ei_2004_04_s022.pdf

ochrona

przeciwporażeniowa

podstawowe kryteria

skuteczności ochrony

przeciwporażeniowej

wczoraj, dziś i jutro (część 1)

prof. dr hab. inż. Zdzisław Teresiak - Politechnika Wrocławska

Artykuł został opracowany na bazie licznych dokumentów przekazanych do Międzynarodo-

wej Komisji Elektrotechnicznej (IEC) przez ESF – Vienna – Electrical Safety w Austrii, opra-

cowanych przez zespół pod kierownictwem prof. Gottfrieda Biegelmeiera i stanowiących

propozycje podstawowych zmian i uzupełnień w zakresie przepisów ochrony przeciwpo-

rażeniowej. Przy pisaniu artykułu wzięto pod uwagę również najnowsze osiągnięcia z za-

kresu elektropatoizjologii, nauki o bezpieczeństwie i praktyki eksploatacyjnej [1÷6].

June 1994, zwrócono uwagę na

fakt, że wytyczne IEC 60364 wymagają

podstawowej dyskusji w zakresie struk-

tury i części technicznej, zwłaszcza

w odniesieniu do części 41 (Part 41

„Protection against electric shock”). Po

zaakceptowaniu tych propozycji przez

większość krajów członkowskich IEC

(Document 64/749/RVN, November

1994), powołano grupę roboczą (Wor-

king Group 30), która nie podołała jed-

nak postawionemu zadaniu. Prace nad

rewizją dokumentu IEC 60364-4-41

wznowiła kolejna grupa robocza (Wor-

king Group 9 of TC 64), wydając po

ośmiu latach trudnych dyskusji doku-

ment (64/1212/CD, November 2001),

w którym, mimo różnych obiekcji, zo-

stał osiągnięty znaczący postęp –

przede wszystkim w następujacych

kwestiach:

§ usunięto z IEC 364-4-41 (III wyda-

nie 1992 r.) podpunkt 411 „Protec-

tion against both direct and indi-

rect contact” (Równoczesna ochro-

na przed dotykiem bezpośrednim

i pośrednim);

§ wprowadzono nowy punkt 415 „Ad-

ditional protection” (Ochrona do-

datkowa – uzupełniająca);

§ usunięto niejasny termin „conven-

tional touch voltage limit” (umow-

na granica napięcia dotykowego).

Z drugiej strony jednak cofnię-

to się w rozwiązywaniu niektórych

punktów, np.:

§ zburzono logiczny porządek po-

działu środków ochrony przeciw-

porażeniowej „basic protection –

fault protection – additional pro-

tection” (ochrona podstawowa –

ochrona uszkodzeniowa – ochro-

na dodatkowa – określana w Polsce

jako „ochrona uzupełniająca”) przez

umieszczenie bardzo ważnej „ochro-

ny podstawowej” (basic protection)

w załączniku;

§ przy ustalaniu wymagań dla mak-

symalnych czasów wyłączania nie

wzięto pod uwagę faktu, że napięcia

uszkodzenia (fault voltages) są w sys-

temach TT przeciętnie dwa razy wyż-

sze niż w układach TN (o tym sa-

mym napięciu znamionowym);

§ dla systemów TT utrzymano stary

warunek dla samoczynnego wyłą-

czenia zasilania, chociaż właściwszy

byłby warunek odniesiony do mak-

symalnej wartości impedancji pę-

tli uszkodzeniowej (zwarciowej) Z s

(fault loop impedance Z s );

§ obwody FELV sklasyfikowano jako

środek ochrony polegającej na sa-

moczynnym wyłączeniu zasilania,

zamiast jako środek ochrony ELV

(przez zastosowanie bardzo niskie-

go napięcia).

