Strażnik elektronów – rzecz o wyłączniku różnicowoprądowym cz.1

Kilka wpisów temu opisywałem działanie wyłącznika nadprądowego i testowałem sposób jego funkcjonowania na kilka sposobów. Dla przypomnienia element ten służy do zabezpieczenia przewodów przed przegrzaniem / uszkodzeniem w przypadku przekroczenia natężenia prądu jaki w nich płynie.
No tak. Ilość przepływającego prądu jest sprawdzona, natomiast wyłącznik ten nie powie nam czy prąd, który wypłynął ze skrzynki rozdzielczej przewodem fazowym, zgodnie z definicją obwodu elektrycznego, powrócił do niej przewodem neutralnym.

I tutaj z pomocą przychodzi wyłącznik różnicowoprądowy. Często nieobecny w instalacjach starszego typu, lecz od kilku lat jest obowiązkowym elementem domowej rozdzielnicy. Na początek kilka pytań:

• Jaka jest jego zasada działania?
• Przed czym zabezpiecza?
• Jakie są parametry wyłącznika róznicowoprądowego?
• Jak jest zbudowany?
• W jaki sposób sprawdzić, że działa poprawnie?

Na te pytania i wiele innych odpowiem w niniejszym artykule na przykładzie wyłącznika różnicowoprądowego na napięcie 230V.

Przed czym chroni „różnicówka”

Kilka wersów wyżej wspomniałem, że prąd może płynąć inną drogą niż w obwodzie zamkniętym. A gdzież on może płynąć zapytasz? Nieśmiało podpowiem, że odpowiedź znajdziesz w artykule o uziemieniu 🙂 .

Ale konkretnie. Złóżmy, że urządzenie lub lampa ulegnie uszkodzeniu czego efektem będzie prąd płynący przez obudowę do instalacji uziemiającej.
Jeśli to będzie zwarcie czyli będzie płynął prąd o bardzo dużym natężeniu, to po krótkiej chwili zadziała wyłącznik nadmiarowo-prądowy, który stwierdzi, że przewody mogą się przegrzać. Kwestia tylko czy urządzenie przeżyje tak duży prąd przez niego płynący.
A co jeśli nie ma tak „dobrze”?
Jeżeli skutkiem uszkodzenia jest upływający do instalacji uziemiającej prąd o niedużej wartości natężenia np. 0.5A? Wtedy prąd może sobie płynąć całymi dniami / tygodniami, a że coś się dzieje zauważymy dopiero na rachunku.
Drugim „kanałem”, którędy elektrony mogą uciec, jest człowiek. W końcu porażenie prądem elektrycznym to nic innego jak płynący przez człowieka prąd elektryczny.

Wyłącznik różnicowoprądowy służy właśnie do tego, żeby sprawdzić – patrząc od strony obwodów elektrycznych w domu – jaka jest różnica pomiędzy prądem z niego wypływającym, a prądem powracającym (wpływającym). Gdy wszystko jest ok, różnica wynosi 0.000A (dokonałem tutaj małego uproszczenia, ale na pierwszą część wystarczy 🙂 ) .
Jeśli różnica jest zbyt duża (wartość zależna od wyłącznika, ale w domach zwykle jest to 30mA czyli 0.03A), wyłącznik odcina napięcie podpiętym do niego urządzeniom.

Bardzo często mówi się, że wyłącznik różnicowoprądowy służy do ochrony przed porażeniem prądem elektrycznym. Jest to oczywiście prawda, ale…
Trudno się nie zgodzić ze stwierdzeniem, że gdy prąd o określonym natężeniu płynie przez człowieka do ziemi tzn. że ten prąd nie powróci przewodem neutralnym do wyłącznika różnicowoprądowego i ten ostatni zareaguje poprzez odcięcie napięcia. Istnieją jednak co najmniej dwa przypadki, kiedy wyłącznik nie zadziała, a prąd człowieka będzie raził. Skupię się na nich w kolejnym odcinku, a tymczasem przejdźmy do następnej kwestii.

