Uvod
RCD sklopka je nezaobilazan zaštitni uređaj u izmjeničnim instalacijama niskog napona. U ovom članku obnovit će se osnovna znanja o djelovanju RCD zaštitne sklopke na plovilima. Objasnit će se ponašanje RCD sklopke u sustavu napajanja plovila s autonomnim izmjenjivačem i u sustavu napajanja plovila s dvosmjernim pretvaračem pri kvaru izolacije izmjenične instalacije tj proboja napona na metalne dijelove. Za oba sustava obnovit će se znanje o ponašanju instalacije ako se u instalaciji primjeni uz RCD sklopku i uređaj za sprečavanje nepoželjnih galvanskih struja, primjerice galvanski izolator ili izolacijski transformator. Razmotrit će se situacije broda u plovidbi i broda priključenog na obalno, pravilno izvedeno napajanje iz obalnog ormarića. Tema će se zaokružiti upoznavanjem glavnih karakteristika RCD sklopki što će olakšati pravilan izbor. U manjim plovilima za očekivati je da se projektira monofazno izmjenično napajanje, za složenija plovila sa složenijim i zahtjevnijim trošilima projektirat će se trofazno napajanje trošila.
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. Za ispitivanje RCD sklopke postavlja se ispitno tipkalo i otpornik. Kad 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. Najvažniji podaci RCD sklopke su: nazivna struja In i nazivna struja greške (nazivna diferencijalna struja) IΔn. 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 isključit će mjesto kvara s opskrbne mreže vrlo vjerojatno prije nego što čovjek uopće dođe do mogućnosti da kroz njega poteče struja, tj odmah po nastanku kvara. Za primjenu RCD sklopke važno je postojanje zaštitnog vodiča u instalaciji. Zaštitni vodič se nipošto ne provlači kroz feritnu jezgru RCD sklopke. Zaštitni vodič je upravo potreban da struja kvara u slučaju kvara može poteći prema zemlji i da RCD sklopka može primijetiti razliku između struje u linijskom i nul vodiču. Velika brzina isklapanja i izuzetno mala razina diferencijalne struje (struje kvara) potrebne za isklapanje RCD sklopke uz ispravan zaštitni vodič štite čovjeka i za slučaj da se kvar događa upravo u trenutku uključenja trošila u strujni krug.
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 za nadopunjavanje 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 po noći pa bi plovilo, vozilo ili zgrada morala čekati sljedećih nekoliko sati do ponovne raspoloživosti energije Sunca. Uz autonomni izmjenjivač ispred trošila mora postojati izborna sklopka 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. Tu je logika „jačeg“ jasna, mreža koja se očituje na priključnici javne mreže je spojena na transformator snage možda i nekoliko stotina kW, a autonomni izmjenjivač ima tek nekoliko kW.
Kad se plovilo, vozilo ili zgrada isključi s javne mreže izbornom sklopkom može se izabrati novi izvor napajanja. Izvor napajanja za izmjenična trošila plovila/vozila pri plovidbi/vožnji 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, slika 4.
Svaki „bijeg“ struje kroz zaštitni vodič u slučaju kvara trošila moći će biti detektiran preko RCD sklopke, slika 5. 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, tok struje je isti kako je pokazano na slici 5.
RCD sklopka i dvosmjerni pretvarač
No što ako se na plovilu, vozilu ili u zgradi koristi dvosmjerni pretvarač? Mogući smjerovi energije prikazani su na slici 6. za slučaj da je pomoćni izvor generator. Kućište pretvarača mora uvijek biti spojeno s glavnom sabirnicom za izjednačenje potencijala plovila, vozila ili zgrade. Dvosmjerni pretvarač može raditi u dva osnovna načina. Kao autonomni izmjenjivač i pri tome je jedini izvor napajanja na plovilu, dakle slučaj koji je netom opisan (plovilo u plovidbi). No dvosmjerni pretvarač može raditi i tako da energiju šalje prema trošilima iz baterije kao izmjenjivač, ali i da istovremeno trošilima prosljeđuje energiju iz generatora ili mreže.