Zdaniem prof. Biegelmeiera, wpro-

wadzanie tylko małych zmian w do-

kumentach IEC nie prowadzi do usta-

lenia poprawnych przepisów ochro-

ny przeciwporażeniowej, wykorzy-

stujących w sposób kompleksowy naj-

nowszą wiedzę z dziedziny elektropa-

tologii, a nie tylko jej encyklopedycz-

ne szczegóły, jak to miało miejsce do-

tychczas. Ponadto nowe przepisy po-

winny być zredagowane tak, aby były

w pełni zrozumiałe i łatwe do stoso-

wania w praktyce. W tym właśnie celu

ESF-Vienna opracowała dla IEC propo-

zycję kompleksowej rewizji dotychcza-

sowych ustaleń [6].

tyczny próbuje się traktować system

ochronny. Poprzednio był on nazy-

wany systemem przewodów ochron-

nych, a później – siecią ochronną ze

stałą kontrolą stanu izolacji (protec-

tive insulation monitoring, PIM),

działającą przy pierwszym uszko-

dzeniu na sygnał (tylko w wyjąt-

kowych sytuacjach na wyłączenie)

jako system IT, włączając go w ten

sposób do grupy środków ochrony

przez zastosowanie samoczynnego

wyłączenia zasilania. Pod względem

merytorycznym jest to stwierdzenie

błędne, ponieważ podstawową zale-

tą systemu PIM, wykorzystywanego

głównie w przemyśle, jest to, że przy

pierwszym uszkodzeniu nie następu-

je przerwa w zasilaniu.

systemy sieciowe

a środki ochrony

przeciwporażeniowej

Austria od wielu lat na forum IEC

zwracała uwagę na fakt, że wprowa-

dzona w latach 60. ubiegłego stu-

lecia klasyfikacja systemów siecio-

wych TN, TT oraz IT jest przestarza-

ła z punktu widzenia rozwoju tech-

nicznego, a w nawiązaniu do ochro-

ny przeciwporażeniowej prowadzi do

nieporozumień i błędów.

system TT

Samoczynne wyłączenie zasila-

nia w tym systemie, przy pierwszym

uszkodzeniu, może być dokonane za-

równo za pomocą urządzenia ochron-

nego przetężeniowego, jak i urządze-

nia ochronnego różnicowoprądowe-

go. Już w latach 60. ubiegłego stulecia

stało się oczywiste, że w przypadku

zastosowania (do samoczynnego wy-

łączenia zasilania) urządzeń ochron-

nych przetężeniowych, system TT

może być użyty tylko tam, gdzie ist-

nieje sieć dobrze przewodzących ru-

rociągów wodnych, łącząca uziemie-

nia systemu i uziemienia instalacji

system IT

Jeszcze pięćdziesiąt lat temu sys-

temy sieciowe 3x220 V, izolowane

względem ziemi, jako systemy pu-

blicznych (komunalnych) sieci roz-

dzielczych w miastach były dość czę-

sto stosowane, mimo że stawało się

oczywiste, że będą zastąpione trój-

fazowym systemem uziemionym,

a dziś nie są już praktycznie stoso-

wane. Jednak w sposób problema-

22 www.elektro.info.pl

nr 4/2004

W dokumencie 64 (Austria) 49,

odbiorczej. Ale wtedy nie występuje

separacja elektryczna tych uziemień,

co stanowi istotę tego systemu w sen-

sie IEC 60364.

W przypadku zastosowania wyłącz-

ników różnicowoprądowych, wyko-

rzystanie systemu TT może być nie-

realne, jeżeli znajdują się w otoczeniu

liczne inne uziomy sztuczne i natural-

ne, m.in. uziemienia urządzeń tech-

niki informacyjnej, tworzące za po-

średnictwem głównych przewodów

wyrównawczych uwikłaną sieć uzie-

mień, uniemożliwiającą prawidłowe

działanie urządzeń ochronnych róż-

nicowoprądowych.

Wartość impedancji Z T w omach dla kwantyli prawdopodobieństw

5% populacji 50% populacji 95% populacji

V a b c a b c a b c

25 1750 1175 960 3250 2175 1300 6100 4100 1755

50 1375 1100 940 2500 2000 1275 4600 3675 1720

75 1125 1025 920 2000 1825 1250 3600 3275 1685

100 990 975 880 1725 1675 1225 3125 2950 1655

125 900 900 850 1550 1550 1200 2675 2675 1620

150 850 850 830 1400 1400 1180 2350 2350 1590

175 825 825 810 1325 1325 1155 2175 2175 1580

200 800 800 790 1275 1275 1135 2050 2050 1530

225 775 775 770 1225 1225 1115 1900 1900 1505

400 700 700 700 950 950 950 1275 1275 1275

500 625 625 625 850 850 850 1150 1150 1150

700 575 575 575 775 775 775 1050 1050 1050

1000 575 575 575 775 775 775 1050 1050 1050

Wartość

asymptot.

