Požadavky na impedanci smyčky pracovního proudu

Ing. Michal Kříž

V současné době je třeba rozlišovat ověřování dvou smyček v elektrických sítích a instalacích. Jedná se o impedance smyčky:
- fázový vodič – ochranný vodič,
- fázový vodič – nulový vodič.

Požadavky na ověřování impedance vypínací smyčky jsou v ČSN zařazeny především v souvislosti s ochranou automatickým odpojením. Ty se týkají téměř výhradně ověřování impedance vypínací smyčky mezi fázovým a ochranným vodičem.

Doposud není nikde jednoznačně stanoveno, že vedle impedance smyčky fázový vodič – ochranný vodič musí být měřena také impedance smyčky fázový vodič – nulový vodič. Přitom by tato povinnost měla vycházet z uplatňovaných zásad bezpečnosti, protože vyplývá ze základních požadavků nejen na správnou, ale i na bezpečnou funkci elektrické instalace.

Prvým předpokladem, který musí být splněn, je zajištění bezpečnosti z hlediska ochrany před úrazem elektrickým proudem.

Druhým uplatňovaným požadavkem je zajištění ochrany před nebezpečím požáru, tj. především nadměrným oteplením vedení.

Jako třetí připadá v úvahu samotná funkčnost elektrického zařízení.

Impedance smyčky z hlediska ochrany před úrazem elektrickým proudem

Vidíme tedy, že měření impedance smyčky poruchového proudu spadá do ověření prvého předpokladu. To znamená, že je důležité z hlediska ověření ochrany před úrazem elektrickým proudem. Alternativním k ověření impedance smyčky je vlastně též ověření spojitosti a odporu ochranného vodiče. V podstatě pokud provedeme toto měření a ověříme, že odpor ochranného vodiče je v takovém vztahu k předřazenému jištění nebo proudovému chrániči, zaručíme, že na neživých částech při jakékoliv poruše nevznikne vyšší dotykové napětí, než je předepsáno. Přesto však měření impedance smyčky dáváme přednost. Je to jednak proto, že měření impedance smyčky je jednoduché – nemusíme totiž měřicí přístroj spojovat s jednotlivými body, ve kterých je ochranný vodič přístupný, ale postačí připojit měřicí přístroj v bodě, v němž impedanci smyčky měříme. Je zde však ještě druhý důvod – viz dále.

Impedance smyčky z hlediska spojitosti vodičů obvodu

Při měření impedance smyčky totiž ověřujeme nejen spojitost a odpor ochranného vodiče, ale i spojitost a odpor fázového vodiče, a to vlastně od zdroje až k místu, v němž máme měřicí přístroj zapojen. Neověřujeme tedy jenom ochranu před úrazem elektrickým proudem zajišťovanou automatickým odpojením, ale vlastně též funkčnost obvodu. Jestliže se impedance smyčky měřila v síti TN-C, jejím ověřením se též prokázalo, že samotný obvod je funkční. To znamená, že je v pořádku jak vodič PEN, tak fázový vodič k místu měření.

Obr. 1 Měření impedance smyčky fázový vodič L – vodič PEN

Impedance smyčky v síti TN-S

Provádíme-li stejné měření v síti TN-S, tak již tuto záruku funkčnosti ověřovaného obvodu nemáme. Prokazujeme vlastně jenom to, že obvod je v pořádku z hlediska funkce ochranného přístroje zajišťujícího automatické odpojení části obvodu, v níž došlo ke spojení živé a neživé části. Pokud je však uvedeným přístrojem proudový chránič, jak jsme uvedli, a řídíme-li se jenom pravidly, která nám pro ověření impedance smyčky stanoví technické normy, můžeme dospět k závěru, že je ochrana zajištěna, i když samotný obvod poruchového proudu vykazuje odpor řádově stovky ohmů. Přesto se najdou revizní technici, kteří by byli ochotni prohlásit, že požadavky normy jsou splněny a tudíž že zařízení je v pořádku a schopno bezpečného provozu. K tomu jim zdánlivě dává možnost znění normy. Oni jenom postupují, podle svého výkladu (názoru), v souladu s jejími ustanoveními. Takto postupovat však samozřejmě nelze.

