Elektrotechnické novinky č.4(40) Technický předpis

Výkon elektroinstalace se stal jedním z klíčových faktorů ovlivňujících úspěšnost průmyslového podniku a jeho schopnost vyrábět výrobky včas. Výpadky proudu často způsobují narušení technologických procesů, ovlivňují následné fáze výrobního cyklu a vedou k dodatečným nákladům na nákladné opravy. Pro takové podniky je obzvláště důležité kontrolovat parametry třífázových elektrických sítí. Tento problém lze s minimálním úsilím a náklady vyřešit použitím elektronických monitorovacích relé (obr. 1), které předem detekují odchylky parametrů a umožňují odpojení vadných komponent před poruchou zařízení. V tomto případě není potřeba provádět změny ve výrobním procesu ani instalovat další technologické zařízení.

Průmysl již dlouho oceňuje výhody napájení prostřednictvím třífázových sítí. Jako žádný jiný je tento systém vhodný pro různé průmyslové aplikace. Třífázová síť umožňuje nejen ekonomicky a spolehlivě přenášet významný výkon, ale také používat konstrukčně jednoduché a účinné třífázové motory.

Obr. 2a Hvězdné spojení

Obr.2b Obdélníkové spojení

V třífázových sítích se nejčastěji používají dva typy zapojení prvků – zapojení do hvězdy a zapojení do trojúhelníku. Zapojení do hvězdy: Tři vodiče třífázové sítě jsou spojeny v jednom bodě (nulový bod hvězdy), ke kterému pasuje i nulový vodič. Toto zapojení umožňuje použití dvou různých napětí: napětí mezi jednou ze tří fází a nulovým vodičem je 220/230 V a napětí mezi libovolnými dvěma fázemi je 380/400 V (obr. 2a). Zapojení do trojúhelníku: napětí mezi libovolnými dvěma body (u1, v1 a w1) je 400 V (obr. 2b).

Parametry třífázové sítě

Pro zajištění nepřetržité dodávky elektřiny do výroby je nutné sledovat stav třífázových sítí. Jedno- a multifunkční třífázová relé umožňují ovládat řadu důležitých parametrů.

Fázová sekvence

Tento parametr určuje směr otáčení elektromotoru. Porušení sledu fází při běžícím motoru nebo nesprávné zapojení fází před spuštěním změní směr otáčení připojeného zařízení. Otáčení nesprávným směrem způsobuje poruchu funkce generátorů, čerpadel, ventilátorů atd. Včasná detekce chyb fázového otáčení je velmi důležitá zejména u strojů s rotujícími a pohyblivými částmi, u pohonů a také u mobilních spotřebitelů, jako jsou stavební stroje.

Selhání fáze

Kvůli výpadku fáze se motory přestanou spouštět nebo začnou odebírat potřebný proud z jiných fází. V takové situaci jsou vinutí motoru vystavena nerovnoměrnému zatížení, které může způsobit poškození.

Přerušený neutrální vodič

Zda přerušení nulového (nulového) vodiče ovlivní provoz zařízení, závisí na tom, zda je zatížení v síti symetrické nebo asymetrické. Při symetrickém zatížení (například elektromotory nebo třífázové ohřívače) přerušení nulového vodiče neovlivňuje síť. Přerušení nulového vodiče v síti s asymetrickou zátěží způsobuje odchylky napětí v jednotlivých fázích, které mohou způsobit značné poškození připojeného zařízení. V tomto případě je nutné provést taková ochranná opatření, jak je uvedeno v příkladu „Detekce přerušeného nulového vodiče“.

Přepětí a podpětí

Dlouhodobý provoz elektrického zařízení, které je připojeno k síti s napětím mimo přípustné meze, má nežádoucí důsledky. Při zvýšení napětí se připojené zařízení přehřívá a v důsledku toho je poškozeno nebo dokonce zničeno. Při nízkém napětí zařízení pracuje nestabilně a není zaručeno spolehlivé spuštění motoru. Pokud je na cívku stykače přivedeno snížené napětí, kontakty nemusí při spínání správně fungovat – mohou zaujmout neurčitou polohu.