575 575 575 775 775 775 1050 1050 1050

Objaśnienia: powierzchnia styczności elektrody 10 000 mm 2 ; a, b, c – stany skóry: suchy, mokry, mokry słony

Tab. 3.1 Impedancje ciała człowieka Z T na drodze rażenia ręka-ręka, przy dużych powierzchniach styczności i różnych stanach skóry, dla

prądu przemiennego 50/60 Hz

system TN

Wartość impedancji Z T w omach dla kwantyli prawdopodobieństw

5% populacji 50% populacji 95% populacji

V a b c a b c a b c

25 11125 5050 1795 20600 9350 2425 38725 17575 3275

50 7150 4100 1765 13000 7750 2390 23925 13700 3225

75 4625 3400 1740 8200 6000 2350 14750 10800 3175

100 3000 2800 1715 5200 4850 2315 9150 8525 3125

125 2350 2350 1685 4000 4000 2280 6875 6875 3075

150 1800 1800 1660 3000 3000 2245 5050 5050 3030

175 1550 1550 1525 2500 2500 2210 4125 4125 2985

200 1375 1375 1350 2200 2200 2175 3525 3525 2935

Objaśnienia: powierzchnia styczności elektrody 1000 mm 2 ; a, b, c – stany skóry: suchy, mokry, mokry słony

Tab. 3.2 Impedancje ciała człowieka Z T na drodze rażenia ręka-ręka przy średnich powierzchniach styczności i różnych stanach skóry,

dla prądu przemiennego 50/60 Hz

Podział systemu TN na syste-

my: TN-C, TN-S i TN-C-S, wprowa-

dził pewien dalej idący zamęt. We-

dług definicji zawartej w publika-

cji IEC-60364, system elektroener-

getyczny stanowi wzajemne powią-

zanie źródła prądu – sieci rozdziel-

czej – instalacji odbiorczej. W prak-

tyce zdarza się niekiedy, że w syste-

mie TN w pewnej instalacji odbior-

czej (np. na końcu długiego odgałę-

zienia sieciowego) nie zastosowano

ochrony nazywanej dawniej „zerowa-

niem”, lecz tzw. „uziemienie ochron-

ne”. I dlatego należałoby tę formę

układu sieciowego określać jako wy-

dzielony system TT w systemie TN,

co wprowadza zamieszanie pojęcio-

we. Mylące jest również, jeśli w od-

Wartość impedancji Z T w omach dla kwantyli prawdopodobieństw

5% popu-lacji 50% populacji 95% populacji

V a b c a b c a b c

25 91250 39700 5400 169000 73500 7300 317725 138175 9855

50 74800 29800 5105 136000 54200 6900 250250 99725 9315

75 42550 22600 4845 74000 40000 6550 133200 72000 8840

100 23000 17250 4590 40000 30000 6200 70400 52800 8370

125 12275 12875 4330 22000 22000 5850 37850 37850 7900

150 7200 7200 4000 12000 12000 5550 20225 20225 7490

175 4000 4000 3700 6500 6500 5250 10725 10725 7085

200 3375 3500 3400 5400 5400 5000 8650 8650 6750

Objaśnienia: powierzchnia styczności elektrody 100 mm 2 ; a, b, c – stany skóry: suchy, mokry, mokry słony

Tab. 3.3 Impedancja ciała człowieka Z T , na drodze rażenia ręka-ręka, przy małych powierzchniach styczności i różnych stanach skóry, dla

prądu przemiennego 50/60 Hz

nr 4/2004

www.elektro.info.pl

Napięcie

dotykowe

Napięcie

dotykowe

Napięcie

dotykowe

ochrona

przeciwporażeniowa

niesieniu do pewnej instalacji odbior-

czej w obwodzie gniazd wtykowych,

z oddzielnie prowadzonym przewo-

dem ochronnym, mówi się o syste-

mie TN-S, podczas gdy ewidentnie

chodzi o system TN-C-S.

