IT sustav napajanja s obzirom na uzemljenje

Važan element zaštite ljudi (kao i imovine i životinja) od djelovanja električne struje jest uzemljenje određene točke sustava napajanja električnom energijom (primjerice transformatorske stanice 20/0,4 kV koja napaja objekt) te uzemljenje izloženih vodljivih dijelova. Izloženi vodljivi dio (poput kućišta asinkronog motora) u normalnim uvjetima nije pod naponom. Međutim, u slučaju kvara, kada zbog oštećenja fazni vodič dođe u dodir s kućištem, dodirivanje takvog dijela može biti opasno.

Ovisno o načinu uzemljenja, razlikujemo sljedeće sustave napajanja:

U ovom članku usredotočit ćemo se na IT sustav napajanja, koji se rjeđe koristi i manje je poznat elektrotehničkim stručnjacima. Cilj je predstaviti osnovne informacije o ovom sustavu napajanja.

IT sustav napajanja

Slika 1: IT sustav

Prvo slovo u oznaci IT odnosi se na odnos sustava napajanja prema zemlji. Slovo „I” označava da je neutralna točka transformatora (odnosno zvjezdište niskonaponskih namota trofaznog transformatora) izolirana od zemlje ili povezana sa zemljom preko impedancije velike vrijednosti. Stoga su svi vodiči pod naponom (L1, L2, L3), uključujući neutralni vodič (N), ako postoji, izolirani od zemlje.

Drugo slovo označava odnos izloženih vodljivih dijelova električne instalacije (primjerice kućišta električnih uređaja i motora) prema zemlji. Slovo „T” označava da je izloženi vodljivi dio (poput kućišta motora) izravno uzemljen (vidi sliku 1).

U IT sustavima električne instalacije često nemaju neutralni vodič. Ako neutralni vodič postoji, mora biti zaštićen automatskim prekidačem koji isključuje i fazne i neutralni vodič. Postavlja se pitanje gdje se i zašto koristi IT sustav napajanja. Ovaj se sustav odabire na mjestima gdje je kontinuitet napajanja od presudne važnosti, primjerice u rudnicima, pojedinim dijelovima metalurške i kemijske industrije, prostorima za posebne medicinske namjene (poput operacijskih dvorana) te vojnim objektima. Svako specijalizirano područje ima vlastite norme. Primjerice, u medicinskim ustanovama koriste se posebni jednofazni transformatori koji rade u IT sustavu. U nastavku je objašnjeno osnovno načelo IT sustava koje se primjenjuje u svim navedenim okruženjima.

Osnovna je ideja da pri pojavi prvog kvara (primjerice kada vodič pod naponom dođe u dodir s izloženim vodljivim dijelom električnog uređaja u bolničkoj operacijskoj dvorani) zaštitni uređaj (osigurač ili automatski prekidač) ne isključuje napajanje, čime se omogućuje nastavak rada. U operacijskoj dvorani, primjerice, operacija se može sigurno nastaviti, što je od ključne važnosti za život pacijenta. Međutim, uređaj za nadzor izolacije (IMD) signalizira kvar kako bi ga osoblje za održavanje moglo pronaći i otkloniti prije pojave drugog kvara, koji bi zahtijevao isključenje napajanja.

Zaštita automatskim isključenjem napajanja u IT sustavima

Slika 2: Dodir faznog vodiča s kućištem električnog uređaja

Slika 2 prikazuje dodir faznog vodiča s kućištem električnog uređaja. Postavlja se pitanje može li u tom slučaju poteći struja zemljospoja. Netko bi mogao pretpostaviti da struja teče kroz zemlju, no pažljivijim promatranjem slike 2 vidljivo je da električni strujni krug nije zatvoren jer ne postoji veza kroz zemlju do zvjezdišta transformatora. To bi teoretski značilo da je struja jednaka 0 A. Međutim, za potpuno razumijevanje ove pojave potrebno je dublje poznavanje elektrotehnike.