Obr. 2 Měření impedance smyčky fázový vodič L – ochranný vodič PE

Ověření obvodu z hlediska jeho funkčnosti a nebezpečí požáru

V uvedeném případě je sice zajištěno automatické odpojení, ne však řádná funkce daného obvodu. Takový obvod může při svém zatížení vykazovat značné úbytky napětí. Podstatnější však je to, že tento obvod neodpovídá z hlediska ochrany před nadproudy, a to především před zkraty. Při zkratu mezi vodiči L a N v takovém obvodu nedojde k včasnému odpojení, obvod se v místě slabého spoje zahřívá a to se může stát zárodečným místem vzniku požáru. Závadu neodhalí ani proudový chránič ani nadproudový jisticí přístroj. Proud, a to i při zkratu, totiž nadále prochází vodiči L a N, tedy snímacím (magnetickým) obvodem chrániče, a přitom je menší než proud, na který by měl reagovat jisticí prvek. Obvod tedy nesplňuje požadavek čl. 434.3.2 ČSN 33 2000-4-43 ed. 2, protože jisticí prvek zřejmě nevypne obvod včas. K tomu však nedojde při ověřování impedance smyčky v síti TN-C, kde je k automatickému odpojení použit nadproudový ochranný přístroj (obvykle jistič nebo pojistka). V tomto případě se spolu s automatickým odpojením ověří též funkčnost daného obvodu i jeho schopnost být vypnut při zkratu.

Obr. 3 Měření impedance smyčky fázový vodič L – ochranný vodič PE neodhalí poruchu v pracovním obvodu

Jak ověřovat obvod v síti

Jak jsme si již řekli, revizní zpráva udávající, že obvod poruchového proudu je v pořádku, a to jenom na základě zjištění jeho impedance z hlediska automatického odpojení citlivým proudovým chráničem, přinejmenším nemusí být kompletní. Takový obvod není zcela ověřen z hlediska dobré vodivosti, zejména v místech propojení, z hlediska své funkčnosti a především z hlediska zajištění jeho včasného odpojení v případě zkratu mezi vodiči L a N. Takový obvod s jedním slabým místem může být ostatně nebezpečný požárem i při svém normálním provozu. Je-li v jednom slabém místě obvodu, kterým může být spoj ve svorce, přechodový odpor 0,3 Ω, pak průchodem i jenom pracovního proudu 15 A v něm dochází k vývinu tepelného výkonu téměř 70 W. A to je moc. Zkusme si představit žárovku 70 W, které se, když je zapnutá, nikdo raději nedotkne (povrchovou teplotu má na některých místech i vyšší než 200 °C) vtěsnanou do malého prostoru elektroinstalační krabice. Celá její energie, která by se rozptylovala pouze v nepatrném prostoru elektroinstalační krabice, bude destruovat nejprve izolace vodičů, které jsou v blízkosti, potom materiál krabice a nakonec též okolní materiály a podklady. To už představuje vážné nebezpečí, zejména tehdy, jsou-li v blízkosti hořlavé předměty nebo podklady. Toto nebezpečí se nemusí delší dobu projevit. Na funkci elektrického obvodu to nemusí být znát. Funkce pračky s elektrickým ohřevem nebo funkce elektrického topení, které jsou na obvod připojeny, nemusí po dlouhou dobu vykazovat žádné odchylky od normálu. Vždyť průchodem proudu 15 A odporem 0,3 Ω dojde k úbytku napětí 4,5 V, což nejsou ani 2 % jmenovité hodnoty, a to nepředstavuje ani ten nejpřísněji stanovený úbytek napětí ve světelných obvodech. I když ve většině případů se taková porucha časem odhalí sama tím, že uživatel elektrické instalace zjistí, že příslušný obvod nebo několik obvodů přestanou být funkční, tak přestože nemusí dojít zrovna k tragickým následkům (vznícení okolních předmětů a následně i požáru), může již takováto závada znamenat poškození části instalace, které si vyžádá nákladnější opravu. Předtím totiž, než došlo přerušení, protože přechodový odpor ve svorce se zvětší tak, že omezí i průchod pracovního proudu, se mohly značně poškodit vodiče obvodů v blízkosti svorky s nedokonalým spojením. V některých případech si však závada může vyžádat i uvedené již vážnější následky.

