ΜΕΣΑ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ

Transcript

1 ΜΕΣΑ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ 1

2 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΙΙ ΜΕΣΑ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ 1. ΓΕΝΙΚΑ Μια ηλεκτρική εγκατάσταση σχεδιάζεται με κριτήρια την ασφάλεια των ατόμων, την ασφάλεια των συσκευών, την αξιοπιστία, την καλή λειτουργικότητα και επεκτασιμότητα, την υπάρχουσα τεχνολογία, την οικονομική λειτουργία και το λογικό κόστος κατασκευής. Τα παραπάνω κριτήρια μπορεί να ιεραρχηθούν κατά περίπτωση, πάντως πρώτη προτεραιότητα δίνεται στην προστασία αρχικά της ζωής των ανθρώπων και στη συνέχεια της περιουσίας των από κινδύνους που μπορεί να εμφανιστούν κατά τη λειτουργία μιας ηλεκτρικής εγκατάστασης. Οι κίνδυνοι αυτοί είναι κυρίως οι παρακάτω: - Ηλεκτροπληξία. - Πυρκαγιά από βραχυκύκλωμα, ή από συσκευές υψηλής θερμότητας. - Έκρηξη λόγω σπινθήρων. Ο προσδιορισμός των μεθόδων και μέσων προστασίας σχετίζεται άμεσα με τη δομή του δικτύου διανομής χαμηλής τάσης (ΧΤ) της ΔΕΗ. Τα δίκτυα ΧΤ της ΔΕΗ τροφοδοτούνται από ένα μετασχηματιστή (ΜΣ) συνδεσμολογίας Dyn ή Yzn 15 ή 20 kv / 0.4 kv με αγείωτο τον ουδέτερο κόμβο της υψηλής τάσης (ΥΤ), σε περιπτώσεις Υ και γειωμένο ουδέτερο στη ΧΤ. Από το ΜΣ αυτό ξεκινούν διάφοροι κλάδοι, που μέσω των κατάλληλων ασφαλειών τροφοδοτούν ακτινικά τους καταναλωτές. Ηλεκτροπληξία μπορεί να προκληθεί από την άμεση ή έμμεση επαφή του ανθρώπου με ένα κύκλωμα. Άμεση επαφή είναι η περίπτωση που ακουμπά κάποιος έναν ηλεκτροφόρο αγωγό (φάση). Κατά την έμμεση επαφή ο άνθρωπος ακουμπά σε μεταλλικά μέρη κάποιας συσκευής, στα οποία εμφανίζονται ηλεκτρικές τάσεις συνήθως λόγω καταστροφής μονώσεων. Καθώς ο ουδέτερος του ΜΣ διανομής είναι γαλβανικά συνδεμένος με την γη, αρκεί η επαφή μόνο με έναν ηλεκτροφόρο αγωγό για να κλείσει κύκλωμα και να βρεθεί ο άνθρωπος υπό τάση. Πυρκαγιά μπορεί να προκληθεί, όταν, εξαιτίας ενός σφάλματος σε μία ηλεκτρική εγκατάσταση, κυκλοφορούν μεγάλα ρεύματα, τα οποία δε διακόπτονται έγκαιρα από τα υφιστάμενα μέσα προστασίας. Αυτό μπορεί να οφείλεται είτε σε αστοχία των μέσων προστασίας, είτε σε κακή διαστασιολόγηση όπου δεν έχουν επιλεγεί τα κατάλληλα μέσα προστασίας. Στις περιπτώσεις αυτές η εκλυόμενη θερμότητα Joule ( I 2 Rt ) μπορεί να προκαλέσει ανάφλεξη των μονώσεων των καλωδίων. Οι εθνικοί Κανονισμοί Εσωτερικών Ηλεκτρικών Εγκαταστάσεων (ΚΕΗΕ) καθώς και όλοι οι ξένοι Κανονισμοί (IEC,VDE,DIN,CENELEC,IEE,IEEE,NEC κλπ) προσδιορίζουν τις μεθόδους προστασίας δικτύων ΧΤ. Ειδικότερα από το 2002 έχει τεθεί σε ισχύ το πρότυπο ΕΛΟΤ HD384 που εναρμονίζει του Ελληνικούς κανονισμούς εσωτερικών ηλεκτρικών εγκαταστάσεων μέχρι 1 kv με τους αντίστοιχους της IEC. 2

3 2. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΜΟΡΦΗΣ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ Το βασικότερο στοιχείο στον προσδιορισμό του συστήματος προστασίας είναι η μορφή του δικτύου ηλεκτροδότησης. Το δίκτυο ΧΤ των επιχειρήσεων ηλεκτρισμού από το οποίο ηλεκτροδοτούνται οι εγκαταστάσεις των καταναλωτών μπορεί να αποτελείται από 3 ή 4 αγωγούς. Οι αγωγοί αυτοί είναι οι τρεις φάσεις του τριφασικού δικτύου και ο τέταρτος αγωγός είναι ο ουδέτερος, δηλαδή ένας αγωγός που συνδέεται με τον ουδέτερο κόμβο του τυλίγματος ΧΤ του μετασχηματιστή τροφοδοσίας. Όταν η εγκατάσταση είναι μονοφασική η τροφοδότησή της γίνεται χρησιμοποιώντας μόνο έναν αγωγό φάσης και τον ουδέτερο, ενώ γίνεται πρόβλεψη για την κατά το δυνατό συμμετρική κατανομή των μονοφασικών φορτίων στις τρεις φάσεις του δικτύου. Η βασική διαφορά έχει να κάνει με το σύστημα γειώσεων του δικτύου. Με τον όρο γείωση (earthing) εννοείται η αγώγιμη σύνδεση ενός σημείου του δικτύου με τη γη. Υπάρχουν συνήθως τα παρακάτω δίκτυα, τα οποία διαφέρουν ως προς τη γείωση του ουδέτερου σημείου της ΧΤ του μετασχηματιστή τροφοδοσίας και συνεπώς και του ουδέτερου αγωγού, όπως φαίνονται στο Σχ. 1. Σχ. 1. Μορφές δικτύων διανομής ΧΤ ανάλογα με τον τρόπο γείωσης του ουδετέρου. Τα δίκτυα διανομής χαρακτηρίζονται με γράμματα. Το πρώτο γράμμα δείχνει το τι συμβαίνει με το ουδέτερο σημείο του ΜΣ διανομής, το δεύτερο γράμμα δείχνει τι συμβαίνει με τα 3