Ale o co chodzi z tym prądem wypływającym?

Wróćmy na chwilę do podstaw. We wpisie Słów kilka o… elektryczności cz.2 zaprezentowałem rysunek:

Chciałbym, żebyś w tej chwili skupił(a) swoją uwagę na wartościach prądu. Z zasilacza (+) wypływa prąd o natężeniu 2.5A, następnie w tzw. węźle następuje podział i część elektronów (0.5A) płynie przez żarówkę 1, a druga część (2.0A) przez żarówkę 2. Po przepłynięciu przez żarówki, natężenia prądów sumują się i do zasilacza (–) powraca dokładnie taka sama liczba elektronów co z niego wypłynęła (2.5A).
Chcę tutaj pokazać, że podczas normalnej pracy urządzeń, liczba elektronów musi się zgadzać, a elektrony nie są w żaden sposób „pochłaniane” przez urządzenia.
Ta sama zasada dotyczy znajdującego się w gniazdkach prądu przemiennego. Ok, dla urządzeń trójfazowych sprawa jest trochę bardziej skomplikowana, ale w przypadku jednofazowych elementów (czyli jeśli chodzi o dom – zdecydowanej większości) tego typu matematyka w zupełności wystarczy.

Podstawowe parametry

Jak każdy osprzęt elektryczny, tak i wyłącznik różnicowoprądowy posiada pewne, opisujące jego charakterystykę parametry. Skupię się tutaj na najważniejszych. Ich znajomość w zupełności wystarczy do wybrania właściwego typu wyłącznika:

• Prąd różnicowy IΔn – podstawowy parametr, który mówi jaka jest graniczna wartość różnicy pomiędzy prądem który wypłynął z wyłącznika, a prądem który do tego wyłącznika powrócił. W mieszkaniach i domach najczęściej stosuje się wyłączniki o IΔn = 30mA. Dla przypomnienia dodam, że jest to umowna graniczna wartość prądu jaka może płynąć przez człowieka, i która nie stanowi dla niego zagrożenia życia.
  W wyjątkowych sytuacjach stosuje się wyłączniki o prądzie różnicowym na poziomie 10mA.
  Są też i mniej czułe wyłączniki różnicowoprądowe, które wykrywają prąd różnicowy dopiero na poziomie nawet 500mA, ale służą one do ochrony urządzeń w zakładach przemysłowych i nas nie dotyczą.
• Prąd znamionowy In – maksymalny prąd jaki długotrwale (w dłuższym okresie czasu) może przepływać przez wyłącznik.
• Napięcie znamionowe Un – napięcie dla którego zaprojektowany jest wyłącznik. Do zastosowań domowych mamy dwie opcje do wyboru:
  • 230V  – wyłącznik dwubiegunowy posiadający złącza na przewód fazowy i przewód neutralny
  • 400V – wyłącznik czterobiegunowy posiadający złącza na 3 przewody fazowe i przewód neutralny
• Liczba biegunów – jak wspomniałem powyżej wyłącznik może być:
  • dwubiegunowy – 2P
  • czterobiegunowy – 4P
• Typ wyzwalania – pod tym względem rozróżniamy trzy rodzaje wyłączników o oznaczeniach:
  • AC – najbardziej popularny (i najtańszy), wykrywa prąd różnicowy przemienny – na 99% będziesz potrzebował tego wyłącznika.
  • A – wykrywa prąd różnicowy przemienny i zmienny w postaci np wyprostowanej jednopołówkowo sinusoidy.
  • B – wykrywa prąd różnicowy przemienny, zmienny i stały.