Tada razlikujemo dva načina rada: Power control i Power assist. U Power control načinu rada postavlja se granica koliko će dvosmjerni pretvarač povlačiti iz pomoćnog izvora. To je stoga da ne prorađuje zaštita od preopterećenja pomoćnog izvora. Može se tako postaviti koliko će se izmjenične struje (time i snage) povući iz priključnice na koju je priključeno plovilo ili vozilo (ili zgrada!). Dvosmjerni 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 dvosmjerni pretvarač uz zadano ograničenje snage iz generatora na ulazu uređaja omogućiti dodavanje pune snage izmjenjivača prema trošilima. U Power assist načinu rada 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 dvosmjernog pretvarača u ispravnom stanju trošila i u slučaju kvara na trošilu tj proboja vodiča na metalno kućište 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 kako u dvosmjernom pretvaraču postoje dva releja: FB relej i GND relej. Ako je ulaz dvosmjernog pretvarača bez izmjeničnog napona, dakle plovilo ili vozilo je u vožnji i odspojeno od priključnice, tada 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 dvosmjerni pretvarač ima na AC ulazu neki izvor izmjeničnog napona, recimo mrežu s obale ili brodski generator, tada pretvarač radi ili u Power control ili u Power assist načinu rada. Pri postojanju napona na AC ulazu dvosmjernog pretvarača potrebno je razdvojiti N i PE priključke izlaza pretvarača i to se događa automatski, GND relej se otvara, a zatvara se FB relej koji dopušta ulaz izmjeničnog napona u uređaj. Pri tome se izlazni napon dvosmjernog pretvarača, dakle njegovog izmjenjivača, sinkronizira vremenski i spaja s pomoćnim izvorom, generatorom ili mrežom. Slika 11. prikazuje ispravno stanje instalacije i tok struje u njoj.
Slika 12. prikazuje tok struje pri kvaru trošila uz dvosmjerni pretvarač spojen na mrežu. 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 dvosmjernog pretvarača N vodič je već negdje pri izvoru „pritegnut“ na potencijal PE i ne smije se na AC izlazu dvosmjernog 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 u kućnoj instalaciji. 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 dvosmjernog pretvarača, slika 13. 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. Dvosmjerni pretvarač sam upravlja otvaranjem i zatvaranjem FB i GND releja. Uvijek kada je izmjenični napon prisutan na ulazu dvosmjernog pretvarača otvara se RCD relej i zatvara FB relej. Kada nestane izmjenični napon na ulazu dvosmjernog 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 već ugrađeno u uređaj i o njemu se ne mora posebno brinuti!
Utjecaj mora u električnoj instalaciji na plovilu
Metali pokazuju vlastiti specifičan električki potencijal karakterističan za održavanje vlastitih molekula na okupu. Taj potencijal se razlikuje od metala do metala, slika 14.
Razina specifičnih potencijala metala uronjenih u more kreće se od -1,6 V do +0,4 V. Uspoređujući potencijale dva metala međusobno za zamijetiti je postojanje razlike potencijala pojedinih metala (na primjer cink ima -1,0 V, a bronca -0,3 V). Dakle uronimo metale različitih vlastitih potencijala u elektrolit, (električki vodljivu tekućinu), dobiva se galvanski članak, tj baterija. Dva metala primjerice metalne osovine i metalnog pristaništa, oba uronjena u moru predstavlja dva pola baterije. Više negativni, (manje plemeniti) metal se naziva anoda i to je – pol naše „baterije“. Manje negativni ili čak pozitivni metal (više plemeniti) naziva se katoda i to je + pol „baterije“. Ako su dva međusobno razmaknuta metala (primjerice metalna osovina i metalno pristanište) uronjena u elektrolit- more spojena još i električkom vezom (primjerice zaštitnim vodičem izmjenične instalacije), doći će do galvanske struje. Spojnim vodičem će teći elektroni, dok će elektrolitom – morskom vodom- teći „ioni“. Više negativna, manje plemenita elektroda anoda se „troši-korodira“ dok pri tome manje negativna, više plemenita elektroda, katoda ostaje sačuvana, odnosno biva čak i presvučena slojem metala anode. Anoda koja se troši naziva se i žrtvenom anodom, a proces čuvanja katode nauštrb namjerno žrtvovane anode naziva se katodna zaštita. Proces elektrokemijske korozije anode naziva se još i galvanska korozija.
Pretpostavimo da je brod opremljen žrtvenim anodama koje redovno i pravovremeno zamjenjujemo novima. Veličina žrtvene anode povezana je veličinom metalnih površina broda pod morem koje se štite. No ako dođemo u pristanište i priključimo se na struju, preko zaštitnog vodiča dolazi do električke veze metalnih masa pristaništa i metalnih dijelova broda. Kako se i pristanište i brod nalaze u morskoj vodi, a električki su povezani zaštitnim vodičem, dolazi do galvanske korozije pri čemu žrtvena anoda štiti ne samo brod već i pristanište. Štiteći pristanište žrtvena anoda će se puno brže potrošiti nego se očekuje dok štiti samo brod! Situacija je prikazana na slici 15.