Asymetrie

V důsledku nerovnoměrného rozložení zátěže napříč fázemi sítě se napájecí napětí motoru stává asymetrickým. Současně se snižuje výkon zařízení, elektromotor zažívá zvýšené tepelné zatížení a může selhat, pokud zařízení tepelné ochrany, kterými je vybaven, nemají funkci řízení fázové asymetrie.

Příklady použití monitorovacích relé

Detekce výpadku fáze motoru pracujícího s rekuperací energie do sítě

Relé pro monitorování asymetrie fáze je schopno jasně detekovat ztrátu fáze běžícího třífázového motoru. Ve jmenovitém režimu, ihned po přivedení napájecího napětí, toto zařízení detekuje správnou rotaci fáze L1–L2–L3 a shodu všech napětí s rozsahem Umin/Umax. Tím je zajištěna absence přepětí, podpětí a ztráty fáze (obr. 3a). Teprve poté motor naskočí.

Obr. 3a
Třífázový motor s ovládacím relé v provozu: elektrický obvod, ekvivalentní obvod motoru, průběhy proudu a napětí

Obr.3b
Monitorování třífázového motoru s rekuperací a monitorovacím relé před vypnutím kvůli ztrátě fáze: elektrický obvod, ekvivalentní obvod motoru, křivky proudu a napětí

Když je fáze přerušena (fáze L3 na obr. 2b), fázový proud IL2 se rovná 0 a fázové napětí UL2 se sníží o hodnotu DU. Zbytkové napětí UL2 může být až 95 % jmenovitého napětí v závislosti na typu použitého motoru, zatížení a dalších faktorech. Zařízení pro monitorování fáze a podpětí monitorují výpadky fáze pouze do 60 % jmenovitého napětí. Proto nelze výpadek fáze běžícího motoru určit s dostatečnou spolehlivostí pomocí fázového nebo nízkonapěťového řídicího relé. Spolehlivého zjištění této poruchy lze dosáhnout pouze monitorováním fázové asymetrie. Po zjištění fázové asymetrie relé řízení asymetrie vypne motor, aby se zabránilo poškození.

Určení přerušeného nulového vodiče

Jak již bylo uvedeno, důsledky přerušení nulového vodiče závisí na typu zátěže v třífázové síti. Proud procházející nulovým vodičem IN je podle Kirchhoffova zákona určen jako součet všech fázových proudů. Při symetrické zátěži přerušení nulového vodiče neovlivňuje činnost zařízení, protože fázové proudy IL1, IL2 a IL3 jsou stejné velikosti a jsou vůči sobě posunuty o 120O. Proud protékající nulovým vodičem IN je kdykoli nulový (viz křivky proud/napětí na obr. 3a) a přerušení N není nutné monitorovat.

Obr.3c
Třífázový motor se ztrátou fáze v L2 po sepnutí řídicího relé: elektrický obvod, ekvivalentní obvod motoru, křivky proudu a napětí

V sítích s asymetrickou zátěží – kterých je zpravidla většina – mají fázové proudy IL1, IL2 a IL3 různé hodnoty a různé fázové úhly a fázová napětí UL1, UL2 a UL3 vzhledem k UN jsou stejná. . V důsledku rozdílu fázových proudů protéká nulovým vodičem kompenzační proud IN. Při přerušení nulového vodiče se proud IN rovná 0 a nulový bod hvězdy se posune, proto se fázová napětí přerozdělí mezi jednotlivé fáze (obr. 4). To znamená, že fázové napětí v obvodu se sníženou zátěží klesá a v obvodu se zvýšenou zátěží se zvyšuje.