Budowa i zasada działania

Najważniejszym elementem znajdującym się wewnątrz wyłącznika jest tzw. przekładnik Ferrantiego. W tym artykule nie będę omawiał zasady jego działania. Przyjdzie na to czas, gdy będę pisał nt. funkcjonowania przekładników i ogólnie zjawiska indukowania się siły elektromotorycznej. Generalnie, póki co można sobie tą kwestię spokojnie odpuścić.
Na obecną chwilę najważniejsze jest, żebyś wiedział, że taki przekładnik istnieje w wyłączniku różnicowoprądowym i że nie ingeruje w żaden sposób w obwód elektryczny tj. metoda wykrywania zmian w natężeniu jest bezinwazyjna.

Ok, z elementów bardziej namacalnych, każdy wyłącznik różnicowoprądowy posiada:

1. Klawisz załączający.
2. Wskaźnik stanu.
3. Przycisk do wykonywania testu wyłącznika
4. Zaciski do podłączenia przewodów zasilających i przewodów odpływowych.
5. Zaciski do montażu na szynę DIN (TS35).
6. Tabliczkę znamionową wraz z mini schematem funkcjonowania przycisku „Test”.

Klawisz załączający

Co tu dużo pisać. Gdy klawisz jest podniesiony, każdy zacisk górny jest połączony z odpowiadającym mu zaciskiem znajdującym się w dolnej części wyłącznika.
Gdy klawisz jest opuszczony zaciski górne są odseparowane od zacisków dolnych – w skrócie wyłącznik jest wyłączony.

Wskaźnik stanu (opcjonalnie)

Na przednim panelu wyłącznika znajduje się kolorowy pasek, który wskazuje aktualny stan załączenia.
W przypadku testowego wyłącznika, kolory czerwony i zielony są nadrukowane na klawiszu.
W innym wyłączniku znajdującym się w moim mieszkaniu oprócz wskaźnika załączenia (nad klawiszem) posiada osobno jeszcze jeden sygnalizator stanu (prawy dolny róg). Co poszczególne kolory oznaczają:

• 

  Czerwony – w elektryce ten kolor oznacza, że jest podane napięcie. Zatem kolor ten wskazuje że wyłącznik jest załączony (styki dolne i górne są ze sobą połączone).
  Drugi sygnalizator podczas normalnej pracy jest wygaszony.

• 

  Zielony – jest to stan bezpieczny. Styki wyłącznika są rozłączone czyli elektromonter ma zielone światło, żeby pracować :-).
  Jeśli wyłączenie nastąpiło przez użytkownika, drugi sygnalizator jest wygaszony.

• 

  Żółty – w przypadku tego wyłącznika, kolor żółty na sygnalizatorze w prawym dolnym rogu występuje w parze z kolorem zielonym tj. gdy wyłącznik jest wyłączony.
  Różnica jest taka, że nastąpiło wyzwolenie wyłącznika, np. poprzez naciśnięcie przycisku „Test” lub wykrycie faktycznego upływu prądu w obwodach podłączonych do wyłącznika.

Przycisk do wykonywania testu wyłącznika

Bardzo ważne jest, żeby być pewnym, że wyłącznik różnicowoprądowy jest sprawny. Tu chodzi o bezpieczeństwo nie tylko urządzeń, ale też i człowieka. Byłoby to wysoce niepraktyczne i niebezpieczne, gdyby do sprawdzenia zadziałania wyłącznika trzeba było przy wyłączniku, gniazdku lub przy urządzeniu łączyć ze sobą przewody w niewłaściwy sposób (są mierniki, które posiadają taką funkcjonalność ale to kosztuje).

Do tego celu służy przycisk „Test” (zwykle oznaczony dużą literą T), którego naciśnięcie symuluje wewnątrz elementu niewłaściwe połączenie i upływ prądu.

Większość producentów zaleca wykonanie testu wyłącznika przynajmniej raz w miesiącu, ze względu na to, że styki wyłącznika podczas przepływu prądu mogą się skleić i wyłącznik nie zadziała tak jak powinien.