Primjena galvanskog izolatora
Uobičajeno rješenje za sprečavanje galvanske korozije uslijed priključenja na obalnu mrežu je primjena galvanskog izolatora, slika 16. Zaštitni vodič s priključka broda spaja se na galvanski izolator na jednom kraju, a drugi kraj galvanskog izolatora se spaja na sabirnicu za izjednačenje potencijala u brodu. Galvanski izolator je antiparalelni spoj dvije grupe od po dvije u seriju spojene diode. Da bi diode u galvanskom izolatoru provele u bilo kojem smjeru, na njima mora biti napon veći od 1.4 V, a što je više od istosmjernih galvanskih napona koji se mogu pojaviti između metala na brodu i metala na pristaništu ili pak susjednom neštićenom brodu. Tako se učinkovito prekida strujni krug istosmjernih galvanskih struja. Za izmjenične mrežne napone i struje koje bi potekle zaštitnim vodičem galvanski izolator ne predstavlja izolaciju (jer provedu diode!) i u tom smislu se ne narušava povezivanje metalnih masa broda i obalnog zaštitnog uzemljenja, odnosno ne narušava se djelovanje zaštitnih uređaja u priključnom ormariću na obali i brodu. Ovo vrijedi sve dok su diode ispravne!
Kako se zatvara struja u situaciji da je u plovilu ugrađen galvanski izolator? Sve dok su diode u galvanskom izolatoru ispravne, RCD sklopka će i na plovilu i na obali pri bježanju struje kroz zaštitni vodič i galvanski izolator očekivano otvarati strujni krug, iako će možda neki dio struje ići i kroz more, slika 17. Glavno je da se struja neće vraćati kroz nul vodič već će ići okolnim putem! A to pouzdano primjećuje RCD sklopka!
No što se događa ako galvanski izolator nije ispravan (diode su primjerice pregorjele). To ako se dogodi, nitko neće odmah prepoznati! Ta je situacija prikazana na slici 18. Sad se više ne može točno znati kako će se rasporediti potencijal mjesta kvara prema zemlji, tj na kojem potencijalu će biti mase plovila. Zaštitni vodič je neispravnošću galvanskog izolatora prekinut i struja ide samo kroz more. Najvjerojatnije će RCD sklopka i na plovilu i na kopnu isklopiti strujni krug. Moramo imati obavezno RCD sklopku i na plovilu jer se ne možemo pouzdati da će nas i na obali zateći standardom zahtijevani ispravno realiziran priključak s RCD sklopkom. Životno ugroženi su kupači oko broda jer uz neispravni galvanski izolator pri kvaru izolacije trošila na plovilu, to je kao da smo spustili fazni vodič u more (ili primjerice sušilo za kosu u kadu!). Potencijal na mjestu dodira faze s morem je puni mrežni napon, a potencijal na dnu mora ili mase na pristaništu je nula. Čovjek u vodi svojim tijelom može premostiti možda i cijeli mrežni napon, jednako tako i čovjek koji se primi za metalnu masu koja je kvarom došla pod napon, a noge drži u vodi! Uglavnom ispravna RCD sklopka s 30 mA diferencijalnom strujom kvara će isklapati dovoljnom brzinom na dovoljno maloj struji (već pri 15 mA) pa će kupač gotovo sigurno ostati živ. No nemojte to ipak isprobavati (baš kao što nemojte probati niti hoćete li preživjeti ako vam sušilo za kosu padne u kadu u kojoj ste vi unutra!) jer ne znate nikada kakve su RCD sklopke u brodu i u priključnom ormariću i da li su uopće ispravne. RCD sklopke imaju tipkalo za testiranje ispravnosti kojim se mora ispitivati RCD sklopka u redovnim vremenskim razmacima, u zgradama dva puta godišnje, na brodu i jednom tjedno.
Galvanski izolator, autonomni izmjenjivač i RCD sklopka
Što ako je na plovilu s galvanskim izolatorom, imamo autonomni izmjenjivač i RCD sklopku? Na slici 19. je prikazano zatvaranje struje kvara pri proboju faze na masu trošila u slučaju da postoji galvanski izolator. U prikazanom spoju galvanski izolator ne sudjeluje. Galvanski izolator sudjeluje u krugu zaštitnog vodiča samo ako je priključeno napajanje s obale, a tada je isključen autonomni izmjenjivač kao izvor. To je zato što autonomni izmjenjivač nije predviđen za rad paralelno s mrežom. Spoj izlaza autonomnog izmjenjivača s javnom mrežom uzrokovat će sigurno uništenje izmjenjivača. Može se uočiti da će RCD sklopka na plovilu pouzdano odraditi bez obzira na ispravnost galvanskog izolatora.
Galvanski izolator, dvosmjerni pretvarač i RCD sklopka
Pri primjeni dvosmjernog pretvarača razmatraju se dva načina rada: izmjenjivački rad i rad kad je spojen napon s obale. Izmjenjivački način rada dvosmjernog pretvarača uz postojanje galvanskog izolatora i RCD sklopke u instalaciji, što se tiče prorade RCD sklopke na plovilu, identičan je radu s autonomnim izmjenjivačem, slika 19. U načinu rada dvosmjernog pretvarača ako je spojen napon s obale, a galvanski izolator je neispravan, RCD sklopke i na obali i u plovilu će detektirati struju kvara i isklopiti strujni krug. Struja iz obale pri kvaru galvanskog izolatora neće se zatvarati preko galvanskog izolatora već kroz more (slika 20), a i taj smo slučaj već imali opisan na slici 18. RCD sklopka i na kopnu i u plovilu će primijetiti da postoji razlika dolazne i odlazne struje i otvorit će strujni krug.
Možemo reći da uz primjenu galvanskog izolatora i RCD sklopke na plovilu nema opasnosti za ljude na plovilu. Opasnost može nastati samo ako se ne primjenjuje RCD sklopka već samo obični automatski zaštitni prekidači! Neispravnost galvanskog izolatora ipak povećava opasnost od strujnog udara osoba na brodu ili kupača oko broda ako je istovremeno neispravna RCD sklopka u plovilu i ne postoji ili je neodgovarajuća RCD sklopka na obalnom priključku. RCD sklopke i u obalnom priključku i u plovilu moraju biti sa strujom kvara ne većom od 30 mA!
Izolacijski transformator i RCD sklopka
Najbolji način odvajanja instalacije broda od obale u smislu sprečavanja galvanskih struja i najvišeg stupnja sigurnosti ljudi na brodu je primjena izolacijskog – odvojnog transformatora. Taj transformator prenosi u omjeru 1:1 napon s obale, ali sekundarni izlazi transformatora su potpuno odvojeni od primarnih izvoda i tako osiguravaju galvansko odvajanje. Taj slučaj je prikazan na slici 21. Izolacijski transformator na primaru tj na obalnoj strani prihvaća zaštitni vodič i on se spaja na predviđenu stezaljku no ona nije nikamo dalje spojena. Na sekundarnoj strani, strani plovila, jedan izvod izolacijskog transformatora se uzemljuje na sabirnicu za izjednačenje potencijala. Na sabirnicu za izjednačenje potencijala se spaja i metalno kućište izolacijskog transformatora. Kuda se zatvara struja kvara pri proboju linijskog vodiča na masu trošila prikazuje slika 22.
Izolacijski transformator, autonomni izmjenjivač i RCD sklopka
Uz izolacijski transformator i prisustvo autonomnog izmjenjivača na plovilu uočava se da će RCD sklopka isklopiti i otvoriti strujni krug pri proboju linijskog vodiča na masu trošila, slika 23. Situacija je ista kao i pri napajanju trošila na plovilu izravno s obalne mreže, slika 22.
Izolacijski transformator, dvosmjerni pretvarača i RCD sklopka
Uz primjenu izolacijskog transformatora i dvosmjernog pretvarača opet treba provjeriti dva slučaja: izmjenjivački način rada i način rada pri spojenom naponu s obale. Izmjenjivački način rada dvosmjernog pretvarača što se tiče prorade RCD sklopke na plovilu, a uz izolacijski transformator, identičan je radu s autonomnim izmjenjivačem, slika 23. Ako je dvosmjerni pretvarač spojen s obalnom mrežom, u instalaciji je izolacijski transformator, dvosmjerni pretvarač i RCD sklopka, tada će RCD sklopka u plovilu također ispravno detektirati kvar proboja linijskog vodiča na masu trošila i isklopiti strujni krug, slika 24.
Izbor RCD sklopke
RCD sklopka, to jest kombinirani zaštitni prekidač koji objedinjava i RCD sklopku i zaštitni prekidač, neizostavan je dio instalacije na plovilu, slika 25. No, kako se snaći u „šumi“ postojećih tipova? Zato će se upoznati specifičnosti po kojima se razlikuju izvedbe RCD sklopki.
Najvažniji podaci RCD sklopke su nazivna struja In i nazivna struja greške IΔn. RCD sklopke se izvode s nazivnim strujama iz niza: ln = 10-13-16-20-25-32-40-63-80-100-125 A. Nazivna struja je ona struja koju RCD sklopka može trajno provoditi i za koju su joj predviđeni sklopni kontakti. Isto tako, propisane su i nazivne struje kvara: IΔn = 0,01 – 0,03 – 0,1 – 0,3 A. U zgradarstvu se najčešće rabe RCD sklopke s 30 i 100 mA strujom kvara. Na plovilima se koristi RCD sklopka s 30 mA strujom kvara jer je to granična struja koja još nije opasna za ljudski život (u zgradarstvu se ova sklopka koristi za vlažne prostore – kupaone, bazene itd…). Koja je logika onda postojanja RCD sklopke sa strujom greške 300 mA, kada je to već opasna – letalna struja za čovjeka? U zgrade se ne smiju ugrađivati RCD sklopke kod kojih je produkt struje kvara i mrežnog napona veći od 100 W (0,3 A x 230 V = 69 W) kako bi se ograničila snaga pri događaju kvara koja je potencijalni uzrok zapaljenja i stvaranja požara! RCD sklopke nam tako služe i kao zaštita u sprječavanju nastanka požara uzrokovanog kvarom instalacije. Istraživanja navode da neispravna elektroinstalacija uzrokuje 40% od ukupnog broja požara.
RCD sklopka prema normi ne smije otvoriti strujni krug sve dok je struja kvara manja od 50% nazivne struje kvara. Ako je struja kvara veća od 50% nazivne struje kvara, tada RCD sklopka mora otvoriti strujni krug! To znači da RCD sklopka s nazivnom strujom kvara 30 mA uz stvarnu struju kvara od 10 mA još neće otvoriti strujni krug, no curenje od 15 do 30 mA mora pouzdano u zadanom vremenu otvoriti strujni krug!
RCD sklopka prema tipu struje kvara
RCD sklopke dijelimo i prema tipu struje kvara na koju mogu reagirati. Različita trošila mogu imati različiti tip, (valni oblik) struje kvara. Tako imamo sklopke tip AC, tip A i tip B.
- RCD sklopka tip AC reagira samo kod pojave struje kvara sinusnog oblika.
- RCD sklopka tip A osim na sinusni oblik struje kvara (isto kao i tip AC) reagira i na pojavu pulsirajućih istosmjernih struja kvara koje nastupaju iznenada ili polaganim rastom. Sklopka tipa A je osjetljivija pa je stoga i skuplja. Dobro je pročitati kakav tip RCD sklopke zahtijevaju trošila, npr. kod uputstava za moderne perilice rublja piše da treba koristiti RCD sklopke tip A jer perilice imaju puno elektronike i uslijed kvara se može dogoditi da je struja kvara pulsirajuća i onda obična RCD sklopka tip AC ne bi pravilno zaštitno reagirala.
- RCD sklopka tip B je osjetljiva na AC struje, na pulsirajuće DC struje i na DC struje kvara ustaljene razine. Rješenje okidanja RCD sklopke tip B prilagođeno je svim mogućim oblicima struje kvara, no zato je ova sklopka i najskuplja. Sve ove navedene struje kvara mogu se pojaviti iznenada ili s nekim polaganim porastom, a RCD sklopka tip B će pouzdano i pravilno reagirati.
RCD sklopke tip AC i A su naponski neovisne sklopke. To znači da za mehanizam okidanja nije potrebno nikakvo posebno napajanje, slika 26., lijevo. Kod ovih RCD sklopki energija inducirane struje na sekundaru mjernog transformatora je dovoljna da pokrene mehanizam otvaranja sklopke.
RCD sklopke tip B su univerzalno osjetljive sklopke osjetljive na sve tipove struje kvara (sinusne, pulsne DC i ustaljene DC struje). Jedan dio RCD sklopke tip B je građen jednako kao i tip A, no tip B ima još jedan dodatni mjerni transformator W2 i elektroniku E, slika 26., desno. W1 mjerni transformator detektira AC i pulsne DC diferencijalne struje kvara dok W2 detektira ustaljenje DC struje kvara. Tip B je sastavljen od naponski nezavisnog mehanizma okidanja kao i sklopka tipa A, ali i naponski zavisnog dijela jer se mora napojiti elektronika. Tip B ima i LED indikaciju koja nam javlja da li je elektronika u funkciji. Na slici 26. prikazuju se i simboli kojima se RCD sklopke označavaju na kućištu.
Na slici 27. prikazuju se oblici mogućih struja kvara u zavisnosti od trošila koja sadrže upravljive i neupravljive poluvodičke ventile, uz napomenu o tipu RCD sklopke koja može reagirati na tu struju kvara. Dobro je ne podcijeniti današnju raznolikost trošila i lakomisleno uzeti najjeftiniju RCD sklopku tipa AC koja možda neće reagirati upravo onda kada je najpotrebnije! Gotovo da bi razmišljanje moralo ići samo u smjeru izbora između A i B tipa RCD sklopke! U Njemačkoj, Belgiji ili Švicarskoj se mora koristiti RCD sklopka isključivo A tipa i sklopke tipa AC nisu dozvoljene! Razlika između sklopki tipa AC i A je u materijalu od kojeg je izrađena feritna jezgra.
RCD sklopke prema vremenu reakcije na struju kvara
Prema vremenu reakcije RCD sklopke dijelimo na standardne, tip S i tip G:
- Standardni tip – bez kašnjenja isklopa,
- G tip – s kašnjenjem isklopa minimalno 10 ms,
- S tip – selektivna RCD sklopka s povećanim kašnjenjima.