Slika 3: Prikaz kapacitivne struje pri prvom kvaru (dodir faznog vodiča s kućištem)

Uvjeti pri prvom kvaru

Razmotrimo energetski kabel koji napaja motor u rudniku. Kabel je položen na kabelske police i nalazi se u blizini okolnog tla. Svaki vodič pod naponom ima izolaciju. Iz osnova elektrotehnike poznato je da je kapacitet svojstvo vodljivih tijela da pohranjuju električni naboj pod naponom. Vodiči pod naponom (uključujući neutralni vodič, ako postoji) predstavljaju jednu stranu kondenzatora, dok okolna zemlja predstavlja drugu stranu, a između njih nalazi se izolacija. Tako nastaju kapaciteti prema zemlji između faznih vodiča i zemlje.

Kao što je prikazano na slici 3, struja kvara, koja je pretežno kapacitivna (Ic), teče kroz fazni vodič L1, preko kućišta motora i zaštitnog vodiča (PE), kroz zaštitno uzemljenje (RA) te preko raspodijeljenih kapaciteta duž kabela između vodiča L2 i zemlje te vodiča L3 i zemlje. Vrijednost ove struje obično je vrlo mala (od nekoliko mA do nekoliko stotina mA u ekstremnim slučajevima, primjerice u rudnicima), a ovisi o duljini i presjeku kabela. Veće duljine i presjeci kabela uzrokuju veće kapacitivne struje.

Ako osoba slučajno dodirne kućište motora, električna struja teoretski može predstavljati opasnost. Međutim, struja je uglavnom premala da bi uzrokovala okidanje zaštitnog uređaja (osigurača, automatskog prekidača ili, u određenim slučajevima, zaštitne sklopke diferencijalne struje – RCD). Projektant mora osigurati da umnožak očekivane struje kvara i otpora zaštitnog uzemljenja ne premašuje 50 V. To se u pravilu može postići odgovarajućim dimenzioniranjem uzemljenja, čime se osigurava zaštita ljudi. Unatoč tome, kvar je i dalje prisutan.

U IT sustavima dopušten je nastavak rada električne instalacije pri prvom kvaru. Uređaj za nadzor izolacije (IMD) signalizira kvar zvučnim ili svjetlosnim alarmom (suvremeni uređaji mogu slati i obavijesti putem SMS-a). Osoblje za održavanje tako dobiva informaciju o kvaru i može ga otkloniti nakon završetka trenutačnog radnog procesa, čime se sprječava neželjeni prekid rada. Slika 4 prikazuje priključivanje uređaja IMD u IT sustavu.

Slika 4: Priključivanje uređaja za nadzor izolacije (IMD) u IT sustavima

Za različite strujne krugove može se koristiti više uređaja IMD, što osoblju za održavanje olakšava brzo pronalaženje kvarova.

Uvjeti pri drugom kvaru – zajedničko uzemljenje

Slika 5 prikazuje situaciju u kojoj dolazi do drugog kvara u IT sustavu. Drugi kvar znači da je drugi fazni vodič došao u dodir s kućištem, bilo unutar istog trošila ili na drugom trošilu. Kao što je prikazano na slici 5, kod prvog trošila fazni vodič L1 došao je u dodir s kućištem, dok je kod drugog trošila fazni vodič L2 došao u dodir s kućištem. Budući da oba trošila imaju zajednički zaštitni vodič, nastaje dvopolni kratki spoj. Radi jasnoće, ovu struju nazivamo strujom kvara jer protječe i kroz zaštitni vodič.

Slika 5: Prikaz struje kvara pri drugom kvaru u IT sustavu (zajedničko uzemljenje)

Slika 5 prikazuje primjer kvara u IT sustavu s nadstrujnom zaštitom (u ovom slučaju osiguračem) na pojedinačnim uređajima, odnosno na oba trošila. Primjerice, fazni vodič L1 dolazi u dodir s kućištem prvog motora, dok fazni vodič L2 dolazi u dodir s kućištem drugog motora. Struja kvara teče kroz fazni vodič L1 do kućišta prvog motora, zatim kroz zaštitni vodič (PE) do kućišta drugog motora, potom kroz fazni vodič L2 do niskonaponskog namota druge faze transformatora, zatim kroz niskonaponski namot prve faze transformatora te se preko niskonaponske instalacije vraća do prvog motora. Time se zatvara strujni krug struje kvara, koja protječe kroz takozvanu impedanciju petlje kvara (slika 5). U osnovi je riječ o dvopolnom kratkom spoju, no nazivamo ga strujom kvara jer protječe i kroz zaštitni vodič PE.