Zaciski

Konstrukcja zacisków jest identyczna z rozwiązaniem zastosowanym w wyłącznikach nadmiarowo-prądowych.
Różnica jest jednak taka, że do jednej pary zacisków (góra-dół w jednej linii) podłącza się przewody fazowe, natomiast do drugiej pary przewody neutralne.
Na zdjęciach dwa zaciski górne (dolne są identyczne 🙂 ).

Zaciski do montażu na szynę DIN (TS35)

Patrząc od spodu, obudowa wyłącznika posiada odpowiednie wyprofilowanie do montażu na szynie TS35. Oprócz tego dwa ruchome zaciski (najczęściej jest tylko jeden), do szybkiego zamontowania lub rozmontowania elementu przy użyciu śrubokręta.

Tabliczka znamionowa i schemat przycisku „Test”

Tabliczka znamionowa czyli informacje o parametrach wyłącznika nadrukowane na jego froncie. Oprócz parametrów, bardzo często jest też mini schemat, określający co się dzieje po naciśnięciu przycisku „Test”.
A więc mamy dwa wyłączniki różnicowoprądowe, których najważniejsze parametry to:

• Obydwa zadziałają przy prądzie różnicowym wynoszącym 30mA (0,03A)
• Obydwa posiadają prąd znamionowy na poziomie 25A
• Obydwa funkcjonują na napięcie przemienne AC
• Napięcie znamionowe 230V

Oprócz tego istnieją parametry dodatkowe, które są mniej istotne, a zostały nadrukowane na wyłączniku firmy Legrand, natomiast wyłącznik firmy Hager pozostałe parametry umieścił w karcie katalogowej wyłącznika, w tym:

• Minimalna temperatura pracy wyłącznika -25ºC
• Obciążalność zwarciowa na poziomie 500A (czyli jaki maksymalny prąd może płynąć przez wyłącznik, podczas zwarcia)
• symbol bezpiecznika z liczbą 10 000 oznacza, że wyłącznik wytrzymuje prąd zwarciowy 10000A, pod warunkiem zabezpieczenia go dodatkowym bezpiecznikiem topikowym (potraktuj to jako ciekawostkę 🙂 )

O! I to jest bardzo dobry moment, żeby dla treningu przeczytać sobie nadrukowany na wyłącznik schemat.
Być może takie omówienie rozjaśni też zasadę działania wyłącznika różnicowoprądowego.

Taki lub podobny nadruk znajdziesz na swoim wyłączniku. Ja dodatkowo oznaczyłem dwa elementy (a i b) w celu łatwiejszej identyfikacji o czym właściwie piszę. A więc co tutaj mamy?

1. Cztery zaciski wyłącznika oznaczone cyframi od 1 do 4 (2 na dole 2 na górze, tak jak w rzeczywistości)
2. Symbol przycisku ręcznego (w tym przypadku jest to przycisk „Test”) – czyli symbol przypominający obróconą o 90 stopni literę „T”
3. Łączniki par zacisków oraz łącznik przycisku „Test” – połączone linią przerywaną. I ta linia przerywana jest tutaj ciekawa. Jej obecność oznacza, że elementy, które ona łączy oddziałują na siebie. Zadziałanie jednego elementu wpływa na drugi. Szerzej opowiem o tym poniżej.
4. Pierścień, elipsa oznacza, że w tym miejscu znajduje się przekładnik (tutaj przekładnik Ferrantiego)
5. Prostokąt oznaczony przeze mnie literą „a”, to element ograniczający przepływ prądu prawdopodobnie rezystor.
6. Prostokąt oznaczony przeze mnie literą „b”, to cewka wyzwalająca wyłącznik.
7. Nie można tutaj zapomnieć o czarnych jak pieprz kropkach, które oznaczają połączenie dwóch przewodów / rozgałęzienie.

Szczegóły poniżej 🙂

Jak to działa?

Okej. Podpinamy do zacisku 1 przewód fazowy (L), a do zacisku 2 przewód neutralny (N). Póki klawisz wyłącznika jest zdjęty (pozycja OFF, kolor zielony), potencjał elektryczny nie jest przekazywany dalej i na tych zaciskach się kończy.