Napięcie dotykowe

Wartość rezystancji R T na drodze rażenia ręka-ręka, przy dużych powierzchniach

styczności, w stanie suchym skóry, dla prądu stałego

5% populacji

50% populacji

95% populacji

2100

3875

7275

1600

2900

5325

1275

2275

4100

100

1100

1900

3350

125

975

1675

2875

150

875

1475

2475

propozycje ESF Vienna

175

825

1350

2225

200

800

1275

2050

225

775

1225

1900

400

700

950

1275

Powyższe uwagi krytyczne, zda-

niem autorów projektu [6], świadczą

o tym, że dotychczasowa klasyfikacja

systemów wprowadza niepotrzebną

i mylącą komplikację w normach in-

stalacji elektrycznych. Można przecież

znacznie prościej sklasyfikować środki

ochrony przeciwporażeniowej z prze-

wodami ochronnymi PE (nazewnictwo

w języku polskim jest wyłącznie tłuma-

czeniem terminów anglo- i niemieckoję-

zycznych oraz nie stanowi propozycji au-

tora w tym zakresie), a mianowicie:

§ uziemienie przewodem ochron-

no-neutralnym (protective neutral

earthing, Neutralleiter – Schutzer-

dung), dawniej nazywane „zerowa-

niem” (Nullung);

§ uziemienie ochronne separowane

(protective separate earthing, Schut-

zleiter – Einzelerdung), dawniej na-

zywane „uziemieniem ochronnym”

(„Schutzerdung”);

§ system kontroli stanu izolacji (in-

sulation monitoring system, Isola-

tions-Überwachungssystem), daw-

niej nazywany „siecią ochronną”.

Trzeba stwierdzić, że propozycje te

w pewnym sensie przywracają daw-

niej stosowaną klasyfikację środków

ochrony w ramach określonych sys-

temów sieci zasilającej.

500

625

850

1150

700

575

775

1050

1000

575

775

1050

Wartość

asymptotyczna 575 775 1050

Tab. 3.4 Rezystancje ciała człowieka R T , na drodze rażenia ręka-ręka, przy dużych powierzchniach styczności, w stanie suchym skóry,

dla prądu stałego wartości progowe charakterystycznych reakcji patoizjologicznych

na grupie 100 osób, przy napięciu do-

tykowym U T = 25 V, prądu przemien-

nego 50 Hz, a w odniesieniu do jednej

osoby (sam prof. Biegelmeier), także

przy napięciach wyższych - aż do 200 V

i istotnie ograniczonym czasie rażenia.

W innych krajach również prowadzo-

no w tym czasie interesujące badania

zarówno na ludziach żywych, jak i na

zwłokach oraz na zwierzętach. Wyni-

ki tych badań doprowadziły do istot-

nego rozszerzenia wiedzy w tej dzie-

dzinie, tak że w 1984 r. IEC opubliko-

wało drugie wydanie raportu (IEC – Ra-

port 60479 – Part 1, 1984, Second Edi-

tion). Na podstawie pomiarów na 100

żywych osobach , przy napięciu dotyko-

wym 25 V prądu przemiennego 50 Hz,

obliczono kwantyle prawdopodobień-

stwa 5%, 50% i 95% impedancji ciała

człowieka. Porównanie tych wyników

z pomiarami Freibergera na zwłokach

wykazało, że impedancje ciała ludzi

żywych są istotnie mniejsze niż zwłok

ludzkich, w głównej mierze ze względu

na wyższą temperaturę ciała ludzi ży-

wych. Ustalone wtedy wartości impe-

dancji ciała człowieka dla napięć dotyko-

wych wyższych uzyskano przy spekula-

tywnym (w sposób graficzny) wykorzy-

staniu nachylenia krzywych Z T = f(U T )