Zašto je bitno kašnjenje djelovanja? Pri atmosferskim pražnjenjima struja munje kroz uređaje prenaponske zaštite može dovesti do nepotrebne prorade standardne RCD sklopke. Trajanje ovog događanja je do 10 ms (do jedne poluperiode mrežnog napona). RCD sklopka tipa G stoga ima kašnjenje isklopa od 10 ms. Ovo vremensko kašnjenje ne smanjuje konačno maksimalno dozvoljeno vrijeme isklapanja RCD sklopke. Na plovilima je u tom smislu moguće primijeniti i G tip i standardni tip.
RCD sklopka tipa S u pravilu ima veća kašnjenja. U primjenama u zgradarstvu to je potrebno zbog principa selektivnosti. Primjerice pri kvaru u kupaoni želimo da „ispadne“ opskrba samo kupaone, a ne i cijelog stana! Samo prva sklopka u nizu od izvora (mreže) mora biti RCD sklopka tipa S, s kašnjenjem isklopa minimalno 40 ms. Dodatno, nazivna struja kvara I∆n prve RCD sklopke u nizu od izvora mora biti minimalno 3 x I∆n struje kvara slijedne RCD sklopke. Dakle prema izvoru postavljamo RCD sklopku tipa S sa 100 mA struje kvara, a prema trošilu standardnu RCD sklopku s 30 mA struje kvara. Ako je riječ o jednostavnim plovilima onda se o selektivnosti ne razmišlja, ali ako je riječ o ozbiljnijim plovilima onda primjena principa selektivnosti može biti bitna!
Na slici 28. uočava se kako su najveća vremena isklapanja definirana normom i da su to kraća što je stvarna struja kvara veća u odnosu na nazivnu struju kvara potrebnu za proradu. Tako se pri standardnoj izvedbi RCD sklopke s nazivnom strujom greške od 30 mA isklapanje uz nazivnu struju kvara od 30 mA mora dogoditi do 300 ms nakon pojave kvara, a pri dvostrukoj struji kvara isklapanje se mora dogoditi za najviše 150 ms, a pri peterostrukoj struji kvara isklapanje se mora dogoditi za maksimalno 40 ms. Što je veća stvarna struja kvara, to se prekidanje i otvaranje strujnog kruga mora događati brže.
Na slici 29. prikazuju se RCD sklopke tip G sa strujom kvara 30 mA i tip S sa strujom kvara 100 mA s kojima je moguće postići selektivnost. Uz najveća dozvoljena vremena isklapanja pojedine RCD sklopke, norma definira i najkraće vrijeme odgode isklapanja, tj vrijeme za koje RCD sklopka još ne smije reagirati i uz prisutnu struju kvara. Tek ako struja kvara traje dulje od vremena odgode isklapanja, tada sklopka mora otvoriti strujni krug. Tako je žuto i plavo područje međusobno razmaknuto čime se i dokazuje osigurana selektivnost.
RCD sklopke s indikacijom razine struje kvara
RCD sklopka se može opremiti LED indikacijom razine struje kvara i pomoćnim kontaktom. Ako je struja kvara manja od 30% nazivne struje kvara, tada je indikacija zelena i pomoćni kontakt je otvoren. Ako je razina struje kvara od 30 do 50% tada je pomoćni kontakt zatvoren i dojavljuje mogući skori kvar, a LED indikacija je pri tome žuta. Ako je struja kvara preko 50%, tada je LED indikacija crvena, a pomoćni kontakt je zatvoren. Komercijalni naziv za ovu sklopku je PRIORI, slika 30.
Pribor uz RCD sklopku
Ovisno o konkretnom tipu i izvedbi RCD sklopke moguće ju je dodatno opremiti i pomoćnim kontaktima za višestruku dojavu stanja glavnih kontakata, ali i uređajem za automatski daljinski uklop, slika 31.
AFDD = zaštitni prekidač + RCD sklopka + detekcija strujnog luka
Ako u električnoj instalaciji zgrade ili plovila dođe do trajnog strujnog luka (iskrenja!) malo treba u skučenom prostoru da se dogodi i zapaljenje okoline. Strujni luk, iskrenje u aktivnom vodu ne prepoznaje niti jedan do sada opisani zaštitni uređaj. Stoga je razvijen uređaj za detekciju strujnog luka u izmjeničnoj instalaciji (engl. Arc Fault Detection Device, AFDD).
RCD sklopka kako smo već ranije opisali primjećuje curenje struje prema zemlji, ovisno o tipu, već od 15 mA i otvara strujni krug ispod 100 ms. Dakle ako takva struja „procuri“ kroz čovjeka ona ne ostavlja posljedice. Struja od 15 mA pri 230 V mrežnog napona predstavlja snagu od 0,015 A x 230 V = 3,5 W, a to je snaga koja ne može još izazvati požar. RCD sklopke nam tako služe i kao zaštita čovjeka od udara električne struje, ali i u sprječavanju nastanka požara uzrokovanog električnom strujom. Zaštitni prekidač ne može primijetiti curenje struje prema zemlji. AFDD – uređaj za detekciju strujnog luka – prepoznaje struju curenja prema zemlji jer u sebi ima RCD dio, slika 32!
