medfazna napetost 400 V
U0 - nazivna napetost proti zemlji (npr. 230 V)
V našem primeru lahko pričakujemo da bo v primeru okvare inštalacijski odklopnik prekinil napajanje v času krajšem kot 0,4 s.
TN z diferenčno tokovno zaščito (RCD stikalom)
RCD-zaščitna stikala vgrajujemo kot odklopne naprave tudi v TN-sistemu inštalacij, saj je v nekaterih tokokrogih njihova uporaba obvezna (npr. tokokrogi v kopalnicah, vtičnice na gradbiščih, za tokokroge požarno ogroženih prostorov ….). Včasih pa ne moremo zagotoviti ustrezno kratkega časa izklopa in si lahko pomagamo z RCD stikalom.
Pri zaščiti s TN sistemom instalacij z RCD stikalom izvajamo zaščito tako, da vse izpostavljene prevodne dele naprav povežemo z zaščitnim vodnikom na strani napajanja naprave za diferenčno tokovno zaščito (PE oziroma PEN vodnik uporabimo kot ozemljilo – glej sliko 5).
Slika 5: potek okvarnega toka v TN sistemu z RCD stikalom
V TN-sistemu inštalacij se okvarni tok, ki ga napaja fazna napetost, zaključi od poškodovane naprave preko zaščitnega (PE) in zaščitno-nevtralnega (PEN) vodnika preko nevtralne točke v energetskem viru – transformatorju, v faznem navitju faze, ki napaja mesto napake. Ta pot ima impedanco ZS, to je impedanco okvarne zanke. V tem primeru mora biti izpolnjen pogoj neenačbe:
kjer pomenijo:
ZS...impedanca okvarne zanke v W,
IDn...nazivni diferenčni tok tokovnega zaščitnega stikala ( RCD ) v A,
U0... nazivna napetost proti zemlji v V.
Iz neenačbe sledi, kolikšna sme biti impedanca okvarne zanke, glede na nazivni diferenčni tok uporabljenega RCD stikala.
Ker je dejanska impedanca zelo mala (< 2W). diferenčni nazivni toka pa je tudi mali (npr. 300 mA ) pogoj neenačbe brez težav uresničimo, problem bi lahko bil samo prekinjen zaščitni vodnik, kar pa se preveri z meritvijo.. Zaščito tako preverimo s kontrolo delovanja vgrajenega RCD-zaščitnega stikala, ki mora pri nazivnem diferenčnem toku stikala izklopiti inštalacijo (U0=230V) v t £ 0,4 s. kar pri uporabi RCD stikal ni težko uresničiti. Predhodno pa preverimo tudi z mehansko delovanje stikala s preskusno tipko, ki je na stikalu. (slika 6)
V RCD stikalu (slika 5) pride 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 5 je prikazano štiripolno RCD stikalo (40 A/0,3), oziroma z diferenčnim tokom (IDn) 0,3 A. V tem primeru bo RCD stikalo izklopilo med 0,15A in 0,3 A (če je tip AC). Ker je okvarni tok bistveno večji je izklop takojšen.
Slika 6: primer 2 polnega RCD stikalo tipa A z diferenčnim nazivnim tokom 0,3 A