z pomiarów na zwłokach ludzkich

(wtedy jeszcze bez korekty temperatu-

rowej). Mimo że w drugim wydaniu ra-

portu IEC znalazło się znacznie więcej

informacji dotyczących impedancji cia-

ła człowieka, to brakowało w nim cią-

gle jeszcze istotnych zależności tej impe-

dancji od powierzchni styczności elek-

trod (jej wymiarów i stanu wilgotności

skóry), od częstotliwości prądu, a także

nie było danych dla prądu stałego. Lukę

tę postarał się wypełnić zespół pod kie-

runkiem prof. Biegelmeiera. W rezulta-

cie powstało w 1994 r. trzecie wydanie

raportu IEC (IEC – Raport 479-1, Third

Edition, 1994). Ale jednak i w tym do-

kumencie w analizie wyników badań

nie uwzględniono różnych temperatur

zwłok ludzkich i ciała żywego człowie-

ka. Wiele wyników badań dotyczyło cią-

gle jeszcze pomiarów tylko na jednym

człowieku (osoba prof. Biegelmeiera),

ponieważ pomiary przy wyższych na-

pięciach U T stwarzały duże ryzyko [2].

Celem kolejnych badań zespołu

prof. Biegelmeiera było przeprowa-

dzenie uzupełniających pomiarów na

większej liczbie ludzi i przy zastosowa-

niu elektrod o różnych powierzchniach

styczności (duża - 10 000 mm 2 , średnia -

100 mm 2 , mała - 10 mm 2 , bardzo mała

- 1 mm 2 ) w stanie skóry suchym, zmo-

czonym wodą oraz wodą słoną, imitują-

cą pot ludzki. Innym celem było wpro-

wadzenie do wyników pomiarów na

zwłokach odpowiedniej korekty tem-

peraturowej. Ze względu na istnieją-

ce ryzyko szkodliwych skutków raże-

nia, wiele pomiarów ograniczono do

10 osób, a te o największym zagroże-

niu dotyczyły w dalszym ciągu jednej

osoby (osoba prof. Biegelmeiera). W re-

zultacie tych badań [2], przeprowadzo-

nych na niespotykaną dotąd skalę, po-

wstało w 2002 r. specjalne opracowa-

nie dla IEC (Proposal for a revision of

IEC 479-1, Technical Report – Type 2

– Third Edition 1994), wydane przez

ESF – Vienna [5], stanowiące projekt

rewizji dotychczasowych ustaleń. Pod-

stawowe wyniki zawarte w tym opra-

cowaniu zamieszczone są w tabelach

3.1, 3.2, 3.3 i 3.4.

literatura

1. Antoni H., Biegelmeier G., Kieback

D., Conventional threshold values

of tolerable risks for the appearance

of ventricular fibrillation caused by

electric shacks with alternating cur-

rent 50/60 Hz and direct current re-

spectively. ESF, Technical Publication

Series, No. 3E. ESF, Vienna 2002.

2. Bachl H., Biegelmeier G., Hirtler R.,

Body impedances of living persons

for various contact areas in dry, wa-

ter –wet and salt-wet condition. ESF,

Technical Publication Series, No. 2E,

Second edition. ESF, Vienna 2003.

3. Biegelmeier G., Protection against

electric shock – Assessment of tole-

rable risks – Comparison of valen-

ces. ESF, Technical Publication Se-

ries, No. 4E. ESF, Vienna 2002.

4. Biegelmeier G., Mörx A., Ganzhe-

itsbetrachtungen und Grundregeln

für den Schutz gegen elektrischen

Schlag in Niederspannungsanla-

gen. Materiały Konferencji „Bezpie-

czeństwo elektryczne”, Politechnika

Wrocławska, Wrocław 2001.

5. IEC-Report 60479. Part t. Draft Fe-

bruary 2002: Effects of current on

human beings and live stock. ESF,

Vienna 2002.

6. IEC-Report 60364-4-41. Draft Sep-

tember 2002. Electrical installations

of buildings. Part 4-41: Protection

for safety. Protection against elec-

tric shock. ESF, Vienna 2002

impedancje ciała człowieka

Pierwsze ustalenia Międzynarodo-

wej Komisji Elektrotechnicznej (IEC),

dotyczące impedancji ciała człowieka,

bazowały na badaniach Freibergera,

Sama i Osypki, i zostały opublikowane

w raporcie w 1974 r. (IEC – Raport 479,

First Edition 1974). Jednak już wkrót-

ce wiele luk i wątpliwości w tym do-

kumencie spowodowało konieczność

dalszych intensywnych badań. I tak

już w 1976 r. wykonano w Austrii po-

miary impedancji ciała żywych ludzi

24 www.elektro.info.pl

nr 4/2004

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: