Uvod
U sustavima napajanja električnom energijom plovila, vozila (ili zgrade) zaštita od udara električne struje je izuzetno važna. U ovoj seriji već se govorilo o zaštitnim uređajima u izmjeničnim instalacijama, a ovdje će se osvrnuti na međudjelovanje RCD sklopke i uređaja za proizvodnju izmjeničnog napona iz izvora istosmjernog napona primjerice autonomnog izmjenjivača i bidirekcijskog pretvarača. Naime, kako gdje, ali i zašto primijeniti RCD sklopku u baterijskim sustavima vlada nesigurnost u primjeni (što je pristojna riječ za neznanje!).
Uređaj diferencijalne struje (ZUDS) ili danas prihvaćeni naziv RCD sklopka (engl. residual current device) je uređaj za osiguranje zaštite od izravnog ili neizravnog dodira dijelova pod naponom automatskim isklapanjem. Stariji naziv je i FID sklopka (engl. fail interrupting device). Najvažniji podaci RCD sklopke su: nazivna struja In i nazivna struja greške IΔn.
Kako djeluje RCD sklopka
Spoj RCD sklopke u izmjeničnoj instalaciji je prikazan na slici 1., a načelo djelovanja na slici 2. Djelovanje se temelji na prvom Kirchhoffovom zakonu koji kaže da je suma struja koje ulaze u čvorište jednaka sumi struja koje izlaze iz čvorišta. RCD sklopka mjeri struju koja preko faznog vodiča ulazi u nju i struju koja preko neutralnog vodiča izlazi iz nje. Ključna komponenta RCD sklopke je feritni prsten. Kada na trošilu nema kvara suma struja koje prolaze kroz feritni prsten je jednaka nuli tako da se u namotajima na prstenu ne inducira struja. U slučaju kvara, kroz zaštitni vodič (PE vodič) poteče struja kvara. Time je narušena ravnoteža, tj. suma struja koje prolaze kroz feritni prsten više nije jednaka nuli. U namotajima na feritnom prstenu inducira se stoga napon pa struja iz ovog izvora poteče kroz elektromagnet koji privuče kotvu i isključi sklopne kontakte. Radi testiranja RCD sklopke postavlja se ispitno tipkalo i otpornik. Kada se pritisne tipkalo, sklopka mora isključiti napajanje. RCD sklopke se mogu koristiti samo u sustavima gdje su neutralni vodič i zaštitni vodič odvojeni.
RCD sklopka ne može detektirati struju kratkog spoja ili struju preopterećenja u trošilu. Za to pak služi automatski zaštitni prekidač. RCD sklopka reagira samo kada struja „bježi“ kamo ne bi trebala! Današnja tehnologija omogućava u jednom kućištu realizaciju i automatskog zaštitnog prekidača i RCD sklopke pa se onda takav uređaj naziva kombinirani zaštitni prekidač. RCD sklopka s 30 mA nazivne diferencijalne struje isklapa već i pri struji kvara od 15 mA, uz vrijeme isklopa redovito ispod 100 ms! I razina struje pri kojoj dolazi do isklapanja i brzina samog isklapanja pouzdano štite čovjeka od strujnog udara.
RCD sklopka i autonomni izmjenjivač
Na slici 3. je prikazan najjednostavniji sustav napajanja izmjeničnih trošila na plovilu, u vozilu ili u zgradi. Osim fotonaponskih modula i baterije koja služi za pohranu energije, sustav mora imati pristup pomoćnom izvoru napajanja primjerice generatoru ili mreži već zbog same činjenice da trošila mogu isprazniti bateriju i po noći pa bi plovilo, vozilo ili zgrada morala čekati sljedećih nekoliko sati do ponovne raspoloživosti energije Sunca. Uz autonomni izmjenjivač ispred trošila moramo imati izbornu sklopku jer se izlaz izmjenjivača ne smije spojiti s javnom mrežom ili mrežom generatora jer ne postoji opcija sinkronizacije. Pokušaj istovremenog spajanja dva izvora od kojih je jedan izmjenjivač, a drugi izmjenična mreža, u zajedničko napajanje trošila bi sigurno završio uništenjem izmjenjivača.
Onog trenutka kada se plovilo, vozilo ili zgrada odspoji od javne mreže izbornom sklopkom može se izabrati novi izvor napajanja. Izvor napajanja za izmjenična trošila plovila ili vozila u kretanju je generator ako postoji ili izmjenjivač. Ako se izbornom sklopkom izabere autonomni izmjenjivač kao izvor energije, tada je njegov priključak označen s N već spojen u konstrukciji samog izmjenjivača s kućištem, odnosno s PE priključkom izmjenjivača. PE priključak autonomnog izmjenjivača spajamo s glavnom sabirnicom za izjednačenje potencijala na plovilu. To je onda i mjesto uzemljenja izvora, ali i spoj svih zaštitnih vodiča trošila, kako je prikazano na slici 4.
Svaki „bijeg“ struje kroz zaštitni vodič u slučaju kvara trošila moći će biti detektiran preko RCD sklopke, slika 4. Struja kvara će se zatvarati preko zaštitnog vodiča, neće prolaziti kroz N vodič RCD sklopke što će RCD sklopka detektirati i otvoriti strujni krug osiguravajući tako zaštitu ljudi koji bi možda dotaknuli kućište neispravnog trošila a istovremeno stajali na nekoj metalnoj masi. Slično vrijedi i za generator ako ga imamo na plovilu. Ako je njegovo zvjezdište, odnosno fazni namot, jednim krajem spojen na glavnu sabirnicu za izjednačenje potencijala tijek struje je isti kako je pokazano na slici 5.
RCD sklopka i bidirekcijski pretvarač
No što ako se na plovilu, vozilu ili u zgradi koristi bidirekcijski pretvarač? Mogući smjerovi energije prikazani su na slici 6. za slučaj da je pomoćni izvor generator. Kućište bidirekcijskog pretvarača mora uvijek biti spojeno s glavnom sabirnicom za izjednačenje potencijala plovila, vozila ili zgrade. Bidirekcijski pretvarač može raditi u dva osnovna načina. Kao izmjenjivač i pri tome je jedini izvor napajanja na plovilu, dakle slučaj koji je netom opisan. No bidirekcijski pretvarač može raditi tako da energiju šalje prema trošilima iz baterije kao izmjenjivač, ali i da istovremeno trošilima prosljeđuje energiju iz generatora.
Tada razlikujemo dva načina rada: Power control i Power assist. U Power control načinu rada postavlja se granica koliko će bidirekcijski pretvarač povlačiti iz pomoćnog izvora. To je stoga da ne prorađuje zaštita od preopterećenja pomoćnog izvora. Može se dinamično postaviti koliko će se izmjenične struje (time i snage) povući iz priključnice na koju je priključeno plovilo ili vozilo (ili zgrada!). Bidirekcijski pretvarač će snagu koja je potrebna proslijediti trošilima, a možebitni višak snage do zadane granice ulazne snage u uređaj će prepustiti za punjenje baterije. U Power assist načinu rada će bidirekcijski pretvarač uz zadano ograničenje snage iz generatora na ulazu uređaja omogućiti dodavanje pune snage izmjenjivača prema trošilima. Oba izvora, generator i izmjenjivač, zajedno napajaju trošila. Ovo je posebno interesantno jer se na ovaj način može smanjiti potrebna snaga generatora. Generator mora pokrivati srednju snagu, a izmjenjivač će u tom načinu rada pokrivati vrhove potrebne snage za trošila. Načini rada prikazani su na slici 7.
Na slici 8 je pak prikazana situacija da je plovilo, vozilo ili zgrada priključena na javnu mrežu. Razlika prema do sada ukazanom je samo u tome da ovaj sustav može vraćati energiju u javnu mrežu. No ta se opcija jednostavno neće koristiti ako se radi o plovilu ili vozilu. Ako se radi o zgradi i ima se u sustavu višak energije, tada se može višak energije predati (prodati!) natrag u mrežu.
Na slici 9. i 10. prikazan je izmjenjivački rad bidirekcijskog pretvarača u ispravnom stanju trošila i u slučaju kvara na trošilu tj proboja vodiča na masu trošila. Ako struja „pobjegne“ zbog kvara proradit će RCD sklopka i čovjek je zaštićen. Sve dok kvar na trošilu ne bude otklonjen neće se moći uključiti RCD sklopka. Neka se primijeti u bidirekcijskom pretvaraču postojanje dva releja: FB relej i GND relej. Ako je ulaz bidirekcijskog pretvarača bez izmjeničnog napona, dakle plovilo ili vozilo je u vožnji i odspojeno od priključnice, tada bidirekcijski pretvarač radi u izmjenjivačkom načinu rada, FB relej je otvoren i GND relej je zatvoren. Situacija je potpuno ista već opisanoj na slikama 4. i 5.