Obr Přerušený nulový vodič dovnitř třífázová síť

Obr Připojení třífázového ovládacího relé neutrální vodič

V jednom z obvodů se tak objeví přepětí, které může poškodit připojené zařízení. V jiném obvodu naopak dochází k poklesu napětí s různými důsledky v závislosti na zátěži. Pokud je tedy zátěž běžící motor a nadále spotřebovává ze sítě stejnou energii, jakou spotřeboval před přerušením nulového vodiče, pak se proud v tomto obvodu zvýší, což způsobí zahřátí zátěže a za určitých okolností zničení to. Spínací zařízení, jako jsou stykače, mohou pracovat nestabilně v důsledku poklesu napětí, náhodného zapínání/vypínání. To vede k nepředvídatelnému spínání připojené zátěže a situacím nebezpečným pro zařízení. Třífázová proudová monitorovací relé s funkcí sledování nulového vodiče poskytují bezpečnou a spolehlivou ochranu proti přerušení N-vodiče. Tato relé jsou připojena ke třem fázím napájecí sítě a nulovému vodiči (obr. 5). Uvnitř relé je simulováno zapojení do hvězdy a zátěž je připojena k N. Stav nulového vodiče lze určit měřením napětí na odporu v jeho obvodu. Při připojení tohoto vodiče vzniká kompenzační proud IN, který způsobí pokles napětí URN. V případě, že je proud IN a napětí URN roven nule, výstupní relé hlásí přerušení nulového vodiče.

Závěr

Uvažované příklady ukazují proveditelnost a důležitost monitorování parametrů v třífázových sítích. Tento krok s minimálními náklady zajišťuje bezpečný a spolehlivý provoz zařízení, zachovává výrobní proces, zabraňuje ztrátám a zároveň pomáhá šetřit náklady. Klíčovými vlastnostmi, které se ABB snaží poskytnout všem třífázovým monitorovacím relé, které vyrábí, je snadné použití a všestrannost. Přes své malé rozměry mají multifunkční relé celou řadu funkcí, které je umožňují poměrně flexibilně integrovat do téměř jakéhokoli technologického procesu. Při změně procesních parametrů lze relé snadno překonfigurovat výběrem požadované funkce. Jedním z takových zařízení je multifunkční relé CM-MPS. Toto zařízení zajišťuje řízení všech fázových parametrů: sled fází, výpadek fáze, poklesy napětí a asymetrie. K napájení nejsou potřeba žádné další obvody, protože k tomuto účelu lze využít řízenou síť. Sortiment relé ABB zahrnuje i jednodušší zařízení, která monitorují pouze konkrétní parametr, což umožňuje cenově výhodné monitorování třífázových sítí.

Třífázová monitorovací relé ABB zajišťují monitorování všech důležitých parametrů třífázových obvodů. Detekují chyby v rané fázi a pomáhají tak předejít odstavení celé instalace. V případě velkého narušení sítě bezpečně vypnou připojená zařízení a motory, čímž sníží riziko poškození a ochrání instalaci před poruchami, které stojí čas a peníze.

Díky použití třífázových monitorovacích relé je zachován bezpečný provoz zařízení s maximální dostupností, což je důležitým přínosem pro ekonomiku podniku.

Potřebujete více informací?

Jaké je nebezpečí zlomeného neutrálního vodiče v domě nebo bytě?

Přerušení nulového vodiče v třífázové elektrické síti je nebezpečný jev, který může poškodit domácí elektrické spotřebiče a usmrtit lidi elektrickým proudem. Od rozvodny (TS) ke spotřebiteli, v tomto případě k domu, proudí elektřina čtyřmi vodiči – třífázovým a vodičem, který kombinuje funkce pracovního nulového vodiče a ochranného uzemnění. Proud protéká nejběžnějším uzemňovacím systémem TN-CS.

Tento typ systému zajišťuje uzemnění neutrálu zdroje energie – transformátoru rozvodny. Po vstupu do budovy je kombinovaný vodič rozdělen na pracovní nulový vodič a ochranný vodič a poté distribuován mezi byty. Tři fáze elektrické sítě jsou po zavedení do domu rozmístěny do přibližně stejného počtu bytů. Ale při normálním provozu elektrické sítě je zatížení tří fází nerovnoměrné, protože obyvatelé bytů používají elektrické spotřebiče odlišně a v různých časových obdobích se zatížení fází liší a výrazně. V tomto případě je napětí napříč fázemi téměř stejné, protože neutrální vodič hraje roli vyvažovače, který snižuje takzvané předpětí neutrálního bodu téměř na nulu.

V případě přerušení nulového vodiče na elektrickém vedení okamžitě dochází k nerovnováze – dochází k nerovnováze fázových napětí. V tomto případě v jedné fázi, kde je zatížení menší, se napětí prudce zvyšuje a v nejvytíženější fázi naopak klesá. Navíc v závislosti na nesymetrii může napětí na fázích kolísat od několika desítek voltů až po hodnotu lineárního napětí třífázové sítě – 380 V. V tomto případě vše závisí na velikosti nesymetrie zátěže napříč fáze elektrické sítě.