Osnovni zahtjev za električne instalacije u IT sustavu pri drugom kvaru (kada trošila imaju zajednički zaštitni vodič) jest da karakteristike zaštitnog uređaja i impedancija strujnog kruga budu odabrane tako da se pri pojavi drugog kvara (slika 5) napajanje automatski isključi unutar propisanog vremena, obično kraćeg od 5 sekundi. Impedancija petlje kvara mora biti dovoljno mala da omogući protjecanje dovoljno velike struje koja će uzrokovati djelovanje zaštitnog uređaja (osigurača ili automatskog prekidača) unutar propisanog vremena. Ova zaštitna mjera automatskog isključenja napajanja sprječava dugotrajnu pojavu dodirnog napona koji bi mogao biti opasan za korisnike. Načelo je slično onome u TN sustavu. U ovom bi slučaju, ako je ugrađena kao zaštitni uređaj, djelovala i zaštitna sklopka diferencijalne struje (RCD), jer zbroj ulaznih struja ne bi bio jednak zbroju izlaznih struja. Međutim, iznimno je važno osigurati da RCD sklopka ne isključi napajanje pri prvom kvaru jer struja odvoda u toj fazi može premašiti nazivnu diferencijalnu struju RCD sklopke.

Sve navedene uvjete projektant mora proračunom provjeriti, dok ispitivač električnih instalacija mora mjerenjima potvrditi jesu li ispunjeni sigurnosni zahtjevi IT sustava za zaštitu od električnog udara.

Uvjeti pri drugom kvaru – odvojeno uzemljenje

Kao što je prikazano na slici 6, kod prvog trošila fazni vodič L1 dolazi u dodir s kućištem motora, dok kod drugog trošila fazni vodič L2 dolazi u dodir s kućištem motora. Međutim, u ovom slučaju oba su trošila zasebno uzemljena preko vlastitih uzemljivača. Zbog toga je put struje kvara drukčiji. Struja kvara teče kroz niskonaponski namot prve faze transformatora i kroz fazni vodič niskonaponske instalacije do prvog motora. Od kućišta prvog motora struja teče kroz zaštitni vodič (PE) do zaštitnog uzemljenja (RA) prvog motora, zatim kroz zemlju do zaštitnog uzemljenja (RA) drugog trošila, potom kroz zaštitni vodič PE do kućišta drugog motora te na kraju kroz fazni vodič L2 do niskonaponskog namota druge faze transformatora. U ovom je slučaju struja kvara znatno manja nego kod zajedničkog uzemljenja jer zaštitna uzemljenja imaju određeni otpor. U pravilu je struja kvara premala da bi nadstrujni zaštitni uređaj isključio napajanje unutar propisanog vremena, ali se za zaštitu može koristiti RCD sklopka. Nazivna diferencijalna struja RCD sklopke mora biti dovoljno velika da ne dođe do neželjenog okidanja pri prvom kvaru (jer je struja odvoda pri prvom kvaru obično vrlo mala), ali mora omogućiti okidanje pri drugom kvaru. Najveći dopušteni dodirni napon iznosi 50 V. Načelo je slično onome u TT sustavu s RCD sklopkom. U slučaju prikazanom na slici 6, RCD sklopka bi okinula jer pri drugom kvaru zbroj ulaznih struja nije jednak zbroju izlaznih struja, a struja kvara premašuje nazivnu diferencijalnu struju RCD sklopke.

Slika 6: Prikaz struje kvara pri drugom kvaru u IT sustavu (odvojeno uzemljenje)

Zaključak

IT sustav koristi se rjeđe i zahtijeva visoku razinu stručnog znanja pri projektiranju. Projektant mora proračunom provjeriti sve prethodno navedene uvjete. Ispitivač električnih instalacija mora mjerenjima potvrditi učinkovitost zaštite automatskim isključenjem napajanja pri prvom i drugom kvaru, pri čemu posebnu pozornost treba posvetiti tome jesu li trošila povezana zajedničkim zaštitnim vodičem ili su zasebno uzemljena preko pojedinačnih zaštitnih uzemljenja.