No ako bidirekcijski pretvarač ima na AC ulazu neki izvor izmjeničnog napona, recimo mrežu s obale ili brodski generator, tada bidirekcijski pretvarač radi ili u Power control ili u Power assist načinu rada. Pri postojanju napona na AC ulazu bidirekcijskog pretvarača potrebno je razdvojiti N i PE priključke izlaza bidirekcijskog pretvarača i to se događa automatski, GND relej u bidirekcijskom pretvaraču se otvara, a zatvara se FB relej koji dopušta ulaz izmjeničnog napona u uređaj. Pri tome se izlazni napon bidirekcijskog pretvarača, dakle njegovog izmjenjivača, sinkronizira vremenski i spaja s pomoćnim izvorom, generatorom ili mrežom. Slika 11. i 12. prikazuju ispravno stanje instalacije i tok struje.
Slika 13. prikazuje tok struje pri kvaru trošila uz bidirekcijski pretvarač spojen na pomoćni izvor napajanja. U slučaju kvara struja će pobjeći kroz zaštitni vodič pa će oba kombinirana zaštitna prekidača pouzdano isklopiti strujni krug.
Uz izvor izmjeničnog napona na AC ulazu bidirekcijskog pretvarača N vodič je već negdje pri izvoru „pritegnut“ na potencijal PE i ne smije se na AC izlazu bidirekcijskog pretvarača još jednom spojiti N i PE vodič. To je situacija istovjetna kao i u kućnim instalacijama. Jednom razdvojeni N i PE vodič iz zajedničkog dolaznog PEN vodiča (razdvojeni su prije prve RCD sklopke u kući) ne smiju se više spajati nigdje u instalaciji kuće. Stručno to se kaže kada jednom instalacija pređe iz TNC izvedbe u TNS izvedbu, više se ne smije kasnije u instalaciji ponovnim spajanjem N i PE vodiča stvoriti ponovno TNC sustav.
Ponovno spajanje N i PE vodiča (to odgovara stanju kada GND relej ne bi bio otvoren uz prisustvo mreže) dovest će do nepotrebnog isklopa RCD sklopke pri izvoru i u stanju bez stvarnog kvara na trošilu. Time slijedno i do isključenja napona na ulazu bidirekcijskog pretvarača, slika 14. Ovo isključenje je nepotrebno jer je trošilo ispravno, ali spoj bi jednostavno raspodijelio dio struje preko N vodiča, a dio struje preko zatvorenog GND releja. Bidirekcijski pretvarač sam upravlja otvaranjem i zatvaranjem FB i GND releja. Uvijek kada je izmjenični napon prisutan na ulazu bidirekcijskog pretvarača otvara se RCD relej i zatvara FB relej. Kada nestane izmjenični napon na ulazu bidirekcijskog pretvarača otvara se FB relej i zatvara GND relej. Pazeći na opisani redoslijed otvaranja i zatvaranja neće doći do nepotrebne prorade kombiniranog zaštitnog prekidača. Naravno upravljanje ovim relejima ili sklopnicima u većim jedinicama je automatsko i ugrađeno u uređaj i o njemu se ne mora posebno brinuti.
Zaključak
U ovom nastavku ponovljena su osnovna znanja o djelovanju RCD zaštitne sklopke. Razmotreno je i kako se RCD sklopka kao zaštita od strujnog udara zbog izravnog i neizravnog dodira dijelova pod naponom primjenjuje u sustavima napajanja u plovilima i vozilima (naravno i u zgradama!). Objašnjeno je ponašanje sustava napajanja s autonomnim izmjenjivačem i sustava napajanja s bidirekcijskim pretvaračem. Potrebno je razumijevanje djelovanja ove učinkovite zaštite kako se „kreativnošću“ izvođača ne bi narušila zaštita ili se dobilo nepotrebno prorađivanje zaštite.
Neka ovaj članak bude polazni okvir ako razmišljate o samogradnji ili rekonstrukciji instalacija. Na ovih par stranica ne može se reći sve što se želi i stoga je upitno da li je sve i rečeno na dovoljno jasan i precizan način. Ne zaboravite da instalacije koriste ljudi i zato nakon vlastitog proučavanja uvijek potražite savjet ovlaštenog projektanta ili tvrtke koja se bavi instalacijama i za to ima osvjedočene, obučene i ovlaštene djelatnike. I Vama i njima ćemo rado pomoći savjetom.