Sljedeća vrsta kvara u instalaciji je pravi paralelni kratki spoj na stezaljkama trošila, dakle spoj između linije i nul vodiča. Takav kratki spoj (ali već i preopterećenje preko neke nazivne struje) zbog načela djelovanja ne može prepoznati RCD sklopka već samo zaštitni prekidač. Zaštitni prekidač posjeduje termomagnetski okidač osjetljiv na preopterećenje (niske razine nadstruje) i na kratki spoj (velike razine nadstruje). Pri preopterećenju, zaštitni prekidač će otvoriti strujni krug nakon nešto duljeg vremena, štiteći tako primarno vodiče i kabele od pregrijavanja. Uz velike nadstruje, dakle uz izravne kratke spojeve, trajanje isklopa će biti značajno kraće. Ako je čovjek izložen izmjeničnom naponu većem od 50 V uz frekvenciju napona od 50 Hz, onda se u smislu zaštite čovjeka, trajanje struje kroz čovjeka uz izmjenični napon od 230 V, 50 Hz ne smije biti dulje do 170 ms, a u izrazito lošim, vlažnim uvjetima, ne smije biti dulje od 50 ms! Projektom se uvijek provjerava da u slučaju kratkog spoja kroz zaštitni prekidač može poteći dovoljno velika struja kratkog spoja koja može pokrenuti magnetski okidač zaštitnog prekidača i isklopiti ga prema karakteristici u zadovoljavajuće kratko vrijeme. Sve dok je plovilo priključeno na obalu moguće je pri izravnom kratkom spoju na plovilu dostići potrebne visoke razine struje kratkog spoja koje će isključiti zaštitni prekidač u vremenima ispod 100ms. Zamislite to ovako: brod je spojen na obalu, obalni ormarić je spojen na neku trafostanicu. Kratki spoj na vašem plovilu će izazvati praktički kratki spoj transformatora, struje će biti dovoljno velike za pobuđivanje magnetskog okidača zaštitnog prekidača i isključenje se događa u dovoljno kratkom vremenu! No ako je brod u plovidbi, nema više „snažnog“ transformatora da protjera potrebnu razinu nadstruje, već je prisutan tek mali izmjenjivač 1 do 2 kW. Uz tako slabašan izvor, uređaji nadstrujne zaštite vjerojatno neće moći prekinuti struju kratkog spoja ispod 100 ms, dakle čovjek je gotovo sigurno u opasnosti, a snaga izvora u smislu zapaljenja i požara je zapravo snaga samog izmjenjivača, sve dok magnetski okidač zaštitnog prekidača ne otvori strujni krug. Za naglasiti je da paralelni kratki spoj osim zaštitnog prekidača primjećuje i AFDD – uređaj za detekciju strujnog luka – jer u sebi ima integriran zaštitni prekidač!
AFDD može prepoznati sve što i kombinirani zaštitni prekidač, baš zato što AFDD u sebi ima i okidač iz RCD sklopke i termomagnetski okidač iz zaštitnog prekidača. No ono što AFDD čini jedinstvenim je mogućnost prepoznavanja strujnog luka u instalaciji. To je kvar koji ne prepoznaje niti jedan drugi zaštitni uređaj. Strujni luk može stvoriti jedan trajno loši spoj ili nedovoljno pritegnuti vijak. Strujni luk može biti uzrokovan i oštećenim presjekom vodiča uslijed mehaničkog oštećenja recimo bušilicom ili čak djelovanjem glodavaca. Mehanički oštećen presjek kabela će provoditi struju, ali će se grijati i u jednom trenutku početi iskriti. Takvo iskrenje može trajati i dulje vrijeme. Pri tome struja ne curi prema zemlji, ne može se aktivirati RCD dio, ali niti nije povećanog iznosa što znači da neće reagirati termomagnetski okidač karakterističan za zaštitni prekidač. No AFDD ima u sebi posebnu elektroniku kojom mjeri karakteristične visoke frekvencije koje nastaju pri iskrenju. AFDD prepoznaje iskrenje bilo unutar jednog vodiča bilo da iskri između nule i linije. Ako iskrenje traje dostatno dugo AFDD otvara strujni krug. Mogućnost detekcije strujnog luka, kao potencijalnog izvora požara na plovilu je značajan iskoraku u zaštiti od djelovanja struje, slika 34.