4 εκτεθειμένα αγώγιμα μέρη των συσκευών. Πρόσθετα γράμματα δίνουν πληροφορίες για τις τυχόν ιδιαιτερότητες της εγκατάστασης. Έτσι λοιπόν έχουμε: Δίκτυο ΤΝ-S: Δίκτυο με γείωση ουδέτερου (Τ) και ιδιαίτερο αγωγό προστασίας που συνδέεται με τον ουδέτερο της εγκατάστασης (Ν). Ο αγωγός προστασίας, που ονομάζεται ΡΕ (protecting earth), είναι ξεχωριστό σύρμα από τον ουδέτερο (S). Αυτή είναι η πιο συνηθισμένη μορφή δικτύου σε οικιακούς αλλά και βιομηχανικούς καταναλωτές, ονομαζόμενο και ουδετερογειωμένο δίκτυο. Δίκτυο ΤΝ-C: Αποτελεί παραλλαγή του προηγούμενου δικτύου με γειωμένο ουδέτερο όπου όμως ο ουδέτερος αγωγός ταυτίζεται με τον αγωγό προστασίας PE (C). Συναντάται σε εγκαταστάσεις υψηλής ισχύος με διατομές ουδέτερου άνω των 10 mm 2, ιδιαίτερα σε ψηλά κτίρια. Δίκτυο ΤΝ-C-S: Δίκτυο όπου ο ουδέτερος είναι γειωμένος (Τ) και σε τμήματα του δικτύου είναι κοινός με τον αγωγό προστασίας (C), αλλά υπάρχουν και τμήματα όπου ο αγωγός προστασίας και ο ουδέτερος δεν ταυτίζονται (S). Συναντάται κυρίως σε βιομηχανίες και σε μεγάλα κτίρια. Δίκτυο ΤΤ: Δίκτυο όπου ο ουδέτερος του μετασχηματιστή (Τ) και τα μεταλλικά μέρη των συσκευών είναι απευθείας συνδεδεμένα με τη γη (άμεσα γειωμένα) με μη συνδεδεμένες, ανεξάρτητες, γειώσεις (Τ). Στην περιοχή της Αττικής υπήρχαν τέτοια δίκτυα. Υπάρχουν και δίκτυα ΤΤ με τρεις φάσεις χωρίς ουδέτερο. Δίκτυο ΙΤ: Δίκτυο όπου ο ουδέτερος του μετασχηματιστή δεν γειώνεται (Ι). Τα μεταλλικά μέρη των συσκευών είναι γειωμένα (Τ). Συναντάται σε ειδικές εγκαταστάσεις όπου η προστασία από ηλεκτροπληξία πρέπει να είναι ιδιαίτερα αυξημένη και η τροφοδότηση αδιάλειπτη πχ. υγρούς χώρους, χειρουργεία, σφαγεία, χημικές βιομηχανίες κλπ. Τα σύμβολα Τ, Ν, S, C, I προέρχονται από την σύντμηση των Γαλλικών όρων. Τ = terre (γη), N = neutral (ουδέτερος), S = separe (διάφορος), C = combine (συνδυασμένος), I = isolee (μονωμένος). Όπως φαίνεται η γείωση του ουδετέρου αποτελεί βασικό χαρακτηριστικό του συστήματος ηλεκτροδότησης και για το λόγο αυτό σχολιάζεται ιδιαίτερα. Στη ΧΤ, η διαφορά δυναμικού ανάμεσα σε μια φάση και τον ουδέτερο αγωγό είναι η φασική τάση των 230 V. Αντίστοιχα η διαφορά δυναμικού ανάμεσα σε δύο αγωγούς φάσεων είναι η πολική τάση των 400 V. Η γη σαν μέσο, έχει άπειρη έκταση και εμφανίζεται γενικά σαν ένας αρκετά καλός αγωγός του ηλεκτρισμού. Όμως δεν συμμετέχει στο ηλεκτρικό κύκλωμα που προσδιορίζεται από μια τριφασική πηγή, τους τρεις αγωγούς των φάσεων και τον ουδέτερο. Συνεπώς η διαφορά δυναμικού ανάμεσα στη γη και σε οποιονδήποτε αγωγό του συστήματος ηλεκτροδότησης είναι μηδέν! Η επιχείρηση ηλεκτρισμού όμως συνδέει τον ουδέτερο κόμβο της ΧΤ των μετασχηματιστών τροφοδοσίας απευθείας, ή με πάρα πολύ μικρές αντιστάσεις, με τη γη. Τότε η γη και ο ουδέτερος αγωγός αποκτούν το ίδιο δυναμικό και τις ίδιες ιδιότητες, Συνεπώς η διαφορά δυναμικού της γης από το μεν ουδέτερο αγωγό είναι πάλι μηδέν, καθώς αυτοί είναι πια συνδεδεμένοι, αλλά η αντίστοιχη διαφορά δυναμικού ανάμεσα στη γη και σε έναν αγωγό φάσης είναι πια η ίδια όπως και ανάμεσα σε έναν αγωγό φάσης και τον ουδέτερο. Δηλαδή η φασική τάση 4

5 των 230 V. Αν τώρα ο χρήστης που είναι σε επαφή με τη γη, ακουμπήσει και έναν αγωγό φάσης, τότε βρίσκεται υπό θανάσιμη τάση 230 V!! Ποιοι είναι όμως οι λόγοι που ωθούν τις επιχειρήσεις ηλεκτρισμού να γειώνουν τον ουδέτερο κόμβο και να δημιουργούν αυτό το πιο επικίνδυνο περιβάλλον για κάθε χρήστη ηλεκτρικής ενέργειας; Ο βασικός τεχνικός λόγος είναι η ανίχνευση των σφαλμάτων φάσεων προς τη γη. Αν όμως το δίκτυο είναι γειωμένο, η επαφή αγωγού φάσης με τη γη, προκαλεί βραχυκύκλωμα. Το μεγάλο ρεύμα που ρέει από το σημείο του σφάλματος, ενεργοποιεί άμεσα τα κατάλληλα μέσα προστασίας τα οποία εντοπίζουν και απομονώνουν το σφάλμα. Επιβάλλεται συνεπώς η γείωση του ουδετέρου των δικτύων ηλεκτροδότησης. Η γείωση αυτή γίνεται από τις επιχειρήσεις ηλεκτρισμού στους ουδέτερους κόμβους των τυλιγμάτων ΧΤ όλων των μετασχηματιστών διανομής, αλλά και στον ίδιο τον ουδέτερο αγωγό κάθε 200 m, έτσι ώστε να διασφαλίζεται απόλυτα η συνέχεια και η καλή σύνδεσή του με τη γη. Η κατάσταση αυξημένης επικινδυνότητας που δημιουργείται από τη συγκεκριμένη δομή του δικτύου αντιμετωπίζεται με τη θέσπιση ειδικών μέτρων προστασίας από την ηλεκτροπληξία στους σχετικούς κανονισμούς. 3. ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ ΧΤ Οι τρόποι προστασίας κατά της ηλεκτροπληξίας είναι θεσμοθετημένοι και επιβάλλονται από το έγγραφο εναρμόνισης ΗD Τα μέτρα που εφαρμόζονται διεθνώς κατά της ηλεκτροπληξίας κατατάσσονται σε τρεις κατηγορίες τις Α, Β, Γ. Α. Μέτρα αποφυγής της τάσης, Τα μέτρα αυτά στοχεύουν στην αποφυγή ανάπτυξης τάσης επαφής, δηλαδή στην πρόληψη της επαφής και είναι τα παρακάτω: Ισχυρή μόνωση. Φράγματα ή περιβλήματα. Εμπόδια. Χωροθέτηση σε απρόσιτη θέση. Χρήση μη αγώγιμου δαπέδου. Χρήση ισοδυναμιών συνδέσεων. Κατάργηση της γείωσης του ουδετέρου (γαλβανικά απομονωμένα συστήματα). Β. Χρήση πολύ χαμηλών τάσεων. Το κατώφλι επικινδυνότητας των τάσεων για τον άνθρωπο είναι για το μεν εναλλασσόμενο ρεύμα τα 50 V και για το συνεχές ρεύμα τα 120 V. Συνεπώς αν μια εγκατάσταση λειτουργεί με τάσεις χαμηλότερες από αυτές, τότε διασφαλίζεται ικανοποιητική προστασία κατά της ηλεκτροπληξίας. Οι τιμές αυτές των τάσεων πρέπει όμως να εξασφαλίζονται και σε ανώμαλες λειτουργικές καταστάσεις (πχ σφάλματα). Γ. Ταχεία απόζευξη επικίνδυνων τάσεων. Στην περίπτωση που τα παραπάνω μέτρα δεν μπορούν να διασφαλιστούν σε κάθε σημείο της εγκατάστασης, επιβάλλεται η εφαρμογή μέτρων προστασίας που να προκαλούν την 5

