Jak obliczyć impedancję obwodu? Poradnik krok po kroku
Impedancję pętli zwarcia Zs oblicza się po to, aby sprawdzić, czy prąd zwarciowy osiągnie wartość powodującą samoczynne zadziałanie zabezpieczenia w czasie wymaganym przez PN-HD 60364-4-41. Podstawowy warunek ma postać: Zs ≤ U0 / Ia. Otrzymany limit trzeba następnie porównać z wynikiem rzeczywistego pomiaru.
Czym jest impedancja pętli zwarcia?
Impedancja pętli zwarcia to całkowita impedancja drogi, którą płynie prąd podczas zwarcia doziemnego. Obejmuje między innymi źródło zasilania, przewód fazowy, miejsce zwarcia, przewód ochronny, przewody uziemiające oraz uziom. Oznacza się ją symbolem Zs i podaje w omach.
Impedancja decyduje o wartości prądu zwarciowego. Im jest mniejsza, tym większy prąd może popłynąć w uszkodzonym obwodzie. Jeżeli Zs będzie zbyt duża, zabezpieczenie nadprądowe może nie wyłączyć zasilania wystarczająco szybko, a na obudowie urządzenia może utrzymywać się niebezpieczne napięcie dotykowe.
Jakie dane są potrzebne do obliczeń?
Przed rozpoczęciem obliczeń zbierz parametry obwodu i zastosowanego zabezpieczenia:
- Napięcie U0 – napięcie znamionowe względem ziemi, zwykle 230 V w jednofazowym obwodzie niskiego napięcia.
- Prąd znamionowy In – na przykład 16 A dla wyłącznika B16.
- Charakterystyka wyłącznika – B, C albo D, ponieważ każda z nich wymaga innej krotności prądu do szybkiego zadziałania.
- Układ sieci – TN, TT lub, w szczególnych przypadkach, IT.
Potrzebny jest także wymagany czas wyłączenia. Zależy on od układu sieci, napięcia i rodzaju obwodu, dlatego należy odczytać go z właściwych wymagań normy oraz dokumentacji zabezpieczenia.
Jak obliczyć impedancję krok po kroku?
Obliczenie wartości granicznej Zs wykonuje się w trzech etapach.
- Wyznacz prąd wyłączający Ia – pomnóż prąd znamionowy zabezpieczenia przez krotność wynikającą z jego charakterystyki czasowo-prądowej.
- Wybierz wzór dla danego układu sieci – układ TN, TT i IT mają różne warunki oceny samoczynnego wyłączenia.
- Zastosuj margines bezpieczeństwa – przy ocenie projektowej często przyjmuje się 2/3 wartości granicznej, aby uwzględnić wzrost rezystancji przewodów podczas nagrzewania.
Podstawowy warunek dla obwodów, w których zabezpieczenie nadprądowe ma samoczynnie odłączyć zasilanie, zapisuje się następująco:
Zs ≤ U0 / Ia
Znaczenie symboli jest następujące: Zs to maksymalna dopuszczalna impedancja pętli zwarcia, U0 oznacza napięcie względem ziemi, a Ia jest prądem powodującym zadziałanie zabezpieczenia w wymaganym czasie.
Wzór i sposób interpretacji zależą od układu sieci:
| Układ sieci | Wzór lub warunek | Uwagi |
|---|---|---|
| TN | Zs ≤ U0 / Ia | Prąd zwarciowy zamyka obwód przez przewód ochronny lub PEN do punktu neutralnego źródła. |
| TT | Zs · Ia ≤ U0 | Trzeba uwzględnić impedancję przewodów ochronnych, uziomów i drogi przez ziemię. |
| IT | Warunek zależy od sposobu uziemienia i drugiego uszkodzenia | Ocena wymaga znajomości konkretnej konfiguracji sieci i jej urządzeń monitorujących. |
Dla charakterystyk wyłączników nadprądowych nie należy przyjmować krotności wyłącznie na podstawie prądu znamionowego. Trzeba sprawdzić pasmo zadziałania danego typu zabezpieczenia. Orientacyjnie charakterystyka B wymaga krotności 3–5, C 5–10, a D 10–20. Do obliczenia wartości granicznej przyjmuje się bardziej wymagającą, większą krotność z danego pasma, o ile dokumentacja i przyjęta metoda obliczeń nie wskazują inaczej.
Po obliczeniu limitu można zastosować współczynnik 2/3:
Zs,oceniana = 2/3 · U0 / Ia
Nie jest to zamiana pomiaru na obliczenie. Współczynnik tworzy zapas uwzględniający między innymi wzrost temperatury przewodów, tolerancje parametrów i zmienność warunków pracy.
Przykład obliczenia dla wyłącznika B16
Załóżmy, że analizowany jest jednofazowy obwód w układzie TN, zabezpieczony wyłącznikiem nadprądowym B16. Dla uproszczonego przykładu przyjmujemy krotność 5, napięcie U0 równe 230 V oraz prąd znamionowy In równy 16 A.
Najpierw wyznaczamy prąd wyłączający:
Ia = In · 5 = 16 A · 5 = 80 A
Następnie obliczamy maksymalną wartość impedancji:
Zs ≤ 230 V / 80 A = 2,875 Ω
Po zastosowaniu współczynnika 2/3 otrzymujemy wartość z marginesem:
Zs,oceniana ≤ 2/3 · 2,875 Ω ≈ 1,92 Ω
W tym uproszczonym przykładzie zmierzona impedancja powinna więc być niższa od wartości przyjętej do oceny. Przy rzeczywistym projekcie trzeba uwzględnić wymagany czas wyłączenia, pełną charakterystykę wyłącznika oraz warunki konkretnej instalacji.
Czy obliczenia wystarczą do oceny instalacji?
Nie. Obliczenia są etapem wstępnym, projektowym lub kontrolnym. Nie pokazują rzeczywistego stanu zacisków, przewodów, połączeń ochronnych i uziemienia. Luźne połączenie, korozja, uszkodzony przewód albo podwyższona temperatura mogą zwiększyć impedancję pętli.
Końcową weryfikację wykonuje się miernikiem impedancji pętli zwarcia, na przykład przyrządem Sonel MZC-304 lub innym urządzeniem przeznaczonym do tego pomiaru. Wynik należy porównać z wartością dopuszczalną dla konkretnego zabezpieczenia, układu sieci i wymaganego czasu wyłączenia.
Pomiar instalacji elektrycznej powinien wykonywać osoba posiadająca odpowiednie kwalifikacje. Samo wyliczenie Zs nie potwierdza skuteczności ochrony przeciwporażeniowej, dopóki nie zostanie sprawdzone w rzeczywistym obwodzie.
Artykuł dotyczy zagadnień związanych z bezpieczeństwem instalacji elektrycznych. Obliczenia i pomiary należy wykonywać zgodnie z aktualnymi wymaganiami norm, dokumentacją zabezpieczeń oraz przez osoby posiadające odpowiednie kwalifikacje.