Na slici 35. prikazuje se električki simbol za AFDD zaštitni uređaj. Na donju stranu AFDD-a se priključuje izvor, a na gornju stranu se priključuje trošilo. Zamjena strana može dovesti do neispravnog rada AFDD sklopke. Za uočiti je da nije potrebno paziti da li su priključci 1/3 povezani s L/N ili N/L vodičima.
Na samom kućištu AFDD-a nalazi se mali prozorčić s LED indikacijom. Ako je indikacija zelene boje, AFDD je ispravan i u pogonu. Ako je indikacija bez LED svjetla tada ili nema ulaznog napajanja ili nešto s uređajem nije u redu i mora se pozvati električara ili zamijeniti AFDD. Isto će se morati napraviti ako LED indikacija titra izmjenjujući žutu i crvenu boju.
Ako ste na AFDD uređaju zatekli spuštenu ručicu zaključujete da je do spuštanja ručice došlo zbog neke greške u instalaciji. Odmah ispod ručice nalazi se i mali prozorčić koji može biti bijeli ili plavi. Taj prozorčić će biti bijeli ako je AFDD izbacio zbog nadstruje ili pak ako smo sami mehanički spustili ručicu. Ako je prozorčić plavi onda podignite ručicu. Nakon što ste podigli ručicu promatrajte LED indikaciju i ona će precizno ukazati na izvor kvara brojem žutog bljeskanja. Tako je moguće utvrditi čak 9 uzroka otvaranja strujnog kruga. To bi moralo značajno pomoći u otklanjanju kvara.
Na AFDD-u, kao i na RCD sklopki nalazi se ispitno tipkalo koje je potrebno svakih 6 mjeseci pritisnuti i utvrditi da je RCD dio AFDD uređaja ispravno djeluje. AFDD se može opremiti pomoćnim kontaktom koji služi za dojavu stanja sklopke. Širina samog uređaja je 3M, dakle kao 3 jednopolna zaštitna prekidača.
AFDD se izvodi jednofazno za struje od 10 do 40 A nazivno, uz karakteristiku zaštitnog prekidača B i C, uz nazivnu struju kvara za RCD dio od 30 mA. RCD dio može biti izveden kao tip AC i A, uz standardnu izvedbu bez vremenskog zatezanja i uz vremensko zatezanje. Kontakti se izvode s nazivnom prekidnom moći od 6 ili 10 kA. Primjena AFDD je od 2014 prema HRN EN 60364-4-42 izrazito preporučena. Europske zemlje slijede normu, a Njemačka je primjerice za pojedine vrste zgrada definirala obaveznu primjenu AFDD kroz nacionalnu normu VDE0100-420:2016-02.
Zaključak
Kroz ovaj članak nastojalo se približiti na što jednostavniji način primjena RCD sklopke na plovilu. Ponovljena su osnovna znanja o djelovanju RCD zaštitne sklopke. Razmotreno je kako se RCD sklopka kao zaštita od strujnog udara zbog 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 dvosmjernim pretvaračem.
Ukazano je i na neke posebnosti izvedbe instalacije plovila uz primjenu galvanskog izolatora ili izolacijskog transformatora za sprečavanje galvanske korozije. Promišljena su stanja koja mogu nastati pri proboju linijskog vodiča na masu trošila i moguće posljedice na djelovanje RCD sklopke. Ako u plovilu imamo ispravnu RCD sklopku tada je zaštita od udara električne struje osigurana i bez obzira na primjenu galvanskog izolatora ili izolacijskog transformatora potrebnih za sprečavanje galvanskih struja.
Spomenute su osnovne razlike tipova AC, A i B s osnova mogućnosti detekcije vrste struja kvara koje mogu nastati u modernim trošilima. Postoji standardna izvedba bez kašnjenja u reakciji i dvije izvedbe s kašnjenjem u reakciji; S i G. Obrađen je i uređaj za detekciju strujnog luka u izmjeničnoj instalaciji, AFDD. Strujni luk u instalaciji ne prepoznaje niti RCD sklopka niti zaštitni prekidač. Ali AFDD osim detekcije strujnog luka u sebi obuhvaća i funkciju zaštitnog prekidača i funkciju RCD sklopke. Time je AFDD sigurno najcjelovitiji zaštitni uređaj izmjenične instalacije i stoga neizbježan i u primjenama u plovilima. Štiti od udara električne struje i od nastanka požara pri kvaru instalacije.
Na ovih nekoliko stranica nismo rekli sve što smo željeli i nismo sigurni da smo to rekli za sve na dovoljno jasan i precizan način. 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. U ovom konkretnom slučaju mnogi neće niti znati o čemu govorite ako ih pitate o primjeni i korištenju AFDD-a, toliko je AFDD tehnološki nov uređaj! No Vi ste kroz ovaj članak dobili informacije i stoga hrabro potražite pratnju u Vašim projektima od onih koji imaju potrebna znanja i znaju kako se radi!