Jeśli podniesiemy klawisz wyłącznika (pozycja ON, kolor czerwony) łączymy jednocześnie 3 elementy:

• Zacisk 1 z zaciskiem 3
• Zacisk 2 z zaciskiem 4
• Przycisk Test z przewodem neutralnym

Jednoczesne przestawienie trzech łączników wynika oczywiście z konstrukcji elementu, a na schemacie jest przedstawione poprzez połączenie łączników linią przerywaną. Załączenie jednego spowoduje załączenie pozostałych (analogicznie dla wyłączenia).

Fantastycznie i co się w takiej chwili dzieje?

Poza tym, że wszystko działa nic specjalnego. Kluczowe jest to, że prąd płynie przewodem fazowym przez wyłącznik do odbiornika, a następnie prąd o identycznym natężeniu „wraca” do wyłącznika przewodem neutralnym. Jeśli różnica pomiędzy prądem na przewodzie fazowym, a prądem na przewodzie neutralnym jest mniejsza niż 30mA, wszystko gra.

No i teraz możemy wrócić do schematu.

Naciśnięcie przycisku „Test” spowoduje połączenie przewodu fazowego z przewodem neutralnym. Dzięki obecności rezystora „a”, nie powoduje to zwarcia i w przewodzie płynie prąd o ograniczonym natężeniu. Natomiast jest on na tyle duży, że powinien spowodować zadziałanie wyłącznika.
Dlaczegóż to? Prześledźmy drogę, którą płyną elektrony (rysunek po prawej).
Wędrówka elektronu na powyższym schemacie zaczyna się w zacisku 1. Następnie przepływa przez miejsce, które jest otoczone pierścieniem (przekładnikiem). Od tej chwili przekładnik oczekuje, że taka sama ilość elektronów popłynie przewodem neutralnym (tylko „w drugą stronę”). Nic takiego się nie stanie ponieważ elektrony nie płyną do zacisku 3, tylko „skręcają” tam, gdzie jest obwód zamknięty czyli w kierunku naciśniętego przycisku „Test”, a stamtąd przewodem neutralnym do zacisku nr 2. W całej tej operacji został ominięty przekładnik (pierścień).
Podsumowując, z punktu widzenia przekładnika, natężenie prądu płynącego przewodem fazowym, nie jest identyczne z natężeniem prądu płynącego przewodem neutralnym.

Po przekroczeniu natężenia prądu płynącego „nielegalnie” poza przekładnikiem, przekładnik oddziaływuje na cewkę b, która rozłącza wszystkie 3 łączniki, rozwiera obwód i odcina dopływ prądu.

Podsumowanie

W tym artykule rozpoczęliśmy wspólną przygodę z wyłącznikiem różnicowoprądowym. Nie jest on tak super intuicyjny w funkcjonowaniu jak wyłącznik nadprądowy. Z całą pewnością natomiast, jest to bardzo ważny element domowej instalacji elektrycznej.

Artykuł miał być podzielony klasycznie na dwie części, na część teoretyczną i praktyczną, lecz ze względu na dużą ilość istotnych informacji wszystko wskazuje na to, że będą trzy odcinki. A więc zanim przejdę do testów, w następnym wpisie dowiesz się:

• Dlaczego wyłącznik różnicowoprądowy nie zapewnia pełnej ochrony przed porażeniem
• Kiedy można stosować wyłącznik różnicowoprądowy
• W jaki sposób wykonać połączenia w rozdzielnicy zarówno wyłącznika dwubiegunowego (230V) jak i czterobiegunowego (400V)
• Jakie są najczęstsze błędy przy podpinaniu wyłączników różnicwoprądowych

Już teraz serdecznie zapraszam, a w ramach zachęty dołączam bazowy schemat podłączenia w rozdzielnicy i zdjęcie gotowych do akcji wyłączników 🙂