6 απόζευξη τμημάτων της εγκατάστασης σε περίπτωση σφάλματος τόσο σε ουδετερωμένα δίκτυα όσο και σε μη γειωμένα δίκτυα. Η απόζευξη επιτυγχάνεται με τις συνήθεις συσκευές προστασίας, όπως ασφάλειες τήξης και μικροαυτόματοι αλλά και με ειδικές συσκευές, όπως οι διακόπτες διαφορικού ρεύματος (ΔΔΡ) (ή αλλιώς διακόπτες διαφυγής έντασης (ΔΔΕ) τους γνωστότερους με την εμπορική ονομασία αντιηλεκτροπληξιακοί). Οι παραπάνω μέθοδοι μπορούν να εφαρμοστούν και σε συνδυασμό σε ορισμένες περιπτώσεις αρκεί να ικανοποιούνται οι σχετικές απαιτήσεις του κανονισμού ΕΛΟΤ HD 384. Η γενική μέθοδος προστασίας που εφαρμόζεται σε οικιακές εγκαταστάσεις στην Ελλάδα είναι η μέθοδος της ουδετερογείωσης (ΤΝ-S). Η μέθοδος της άμεσης γείωσης (TT) εφαρμόζεται σε ορισμένα παλιά κυρίως δίκτυα στην Αττική. Η χρήση διακοπτών ΔΔΡ επιτρέπεται, μόνο σε συνδυασμό με ουδετερογείωση ή άμεση γείωση ως επιπρόσθετη προστασία και δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως η μοναδική μέθοδος προστασίας. Οι άλλες μέθοδοι προστασίας που προαναφέρθηκαν εφαρμόζονται κυρίως σε ειδικές εγκαταστάσεις. 3.1: Προστασία με άμεση γείωση (Δίκτυα ΤΤ) Η απευθείας σύνδεση των μεταλλικών μερών των συσκευών με τη γη με κατάλληλο αγώγιμο σύνδεσμο χαρακτηρίζεται σαν σύστημα προστασίας με άμεση γείωση ή σύστημα με γείωση προστασίας σε δίκτυα ΤΤ. Προφανώς, από τον ορισμό της μορφής του δικτύου είναι γειωμένος και ο ουδέτερος της πηγής ή του μετασχηματιστή ή της γεννήτριας. Η αγώγιμη σύνδεση με τη γη μέσω μιας ιδιαίτερα χαμηλής αντίστασης, διασφαλίζει δυο πράγματα. α. Η τάση επαφής πάνω στον άνθρωπο δεν θα ξεπεράσει το επίπεδο των 50 V για το εναλλασσόμενο ρεύμα και β. Το ρεύμα σφάλματος θα είναι αρκετά υψηλό ώστε να ενεργοποιηθεί το σύστημα προστασίας. Η συνθήκη που πρέπει να πληρούται είναι ο χρόνος απόζευξης να μην είναι μεγαλύτερος των 0,4 s για τάσεις λειτουργίας 230/400 V. Το ρεύμα σφάλματος Ι F που προκαλεί την παραπάνω αναφερόμενη απόζευξη πρέπει πολλαπλασιαζόμενο με την αντίσταση γείωσης του αγωγού προστασίας R F να προκαλεί τάση αφής το πολύ 50 V, δηλαδή, RI 50 V F F Αυτό είναι αρκετά προβληματικό καθώς ήδη από 50 Α και άνω, κατάλληλη αντίσταση R F με τιμή μικρότερη του 1 Ω είναι πολύ δύσκολο να επιτευχθεί. Παλαιότερα το σύστημα αυτό στηρίζονταν στην εκμετάλλευση του δικτύου των υδραυλικών σωληνώσεων για την επίτευξη καλής (χαμηλής) αντίστασης γείωσης. Με την εξάπλωση των πολυώροφων κτιρίων και τη χρήση εναλλακτικών υλικών (πλαστικό, αμιαντοτσιμέντο κλπ) στα υδραυλικά δίκτυα, ο τρόπος αυτός προστασίας τείνει να εγκαταλειφθεί. Στην Ελλάδα σήμερα εφαρμόζεται σε ορισμένες περιοχές της Αττικής και μόνο. 6