Ke zvýšení přechodového odporu ve svorce obvykle nedochází ze dne na den a revizní technik, jehož úkolem je podat majiteli nebo uživateli elektrické instalace pravdivou zprávu o jejím stavu, by měl tuto závadu včas odhalit. Revizní zpráva, která by uvedené měření impedance obvodu fázový vodič – nulový vodič neuváděla, by nebyla úplná. Proto je o měření takzvaného vnitřního odporu sítě nutno hovořit.

Obr. 4 Teplo vyvíjené v nedokonalém spoji

Následek zvýšení odporu – přerušení kontaktu ve svorce nulového vodič

Velmi závažným následkem zvýšení odporu v některé svorce nulového vodiče je přerušení spoje – to znamená vzrůst odporu nulového vodiče (matematicky řečeno) nade všechny meze. Následkem je pak rozkolísání napětí v elektrické instalaci, která se nachází za bodem přerušení nulového vodiče. Napětí na silných spotřebičích bude malé, na výkonově slabých spotřebičích, např. na elektronice, může napětí dosahovat až hodnot sdruženého napětí, jak je znázorněno na následujícím obr. 5. Jak příliš nízké, tak především příliš vysoké napětí na spotřebičích může mít (a také mívá) za následek zničení připojených spotřebičů.

Obr. 5 Zkreslené napěťové poměry za bodem přerušení nulového vodiče

Měření vnitřního odporu sítě

Pod měřením vnitřního odporu sítě se rozumí měření vnitřního odporu obvodů pro napájení. Tento obvod zahrnuje vinutí transformátoru, fázový vodič L a nulový vodič N. Měření vnitřního odporu, přesněji řečeno impedance obvodu pracovního proudu, není (na rozdíl od měření impedance smyčky poruchového proudu) konkrétně uvedeno v předpisových normách mezinárodních, evropských ani českých. Nicméně měření vnitřního odporu sítě plní cennou službu pro praktika jak při posuzování zařízení, tak při vyhledávání závad. Toto měření se velice podobá měření impedance smyčky. Jedná se pouze o měření obvodu L-N, ne však L-PE, jako je tomu u měření impedance smyčky obvodu zajišťujícího automatické odpojení při průrazu izolace na neživou část. Proto mnoho z toho, co platí o měření impedance smyčky, platí také o měření vnitřního odporu sítě. Přísně vzato by se mělo hovořit také o měření vnitřní impedance sítě. Započítává se do ní také induktance vinutí transformátoru a rovněž induktivní složka impedance vedení. Je to tedy stejné jako u impedance smyčky. Jestliže se u impedance smyčky pro zajištění automatického odpojení hovoří zcela obecně o impedanci zdroje, hovoří se o něm také v případě měření vnitřní impedance sítě.

Obr. 6 Měření vnitřní impedance L-N

Z jakých dalších důvodů nás měření vnitřního odporu sítě zajímá?

Opatření na ochranu před dotykem neživých částí

Jak již bylo řečeno, není měření vnitřního odporu sítě tím měřením, které by bylo předepsáno z hlediska ověření účinnosti ochrany před úrazem elektrickým proudem. Přesto však pro elektrotechnika představuje důležité pomocné měření, kterým se prokazuje cenná služba při vyhledávání chyb v rámci ochranných opatření.