Následky takových napěťových rázů zná snad každý. Výrazný přebytek napětí v domácí síti povede k poruše téměř všech zařízení, která byla aktuálně v provozu ze sítě. Příliš nízké napětí během pár minut poškodí kompresor ledničky nebo klimatizace, elektromotor pračky a další elektrospotřebiče, které mají elektromotory. Abnormální provoz elektrických spotřebičů může mít za následek jejich poruchu a následný požár.

Selhání domácích spotřebičů není to nejhorší. Pokud neutrál vyhoří před vstupem do domu, to znamená, než se rozdělí na nulový a uzemňovací vodič, objeví se fázové napětí na všech uzemněných prvcích zařízení a domácích elektrických spotřebičů. Pokud se takových elektrických spotřebičů dotknete, bude osoba zasažena elektrickým proudem.

Pokud má dům systém vyrovnání potenciálu, který zajišťuje elektrické připojení k uzemňovací sběrnici všech kovových konstrukčních prvků a kovových potrubí, pak se pravděpodobnost úrazu elektrickým proudem sníží, protože se člověk nedotkne dvou bodů s různými potenciály. Jak však ukazuje praxe, takový systém není ve většině domácností implementován, a pokud se na těle elektrického spotřebiče objeví nebezpečný potenciál a člověk se dotkne jak tohoto elektrického spotřebiče, tak kovového předmětu, který má jiný potenciál, být šokován.

Jak chránit sebe a domácí elektrospotřebiče před výše popsanými následky?

Hlavním opatřením ochrany proti případným napěťovým rázům je instalace napěťového relé na vstup domovního rozvodného panelu. V případě nadměrného poklesu nebo zvýšení napětí napěťové relé okamžitě odpojí elektrické vedení a zároveň ochrání elektrické spotřebiče připojené k síti.

Pokud je nulový vodič poškozen a na těle zařízení se objeví nebezpečný potenciál, žádný ze systémů uzemnění sítě neposkytne zaručenou ochranu. V síti systému TN-CS neexistuje žádná ochrana proti možnému výskytu nebezpečného potenciálu na tělese zařízení v případě poškození nuly až po její oddělení. V tomto případě lze zaručit bezpečný provoz uzemněných elektrických spotřebičů pouze tehdy, pokud dodavatelská organizace provádí pravidelné kontroly stavu sítí z napájecí rozvodny přímo do hlavního rozvodného panelu domu a okamžitě odstraňuje možné narušení.

V elektrické síti, kde je implementován systém TT, přerušení nulového vodiče nevede k výskytu nebezpečného potenciálu na těle zařízení. Ale v tomto případě může dojít k napěťové nerovnováze mezi fázemi, takže napěťová relé v těchto sítích musí být také instalována pro ochranu domácích elektrických spotřebičů.

Řešením této nebezpečné situace bude zařízení, které změří rozdílový únik proudu a při překročení určité úrovně vypne elektrické vedení. Jedná se o proudový chránič nebo diferenciální jistič. V tomto případě, pokud dojde k možnému úniku proudu do uzemněného těla, RCD okamžitě odpojí elektrické vedení. V žádném případě byste neměli instalovat elektronický RCD, ale pouze elektromechanický, protože první se při porušení nuly stává zbytečným zařízením. Při porušení nuly přestane fungovat elektronický obvod v elektronickém RCD a s ním i celé zařízení. Elektromechanický RCD nemá tuto nevýhodu a jasně zvládá ztrátu nuly, vypnutí řízeného vedení.

Podle našeho názoru by nejkompletnějším technickým řešením ochrany proti nulovým ztrátám v jakémkoliv systému elektrické sítě bylo společné použití napěťového regulačního relé a elektromechanického RCD (diferenciálního jističe) v napájecím obvodu.

Podrobnější informace o systémech elektrických zařízení získáte v kanceláři společnosti Elektroplan TNS nebo můžete zanechat poptávku a dotazy, které vás zajímají, na emailu [email protected].