7 Παρόλα αυτά, στους νέους κανονισμούς, η μέθοδος αυτή προστασίας προτείνεται αλλά σε συνδυασμό και με το Διακόπτη Διαφορικού Ρεύματος (ΔΔΡ) ή αντιηλεκτροπληξιακό διακόπτη, ο οποίος και για πρώτη φορά προτείνεται σαν συμπληρωματικό μέσα προστασίας σε εγκαταστάσεις. 3.2: Προστασία με ουδετερογείωση ( ή ουδετέρωση Δίκτυα τύπου ΤΝ) Σύμφωνα με την μέθοδο αυτή τα μεταλλικά μέρη των συσκευών συνδέονται με ιδιαίτερο αγωγό, ο οποίος ονομάζεται και αγωγός προστασίας PΕ, ο οποίος συνδέεται με τον ουδέτερο της εγκατάστασης στο μετρητή της παροχής. Ο ουδέτερος όμως συνδέεται και με ηλεκτρόδιο γείωσης στο σημείο της παροχής πριν τον μετρητή. Η ουδετερογείωση είναι η κύρια εφαρμοζόμενη μέθοδος προστασίας δικτύων ΧΤ. Για την ορθή εφαρμογή της πρέπει να πληρούνται μια σειρά προϋποθέσεων που αφορούν στην ικανοποιητική γαλβανική ζεύξη και συνέχεια του αγωγού προστασίας, του ουδέτερου και των συνδέσεων με τη γη. O αντίστοιχος μέγιστος χρόνος απόζευξης γα σφάλματα σε δίκτυα τύπου ΤΝ στα 230/400V δεν πρέπει να ξεπερνά τα 0,8s 4. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΔΙΚΤΥΩΝ ΧΤ Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης είναι η διερεύνηση της επικινδυνότητας για τον άνθρωπο, μιας σειράς σφαλμάτων, που μπορεί να εμφανιστούν σε μια ηλεκτρική εγκατάσταση, καθώς και οι δυνατότητες προστασίας με εφαρμογή των μεθόδων που προαναφέρθηκαν. Το χρησιμοποιούμενο μοντέλο συστήματος προστασίας δικτύων ΧΤ του εργαστηρίου ΣΗΕ προσομοιώνει μία μονοφασική ηλεκτρική εγκατάσταση κατοικίας. Η ηλεκτρική συσκευή που συνδέεται στην εγκατάσταση αυτή παρέχει την δυνατότητα προσομοίωσης διαφόρων τύπων σφαλμάτων (μεταλλικών ή μέσω αντιστάσεων). Το μοντέλο του ατόμου που χειρίζεται την συσκευή δέχεται μια τάση, ή οποία όταν ξεπερνά τα 50 V ανάβει μία ενδεικτική λυχνία. Το κάθε πείραμα περιλαμβάνει μία συνδεσμολογία και μία σειρά μετρήσεων. Των μετρήσεων πρέπει να προηγηθούν υποχρεωτικά οι σχετικοί υπολογισμοί ώστε αφενός μεν να γίνει κατανοητή η μορφή του προβλήματος, αφετέρου δε να γίνει επιλογή των κατάλληλων, από άποψη κλίμακας, οργάνων μετρήσεων. Η φασική τάση του δικτύου, που εισέρχεται σε όλους αυτούς τους υπολογισμούς, δεν είναι σταθερή. Έτσι οι υπολογισμοί αυτοί γίνονται για τυπική τάση 230 V. Το αποτέλεσμα δίνει την απαιτούμενη τάξη μεγέθους των μετρήσεων. Όπου δεν δίνονται σχέσεις υπολογισμού, αυτές προκύπτουν εύκολα από την ανάλυση του κυκλώματος που σχηματίζεται μετά τη σχετική συνδεσμολογία. Για τον έλεγχο της ακρίβειας, θα μετρηθεί η σωστή τάση του δικτύου στην αρχή του πειράματος, ώστε να μπορούν να ελεγχθούν κατάλληλα τα μετρούμενα μεγέθη. Καθώς κατά την διάρκεια των μετρήσεων εκλύονται υψηλά ποσά θερμότητας (ισχύς αντιστάσεων της τάξης kw) συνίσταται το μοντέλο να βρίσκεται υπό τάση για το συντομότερο δυνατό χρονικό διάστημα κατά την λήψη των μετρήσεων. 7

8 ΠΡΟΣΟΧΗ: ΣΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΠΟΥ ΑΚΟΛΟΥΘΟΥΝ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΝΤΑΙ ΤΑΣΕΙΣ ΔΙΚΤΥΟΥ 230 V. ΜΗΝ ΚΑΝΕΤΕ ΠΟΤΕ ΣΥΝΔΕΣΕΙΣ ΥΠΟ ΤΑΣΗ. ΟΠΟΥ ΠΡΕΠΕΙ ΝΑ ΓΙΝΟΥΝ ΤΑΥΤΟΧΡΟΝΑ ΔΥΟ Η ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΜΕ ΤΟ ΙΔΙΟ ΟΡΓΑΝΟ, ΓΙΑ ΤΑ ΑΜΠΕΡΟΜΕΤΡΑ ΚΑΝΕΤΕ ΤΗΝ ΚΑΘΕ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩNΟΝΤΑΣ ΤΙΣ ΥΠΟΛΟΙΠΕΣ, ΓΙΑ ΤΑ ΒΟΛΤΟΜΕΤΡΑ ΚΑΝΕΤΕ ΤΗΝ ΚΑΘΕ ΑΦΗΝΟΝΤΑΣ ΑΝΟΙΧΤΕΣ ΤΙΣ ΥΠΟΛΟΙΠΕΣ. ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ ΕΙΝΑΙ ΑΠΑΡΑΙΤΗΤO NA EXΟΥΝ ΠΡΟΗΓΗΘΕΙ ΟΙ ΣΧΕΤΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ. ΔΕΝ ΘΑ ΓΙΝΟΝΤΑΙ ΔΕΚΤΕΣ ΟΜΑΔΕΣ ΠΟΥ ΔΕΝ ΕΧΟΥΝ ΣΥΜΠΛΗΡΩΜΕΝΑ ΤΑ ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΩΝ. 4.1: Μέτρηση της τάσης του δικτύου Σε όλους τους υπολογισμούς που ακολουθούν απαιτείται η τιμή της φασικής τάσης του δικτύου της ΔΕΗ. Να μετρηθεί η τάση μεταξύ φάσης και ουδέτερου κόμβου του δικτύου. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ U = 230 V. U = V. 8

9 5. ΤΡΙΦΑΣΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΧΩΡΙΣ ΓΕΙΩΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΔΙΚΤΥΑ ΜΕ ΑΜΕΣΗ ΓΕΙΩΣΗ 5.1: Δίκτυα χωρίς γείωση του ουδέτερου κόμβου Εξετάζεται αρχικά η υποθετική περίπτωση όπου δεν υπάρχει γαλβανική σύνδεση μεταξύ της γης και του ουδέτερου αγωγού, όπως στα δίκτυα ΙΤ. Τότε δεν υπάρχει διαφορά δυναμικού μεταξύ φάσης και γης. Στην περίπτωση αυτή για να βρεθεί ο άνθρωπος υπό τάση θα πρέπει να έρθει σε επαφή ταυτόχρονα με τον αγωγό φάσης και τον ουδέτερο. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται ως μέθοδος προστασίας σε χώρους όπου υπάρχει χειρισμός αγωγών υπό τάση (εργαστήρια κλπ) με την γαλβανική απομόνωση του ουδετέρου του δικτύου διανομής, από τον ουδέτερο της εγκατάστασης στο χώρο μέσω μετασχηματιστή απομόνωσης. Σε εκτεταμένα όμως δίκτυα η μέθοδος αυτή δεν μπορεί να εφαρμοστεί καθώς, εξαιτίας εξασθενημένων μονώσεων καλωδίων, ή περισσοτέρων του ενός ταυτόχρονων σφαλμάτων, ή ακόμη και των χωρητικοτήτων των αγωγών φάσης ως προς την γη μπορεί αποκατασταθεί σύνδεση μεταξύ ουδετέρου ή ρευματοφόρων αγωγών και γης και να αναπτυχθούν επικίνδυνες τάσεις επαφής. Παρακάτω εξετάζονται δύο τέτοιες περιπτώσεις : Δίκτυα χωρίς γείωση του ουδετέρου κόμβου με μεγάλη αντίσταση μόνωσης Σε περιπτώσεις μικρών δικτύων με ικανοποιητική αντίσταση μονώσεων και όταν η βλάβη περιορίζεται σε μία μόνον συσκευή δεν αναπτύσσονται επικίνδυνες τάσεις επαφής. Να γίνει η συνδεσμολογία του σχήματος Η αντίσταση μόνωσης του δικτύου θεωρείται ίση με RI 1000Ω/V 220 V 220kΩ. R 2Ω R R R δεν λαμβάνεται υπόψη. Η αντίσταση της γραμμής L I M U Σχήμα 5.1.1: Δίκτυα χωρίς γείωση του ουδετέρου κόμβου με μεγάλη αντίσταση μόνωσης. 9

10 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ Η ένταση του ρεύματος που περνά από τον άνθρωπο IM U RI RM RU A. I M Η τάση επαφής UB IM RM V. UB 5.1.2: Δίκτυα με μικρή αντίσταση μόνωσης χωρίς γείωση του ουδέτερου κόμβου Εάν παρουσιάζεται μικρή αντίσταση μόνωσης, ή αν παρουσιάζουν βλάβη δυο συσκευές ταυτόχρονα μπορεί να εμφανιστούν επικίνδυνες τάσεις επαφής. Να γίνει η συνδεσμολογία του σχήματος Η αντίσταση μόνωσης θεωρείται ίση με R 10Ω/V 220 V 2.2kΩ I Η αντίσταση της γραμμής R 2Ω R R R δεν λαμβάνεται υπόψη. L I M U ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ Η ένταση του ρεύματος που περνά από τον άνθρωπο IM U RI RM RU A. I M Η τάση επαφής UB IM RM V. UB Σχήμα 5.1.2: Δίκτυα με μικρή αντίσταση μόνωσης χωρίς γείωση του ουδέτερου κόμβου. 10

11 5.2: Δίκτυα με γειωμένο ουδέτερο κόμβο Εξετάζεται στη συνέχεια η τυπική περίπτωση ενός δικτύου ΤΝ. Θα εξεταστεί η περίπτωση ενός μεταλλικού σφάλματος στη συσκευή. Μεταλλικό ορίζεται το σφάλμα εκείνο, στο οποίο η φάση έρχεται σε απευθείας επαφή με το μεταλλικό περίβλημα μιας συσκευής χωρίς να παρεμβάλλεται αντίσταση. Η αντίσταση γείωσης του ουδέτερου κόμβου του δικτύου στο ΜΣ είναι R 2Ω (Σχήμα 5.2). B 5.2:. Δίκτυα με γειωμένο ουδέτερο κόμβο Μεταλλικό σφάλμα συσκευής. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ Η ένταση του ρεύματος που περνά από τον άνθρωπο IM U RB RL RM RU A. I M Η τάση επαφής UB IM RM V. UB ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ: Σε δίκτυα με γειωμένο ουδέτερο κόμβο και χωρίς μέσα προστασίας, εμφανίζονται σε περίπτωση σφάλματος υψηλές τάσεις επαφής επικίνδυνες για την ζωή των ανθρώπων. Για τον λόγο αυτό επιβάλλεται από τους κανονισμούς η εφαρμογή μέσων προστασίας : Άμεση γείωση προστασίας με μεγάλη αντίσταση γείωσης Ο ουδέτερος κόμβος του δικτύου είναι γειωμένος με αντίσταση γείωσης συσκευή γειώνεται άμεσα μέσω της σχετικά μεγάλης αντίστασης γείωσης R 2Ω. Η R 30Ω. (Σχήμα 5.2.1) Εξετάζεται η περίπτωση μεταλλικού σφάλματος προς το περίβλημα της συσκευής. S B 11

12 Σχήμα 5.2.1: Άμεση γείωση προστασίας με μεγάλη αντίσταση γείωσης. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ Το ρεύμα σφάλματος IF U RS RB RL A. IF Η τάση του περιβλήματος της συσκευής προς τη γη. UE IF RS V. UE Η ένταση του ρεύματος που περνά από τον άνθρωπο IM UE RM RU A. I M Η τάση επαφής UB IM RM V. UB ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ: Λόγω της κακής γείωσης το ρεύμα σφάλματος είναι σημαντικό. Δεν είναι όμως πολλές φορές αρκετό για να προκαλέσει την λειτουργία του αυτόματου διακόπτη ή την τήξη της ασφάλειας. Στην περίπτωση αυτή η ροή του ρεύματος αυτού για μεγάλο χρονικό διάστημα μπορεί να προκαλέσει πυρκαγιά σαν αποτέλεσμα τοπικών υπερθερμάνσεων των μονώσεων των καλωδίων. Εμφανίζεται επίσης υψηλή τάση επαφής, επικίνδυνη για τον άνθρωπο. Η χρήση του ΔΔΡ μπορεί να βοηθήσει σημαντικά στις περιπτώσεις αυτές : Μη μεταλλικό βραχυκύκλωμα προς το περίβλημα γειωμένης συσκευής. Να χρησιμοποιηθούν οι παρακάτω αντιστάσεις: Αντίσταση γειώσεως προστασίας R 2Ω. S 12

13 Αντίσταση γειώσεως ουδετέρου κόμβου Αντίσταση γραμμής R 2Ω. L R 2Ω. Αντίσταση μεταξύ φάσης και μεταλλικού περιβλήματος B R 10Ω. V Σχήμα 5.2.2: Μη μεταλλικό βραχυκύκλωμα προς το περίβλημα γειωμένης συσκευής. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ Το ρεύμα σφάλματος IF U RK RS RB RL A. IF Η τάση του περιβλήματος της συσκευής προς τη γη. UE IF RS V. UE Η ένταση του ρεύματος που περνά από τον άνθρωπο IM UE RM RU A. I M Η τάση επαφής UB IM RM V. UB 13

14 6. ΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗ ΤΡΙΦΑΣΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ Η ορθή ουδετέρωση συσκευών σαν μέθοδος προστασίας πρέπει να πληροί τις προϋποθέσεις του πρότυπου HD 384/IEC Η τροφοδότηση της εγκατάστασης από τον μετρητή γίνεται με 3 αγωγούς (φάση - ουδέτερο - αγωγό προστασίας PE) σε περίπτωση μονοφασικών εγκαταστάσεων και με 5 αγωγούς (3 φάσεις - ουδέτερο - αγωγό προστασίας PE) στην περίπτωση τριφασικών εγκαταστάσεων. Σε εκτεταμένα δίκτυα εσωτερικής διανομής (π.χ. βιομηχανίες) μπορεί, σύμφωνα με το ίδιο πρότυπο, η γείωση του ουδετέρου να γίνει όχι στο μετρητή αλλά στον πίνακα ή υποπίνακα της εγκατάστασης, με την προϋπόθεση ότι στα σημεία σύνδεσης θα τοποθετηθούν ιδιαίτερα ηλεκτρόδια γείωσης. 6.1: Ορθή ουδετέρωση συσκευών Η ουδετέρωση να γίνει σωστά σύμφωνα με το σχήμα 6.1. Σχήμα 6.1: Ορθή ουδετέρωση συσκευών. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ Το ρεύμα βραχυκύκλωσης. I U R A. K L ΜΟΝΤΕΛΟ. ΠΡΟΣΟΧΗ : ΤΟ ΡΕΥΜΑ ΠΟΥ ΠΡΟΚΥΠΤΕΙ ΔΕΝ ΜΠΟΡΕΙ ΝΑ ΜΕΤΡΗΘΕΙ ΣΤΟ 14

15 6.2: Μη μεταλλικό βραχυκύκλωμα προς το περίβλημα ορθά ουδετερωμένων συσκευών Η αντίσταση μεταξύ φάσης και μεταλλικού περιβλήματος της συσκευής να ληφθεί ίση με R 40Ω. K Σχήμα 6.2: Μη μεταλλικό βραχυκύκλωμα προς το περίβλημα ορθά ουδετερωμένων συσκευών. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ Το ρεύμα βραχυκύκλωσης. I U R R R R R Α I K K L K V K V Η τάση του περιβλήματος της συσκευής προς τη γη. UE V UE 6.3: Ουδέτερος με μεγάλη αντίσταση σε ορθά ουδετερωμένα δίκτυα Σε ορισμένες περιπτώσεις λόγω κακής επαφής ή και κακής κατάστασης του ουδετέρου αγωγού είναι πιθανόν να παρατηρηθεί αύξηση της τιμής της αντίστασης που παρουσιάζει. Στο πείραμα που ακολουθεί θεωρείται αντίσταση ουδετέρου R 400Ω. Η αντίσταση της συσκευής είναι R 685Ωκαι το δίκτυο ορθά ουδετερωμένο (Σχήμα 6.3). V N ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ Το ρεύμα της συσκευής IV U RV RN A. IV Η τάση του ουδετέρου προς την γη. UNE IV RN V. UNE Η τάση της συσκευής προς τη γη UE V. UE 15

16 Σχήμα 6.3: Ουδέτερος με μεγάλη αντίσταση σε ορθά ουδετερωμένα δίκτυα. 6.4: Διακοπή του ουδετέρου σε δίκτυα με ορθή ουδετέρωση Σχήμα 6.4: Διακοπή του ουδετέρου σε δίκτυα με ορθή ουδετέρωση. Οριακή περίπτωση μεγάλης αντίστασης του ουδετέρου, αποτελεί η διακοπή του ουδετέρου κυρίως λόγω κακής συντήρησης της εσωτερικής ηλεκτρικής εγκατάστασης (Σχήμα 6.4). 16

17 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ Το ρεύμα που περνά από τον άνθρωπο. IM A. I M Η τάση επαφής. UB V. UB 6.5: Εναλλαγή φάσης και ουδετέρου σε δίκτυα με ορθή ουδετέρωση. Να γίνει η συνδεσμολογία του σχήματος 6.5. Σχήμα 6.5: Εναλλαγή φάσης και ουδετέρου σε δίκτυα με ορθή ουδετέρωση. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ Η τάση μεταξύ περιβλήματος συσκευής και γης. UE V. UE Το ρεύμα που περνά από τον άνθρωπο. IM Α. I M Η τάση επαφής. UB V. UB ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ : Είναι φανερό ότι η μέθοδος της ουδετερογείωσης παρέχει πλήρη προστασία σε όλες τις παραπάνω περιπτώσεις. 17

18 7. ΑΝΤΙΚΑΝΟΝΙΚΗ ΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗ Σε πολλές περιπτώσεις κακότεχνων ηλεκτρικών εγκαταστάσεων αντί να υπάρχει ιδιαίτερος αγωγός προστασίας PE συνδέονται τοπικά στη συσκευή ή στο ρευματοδότη τα μεταλλικά μέρη της συσκευής με τον ουδέτερο. Η σύνδεση αυτή χαρακτηρίζεται αντικανονική ουδετέρωση, απαγορεύεται ρητά από τον κανονισμό και, όπως θα φανεί και από τα επόμενα πειράματα, δεν αποτελεί μέθοδο προστασίας. Εδώ πρέπει να τονιστεί ιδιαίτερα ότι η αντικανονική ουδετέρωση πάνω στη συσκευή ή στο ρευματοδότη δεν πρέπει να συγχέεται με τη δομή των δικτύων ΤΝ-C, όπου ο αγωγός προστασίας προκύπτει τοπικά από τη διακλάδωση του ουδετέρου στον πίνακα της εγκατάστασης. 7.1: Ουδέτερος με μεγάλη αντίσταση σε αντικανονικά ουδετερωμένα δίκτυα καταναλωτή είναι Η αντίσταση του ουδετέρου να θεωρηθεί ίση με R 400Ω. Η αντίσταση του R 685Ω. Η ουδετέρωση να γίνει αντικανονικά, συνδέοντας άμεσα το V μεταλλικό περίβλημα με τον ουδέτερο όπως φαίνεται στο σχήμα 7.1. N Σχήμα 7.1: Ουδέτερος με μεγάλη αντίσταση σε αντικανονικά ουδετερωμένα δίκτυα. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ Το ρεύμα της συσκευής. IV U RV RN RL A. IV Η τάση του περιβλήματος προς τη γη. UE IV RN V. UE Το ρεύμα που περνά από τον άνθρωπο IM UE RM RU RB A. I M Η τάση επαφής UB IM RM V. UB 18

19 Παρατηρούμε ότι ακόμη και αν δεν υπάρχει σφάλμα στην συσκευή, μπορούν να αναπτυχθούν επικίνδυνες τάσεις επαφής εάν η αντίσταση του ουδετέρου είναι μεγάλη και δεν υπάρχει αγωγός προστασίας. 7.2: Διακοπή του ουδετέρου σε δίκτυα με αντικανονική ουδετέρωση με το σχήμα 7.2. Το μεταλλικό περίβλημα της συσκευής να ενωθεί αντικανονικά με τον ουδέτερο σύμφωνα Σχήμα 7.2: Διακοπή του ουδετέρου σε δίκτυα με αντικανονική ουδετέρωση. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ Το ρεύμα που περνά από τον άνθρωπο IM U RL RV RM RU RB A. I M Η τάση επαφής UB IM RM V. UB Παρατηρούμε ότι εάν διακοπεί ο ουδέτερος σε δίκτυα χωρίς αγωγό προστασίας αναπτύσσονται επικίνδυνες τάσεις επαφής στην συσκευή έστω και εάν αυτή δεν παρουσιάζει βλάβη. Όσο πιο μικρή είναι η αντίσταση της συσκευής R, τόσο πιο μεγάλη V είναι η τάση επαφής. 7.3: Εναλλαγή φάσης ουδετέρου σε δίκτυα με αντικανονική ουδετέρωση Να γίνει η συνδεσμολογία του σχήματος

20 Σχήμα 7.3: Εναλλαγή φάσης ουδετέρου σε δίκτυα με αντικανονική ουδετέρωση. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ Η τάση του περιβλήματος της συσκευής προς τη γη. UE RV / RL RV U V. UE Tο ρεύμα που περνά από τον άνθρωπο IM U RM RU RB RL A. I M Η τάση επαφής UB IM RM V. UB Καθώς ισχύει R V >> R L, μεταξύ του περιβλήματος της συσκευής και της γης εμφανίζεται σχεδόν αυτούσια η τάση U!! Από την σύγκριση των περιπτώσεων 6.3, 6.4, 6.5 με τις 7.1, 7.2, 7.3 γίνεται φανερό ότι η αντικανονική ουδετέρωση δεν αποτελεί μέθοδο προστασίας. 20

21 8. ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ. Σε όλους τους παρακάτω υπολογισμούς, η φασική τάση του δικτύου να θεωρηθεί 230 V. 8.1: Δίκτυα τύπου ΤΤ- Καθορισμός της απαιτούμενης αντίστασης γειώσεως Σύμφωνα με το πρότυπο HD 384/IEC 60364, για να εξασφαλίζεται επαρκής προστασία έναντι τάσεων επαφής με την μέθοδο της άμεσης γείωσης, πρέπει η τιμή της αντίστασης γειώσεως R να μην υπερβαίνει την τιμή RS UB / IA (Ω), όπου UB 50 V η μέγιστη επιτρεπόμενη τάση S επαφής και I A η ένταση του ρεύματος που προκαλεί την αυτόματη διακοπή του κυκλώματος σε χρόνο 5 sec. Το σχήμα 8.1α δείχνει τις χαρακτηριστικές καμπύλες των μικροαυτόματων διακοπτών καθώς και τις χαρακτηριστικές των ασφαλειών ταχείας τήξης. Να κάνετε έναν πίνακα στον οποίο να φαίνεται για ασφάλειες τήξης ονομαστικής έντασης 4A, 6A, 10Α, 16Α, 20Α, 63Α, 80Α, το ρεύμα το οποίο προκαλεί απόζευξη σε χρόνο t=0.4 s, t = 0,8 s και t = 5 s και την αντίσταση γείωσης που πρέπει να εξασφαλίσουμε, ώστε το ρεύμα αυτό να μην οδηγήσει σε ανάπτυξη τάσεων επαφής πάνω από 50 V. Σχήμα 8.1 α: Χαρακτηριστικές καμπύλες ρεύματος χρόνου μικροαυτομάτων και ασφαλειών τήξης. 21

22 Εξετάζεται στην συνέχεια η περίπτωση ενός μεταλλικού σφάλματος σε συσκευή με άμεση γείωση όπως στο σχήμα 8.1 β. Θεωρείται ότι το κύκλωμα προστατεύεται από ασφάλεια τήξης 4 Α. Σχήμα8.1 β: Μεταλλικό σφάλμα σε συσκευή με άμεση γείωση. Ζητούνται τα παρακάτω: - Το ρεύμα του σφάλματος. - Η τάση του μεταλλικού περιβλήματος προς τη γη. - Η τάση επαφής κατά τη διάρκεια του σφάλματος. - Ποιος είναι ο χρόνος διακοπής του κυκλώματος. Μπορεί σε αυτόν το χρόνο να προκληθεί πυρκαγιά από το ρεύμα σφάλματος; - Σχετικά με τα αποτελέσματα του πειράματος σχολιάστε εάν υπάρχει κίνδυνος πυρκαγιάς. Να επαναληφθούν οι παραπάνω υπολογισμοί για αντίσταση γείωση R S = 16 Ω και να σχολιαστούν τα αποτελέσματα σε σχέση με τα προηγούμενα. 8.2: Ορθή ουδετέρωση συσκευών Σε πόσο χρόνο διακόπτεται το ρεύμα βραχυκύκλωσης της περιπτώσεως 6.1 από την ασφάλεια τήξης των 6 Α; Δημιουργούνται επικίνδυνες τάσεις επαφής ή κίνδυνος πυρκαγιάς; Εάν το δίκτυο ασφαλίζονταν με ασφάλεια τήξης των 10 A ή των 63 Α ή των 80 Α ποιοί θα ήταν οι αντίστοιχοι χρόνοι διακοπής και τι θα συνέβαινε στις περιπτώσεις αυτές; Πληρούνται οι προϋποθέσεις του κανονισμού σε σχέση με τους χρόνους απόζευξης και την τάση επαφής; Εάν η αντίσταση του ουδετέρου είναι 7 Ω και του αγωγού προστασίας 42 Ω πόση είναι η τάση του μεταλλικού περιβλήματος. Τι συμπέρασμα προκύπτει; 22

23 Έστω ότι προκαλείται μονοφασικό βραχυκύκλωμα της φάσης L1 προς την γη μέσω μικρών αντιστάσεων R I όπως στο σχήμα 8.2. Στο σχήμα αυτό οι αντιστάσεις που φαίνεται να συνδέονται στο κύκλωμα ΔΕΝ είναι 1 kω, και 5 kω, αλλά 3 Ω και 30 Ω αντίστοιχα. Σχήμα 8.2: Βραχυκύκλωμα φάσης προς την γη. Για R l = 30Ω να υπολογιστούν : - Το ρεύμα του σφάλματος. - Η τάση του ουδέτερου προς την γη. - Το ρεύμα που περνά από τον άνθρωπο. - Η τάση επαφής. - Να υπολογιστούν τα ίδια μεγέθη και στην περίπτωση που R l = 3Ω. Τι παρατηρείτε; 8.3: Αντικανονική ουδετέρωση συσκευών Στο πείραμα 7.1 για την υποθετική περίπτωση όπου η αντίσταση συσκευής γίνεται R V = 15Ω και η αντίσταση του ουδετέρου R N = 29Ω να υπολογιστούν : - Το ρεύμα της συσκευής. - Η τάση του περιβλήματος προς την γη. - Το ρεύμα που περνά από τον άνθρωπο. - Η τάση επαφής. Τι παρατηρείτε ; Πώς επηρεάζεται η τάση επαφής από την αντίσταση της συσκευής; Όπως προαναφέρθηκε η γείωση του ουδετέρου μπορεί να γίνει στον πίνακα ή και υποπίνακα της εγκατάστασης με την προϋπόθεση ότι στα σημεία σύνδεσης θα τοποθετηθούν ιδιαίτερα ηλεκτρόδια γείωσης. Αυτό ενώ είναι εφικτό σε εκτεταμένα βιομηχανοστάσια δεν είναι 23

24 υλοποιήσιμο στην περίπτωση πχ. ενός ψηλού κτιρίου, όπου φυσικά δεν μπορούν να εγκατασταθούν ηλεκτρόδια γειώσεων στους ορόφους. Πώς λοιπόν (π.χ. με πόσα καλώδια) είναι δυνατόν σε πολυώροφα κτίρια να γίνει η τροφοδότηση των ορόφων από το ισόγειο-υπόγειο όπου φθάνει η τροφοδοσία; Σε ποιο σημείο θα γειώνεται ο ουδέτερος; Τι προβλήματα είναι πιθανόν να προκύψουν στην μέθοδο αυτή. Επιτρέπεται να εφαρμοστούν τέτοιες λύσεις από τον κανονισμό; 8.4: Άμεση γείωση και ουδετέρωση στο ίδιο δίκτυο Σε ένα δίκτυο 400 V εφαρμόζεται σαν μέθοδος προστασίας η ουδετέρωση (ΤΝ). Σύμφωνα με τον κανονισμό τα μεταλλικά μέρη της συσκευής συνδέονται με τον αγωγό προστασίας PE ο οποίος συνδέεται με τον ουδέτερο στην είσοδο της εγκατάστασης πριν τον μετρητή. Στο σχήμα 8.4 ο κινητήρας Α είναι γειωμένος και λόγω καταστροφής της μόνωσης ο αγωγός της φάσης L1 έρχεται σε επαφή με το περίβλημα. Ο κινητήρας Β είναι ουδετερωμένος. Σχήμα 8.4: Άμεση γείωση και ουδετέρωση στο ίδιο δίκτυο. Ζητούνται: - Να υπολογιστεί η τάση επαφής στους κινητήρες Α και Β, χωρίς να λαμβάνονται υπόψη οι αντιστάσεις των γραμμών και η αντίσταση του ανθρώπου, για τις παρακάτω περιπτώσεις. α. RS, ο κινητήρας Α που παρουσιάζει την βλάβη βρίσκεται σε μονωμένη βάση. β. R S = 4Ω. γ. R l = 0.5Ω. Τι παρατηρείτε; Γιατί απαγορεύεται η ταυτόχρονη εφαρμογή άμεσης γείωσης και ουδετέρωσης στο ίδιο δίκτυο; Γιατί απαγορεύεται σε δίκτυο που εφαρμόζεται η ουδετέρωση κάποια συσκευή "για μεγαλύτερη προστασία" να γειωθεί άμεσα; 24