Měření impedance smyčky

Jestliže se při měření impedance smyčky Z_s zjistí příliš vysoká hodnota, je zřejmé, že se jedná o nějakou poruchu. Tady je možno při měření vnitřního odporu sítě, kdy se měří vlastně ta samá hodnota, jakou by měla mít impedance smyčky (při stejné délce a průřezu vodičů), získat hodnotu, s kterou je možno impedanci smyčky porovnat.

Aby bylo možno si udělat rychle představu o tom, jakou hodnotu bychom asi měli (ve studeném stavu obvodu) naměřit, je níže uvedena tabulka udávající odpor vodičů z mědi, resp. z hliníku o průřezu od 1,5 mm² do 300 mm². (Hodnoty uvedené v tabulce vycházejí z hodnoty rezistivity – dříve měrného odporu – pro měď 0,018 Ω mm²/m, pro hliník 0,028 Ω mm²/m při teplotě 20 °C.)

Při přibližném odhadu impedance smyčky z údajů uvedených v této tabulce je nutno sečíst odpor fázového i ochranného vodiče. To znamená, že do průřezu 16 mm² je nutno počítat s dvojnásobkem hodnoty uvedené v tabulce násobené poměrem délky obvodu v metrech dělené stem. (Je-li tedy např. délka obvodu tvořeného kabelem s vodiči Cu 1,5 mm² 30 m, pak jeho impedance je 1,200 × 2 × 30/100 = 2,4 × 0,3 = 0,72 Ω .) Pro větší průřezy, kdy vodiče ochranné a nulové, resp. vodiče PEN mají jiný průřez než vodiče fázové, je nutno pro zjištění impedance příslušné smyčky sečíst odpor fázového vodiče a odpor ochranného nebo nulového nebo PEN vodiče, podle toho, o jakou smyčku se nám jedná. Je-li tedy např. délka obvodu tvořeného kabelem s vodiči Cu 50 m, kdy průřez fázového vodiče je 35 mm² a průřez vodiče PEN je 25 mm², pak jeho impedance je (0,051 + 0,072) × 50/100 = 0,123 × 0,5 = 0,0615 Ω . U kabelů s průřezem fázových vodičů od 120 mm² může být naměřená impedance o něco vyšší než odpovídá výpočtu (řádově o 10 %). Je to způsobeno induktivní reaktancí vedení. Přesto však i pro tyto vyšší průřezy může být užitečné si odhad podle tabulky provést.

Při použití proudového chrániče v síti TN

Je třeba zjistit, zda nedošlo k záměně nulového vodiče N s ochranným vodičem PE, aniž by je bylo nutno v bodě rozdělení odpojovat.

Jedná se např. o bytové instalace, kde je proudový chránič v souladu s ČSN 33 2000-7-701 ed. 2 použit pouze pro zásuvkový obvod v koupelně nebo o instalace v rodinných domcích, ve kterých je proudový chránič použit pro ochranu zásuvkových vývodů vně budovy. Kromě toho, že je nutno uvedené obvody pravidelně přezkušovat, zda proudový chránič vybavuje, je velice důležité sledovat, zda nedošlo k záměně ochranného a nulového vodiče.

Při této záměně je okamžitě zřejmé, že při zapnutí jakéhokoliv spotřebiče, jehož jmenovitý proud je srovnatelný se jmenovitým vybavovacím reziduálním proudem chrániče, chránič obvod odpojí. (Jedná-li se např. o chránič s I_Δ = 0,5 A, nedojde k odpojení pouze při zapnutí spotřebičů o výkonu polovičním k 0,5 × 230 = 115 W, tedy asi kolem 50 W.)

Měření vnitřního odporu sítě způsobí při této záměně vodičů nebo i v případě nevhodného propojení nulových vodičů různých obvodů za chrániči to, že proudový chránič obvod (popř. obvody) vypne. Vypnutí způsobí měřicí proud.