25 8.5: Προστασία με διακόπτες διαφορικού ρεύματος (ΔΔΡ) Ο διακόπτης διαφορικού ρεύματος είναι μια συσκευή προστασίας που στηρίζεται στην ανίχνευση τυχόν διαρροών ρεύματος εκτός της εγκατάστασης προς τη γη. Ο ΔΔΡ λειτουργεί σαν ένα αμπερόμετρο που μετρά το ρεύμα που φεύγει από μια εγκατάσταση και διαρρέει προς την γη. Εάν αυτό υπερβεί μία τιμή, συνήθως 30 ma, διακόπτει το κύκλωμα σε όλους τους πόλους, φάσεις και ουδέτερο, σε χρόνο μικρότερο από 0,2 s. Στο σχήμα 8.5 φαίνεται το ανάπτυγμα ενός ΔΔΡ εγκατεστημένου σε δίκτυο ΤΝ. Ο ΔΔΡ έχει σαν βασικό του στοιχείο έναν αθροιστικό ΜΣ ρεύματος τύπου δακτυλίου. Στο πρωτεύον, δηλαδή μέσα από το δακτύλιο, περνούν τα ρεύματα όλων των φάσεων και του ουδετέρου, ενώ το ρεύμα που επάγεται στο δευτερεύον είναι ανάλογο του διανυσματικού αθροίσματος των τεσσάρων (ή των δύο σε μονοφασική εγκατάσταση) ρευμάτων. Εάν δεν υπάρχει διαρροή προς την γη τότε το άθροισμα αυτό είναι μηδέν και στο δευτερεύον δεν επάγεται ρεύμα. Εάν υπάρχει διαρροή, τότε το άθροισμα των ρευμάτων ισούται με το ρεύμα διαρροής σφάλματος Ι ΔF και το επαγόμενο ρεύμα του δευτερεύοντος ενεργοποιεί το κύκλωμα προστασίας στην περίπτωση που το I ΔF 30 ma. Η παραπάνω λειτουργία δικαιολογεί την ονομασία του ως διακόπτη διαφορικού ρεύματος ΔΔΡ (residual current protection switch). Η εγκατάσταση του ΔΔΡ συνίσταται σε δίκτυα τύπου Τx, καθώς προσφέρει απόλυτη προστασία από ηλεκτροπληξία, σε περίπτωση σφάλματος προς την γη, αλλά και από πυρκαγιά, περιορίζοντας δραστικά το ρεύμα διαρροής προς την γη. Δεν προστατεύει πάντα σε περιπτώσεις που κάποιος έρθει σε επαφή ταυτόχρονα με φάση και ουδέτερο και το μεγαλύτερο μέρος του ρεύματος περάσει από το ανθρώπινο σώμα. (πχ. το άτομο δεν είναι σε επαφή με την γη, μεγάλη αντίσταση επαφής ανθρώπου - γης, βραχυκύκλωμα ανάμεσα σε δεξί - αριστερό χέρι κλπ). Άρα η ύπαρξη ΔΔΡ σε μία εγκατάσταση δε σημαίνει ότι μπορεί κάποιος να εργάζεται υπό τάση. Οι περιορισμοί της αξιοπιστίας του ΔΔΡ, όπως και κάθε μηχανικού συστήματος, δεν επιτρέπουν την εφαρμογή του ως αποκλειστικού μέσου προστασίας. Συνίσταται, γενικά, η τακτική δοκιμή του, μέσω του κυκλώματος δοκιμής που διαθέτει (επαφή Τ ή Ρ σχήμα 8.5). ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ: Αν ο ΔΔΡ δεν μπορεί να κρατηθεί σε κατάσταση εντός παρόλο που αποδεδειγμένα δεν υπάρχει διαρροή στην εγκατάσταση, αυτό σημαίνει ότι μετά τον ΔΔΡ έχει γειωθεί ουδέτερος πράγμα που απαγορεύεται ρητά από τον κανονισμό. 25

26 Σχήμα 8.5: Διακόπτης διαφορικού ρεύματος (ΔΔΡ) μονοφασικός και τριφασικός : ΔΔΡ με διάφορες τιμές ονομαστικού ρεύματος διαρροής Ι ΔF Θεωρούμε την διάταξη του σχήματος Η αντίσταση γειώσεως της συσκευής θεωρείται ότι είναι R S = 85Ω. Γίνεται μεταλλικό σφάλμα στο κέλυφος της συσκευής. Σχήμα 8.5.1: Μεταλλικό σφάλμα σε δίκτυο με άμεση γείωση και ΔΔΡ 26

27 Να υπολογιστεί το ρεύμα διαρροής. Πώς αντιδρά ο ΔΔΡ αν η ονομαστική τιμή του I F 10 ma, 20 ma, 30 ma, 50 ma, 100 ma, 300 ma, 500 ma, 1A. Πόση είναι η μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή της αντίστασης γειώσεως για κάθε ένα από τα παραπάνω ονομαστικά ρεύματα διαρροής του ΔΔΡ; Σε περίπτωση που το δίκτυο δεν διαθέτει άμεση γείωση και προστατεύεται από ΔΔΡ ονομαστικού ρεύματος διαρροής σύμφωνα με τα παραπάνω και συμβεί μεταλλικό σφάλμα στην συσκευή - Θα ενεργοποιηθεί ο ΔΔΡ, αν ο άνθρωπος ακουμπήσει το περίβλημα; - Μέχρι την διακοπή του κυκλώματος πόση είναι η τάση επαφής που εμφανίζεται; - Η χωρητικότητα των καλωδίων προς την γη είναι δυνατό να προκαλέσει ροή ρευμάτων ικανών να ενεργοποιήσουν τον ΔΔΡ; Πόσο είναι το ελάχιστο μήκος των καλωδίων, ώστε η χωρητικότητά τους να προκαλέσει ρεύμα διαρροής προς τη γη ικανό να ενεργοποιήσει ένα διακόπτη διαφορικού ρεύματος; Για την εκτίμηση του μέγιστου μήκους των καλωδίων για κάθε μια από τις παραπάνω ονομαστικές τιμές ρεύματος διαρροής να θεωρήσετε ότι οι αγωγοί των εγκαταστάσεων εμφανίζουν χωρητικότητες 0,1 ή 0,2 ή 0,3 ή 0,5 μf/km. Δώστε τα σχετικά αποτελέσματα με τη μορφή κατάλληλων πινάκων Γενικός σχολιασμός. Σε έκταση μιας σελίδας Α4 σχολιάστε τα βασικά μέτρα προστασίας από έμμεση επαφή σε δίκτυα τύπου Τx, τις αρχές λειτουργίας των, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους. 27