Při použití proudového chrániče v sítích TT

V síti TT se při použití chrániče jako ochranného prvku měří podle čl. 61.3.6.1 ČSN 33 2000-6:2007 a čl. 411.5.3 ČSN 33 2000-4-41 ed. 2:2007 dotykové napětí při jmenovitém vybavovacím proudu chrániče. Je to napětí na zemniči v případě, kdy tímto zemničem protéká poruchový proud. Abychom je mohli zjistit, musíme toto napětí porovnat s napětím vzdálené – neutrální – země. K tomu potřebujeme sondu. Ta je uzemněna v místě, kde se předpokládá neutrální zem, to znamená nulový potenciál, tj. potenciál neovlivněný průchodem proudu zemničem v místě poruchy. Jako sondu je možno použít též uzemnění uzlu zdroje. Od tohoto uzemnění vede až k místu měření nulový vodič. Aby měření bylo věrohodné, je nutno ověřit, že nulový vodič má malý odpor, resp. malou impedanci. To se zjistí právě měřením vnitřního odporu sítě. (Někdo může namítnout, že při měření se měřicí proud vrací zemí ke zdroji a tím, že prochází uzemněním uzlu zdroje, ovlivňuje výsledek měření. Je to pravda. Rozdíl naměřené hodnoty proti skutečné hodnotě napětí na uzemnění spotřebiče je však pouze v tom, že se naměří hodnota větší, a to o úbytek napětí na uzlu zdroje. Je to malá hodnota, protože odpor uzemnění uzlu zdroje je také malý oproti odporu uzemnění spotřebiče. Navíc, kromě toho, je chyba na straně jistoty. Naměřená hodnota je větší než skutečná hodnota na měřeném zemniči.)

Jinak v síti TT má porucha v obvodu pracovního proudu stejné neblahé následky jako v síti TN. Proto i v síti TT je účelné měřit vnitřní impedanci sítě z důvodu ověření funkčnosti sítě. Totéž platí i pro sítě IT s vyvedeným nulovým bodem. V těch je navíc účelné měřit i impedance smyček mezi fázovými vodiči.

O čem ještě měření vnitřního odporu sítě vypovídá?

Výpočet úbytku napětí

Podle ČSN 33 2000-5-52 se doporučuje, aby pokles napětí mezi počátkem instalace a provozním zařízením uživatele nebyl větší než 4 % jmenovitého napětí instalace. Přesnější hodnoty pro jednotlivé obvody jsou předepsány v ČSN 33 2130 ed. 2. Měřením vnitřního odporu sítě se dá nejrychleji prokázat, že předepsané hodnoty nejsou překročeny.

Příklad:
Jmenovité napětí 230 V, zásuvkový obvod jištěný 16 A. I když ČSN 33 2130 ed. 2 pro tento obvod (nejedná se o obvod pro svítidla ani pro topidla a vařidla) připouští úbytek napětí 5 %, budeme počítat s úbytkem napětí, který doporučuje nepřekročit ČSN 33 2000-5-52, tj. 4 %. A 4 % z 230 V je 9,2 V. Tento maximální dovolený úbytek napětí je vyvolán průchodem proudu 16 A (jmenovitého proudu jištění) maximálním dovoleným vnitřním odporem instalace R_v. Takže R_v × 16 ≤  9,2 a odtud vyplývá, že vnitřní odpor sítě R_v nesmí být větší než 9,2/16 = 0,57 Ω . Pokud se tedy přesvědčujeme, že úbytek napětí je v pořádku, neměli bychom naměřit větší hodnotu vnitřního odporu (vnitřní impedance) sítě R_v než asi 0,6 Ω .

Poznámka:
V těchto případech se předpokládá, že při navrhování zařízení byly respektovány příslušné požadavky na úbytek napětí. Při fyzickém provedení zařízení však mohou vzniknout případné přechodové odpory, které mohou celkový odpor zvýšit nad vypočtenou hodnotu. Z naměřené a vypočtené hodnoty lze usuzovat na nedokonalost některého spoje.

Ověření ochrany před zkratem a zčásti též před přetížením

V síti TN s ochranou nadproudovými ochrannými prvky je možno z hlediska měření vycházet z toho, že při dostatečně malém vnitřním odporu je splněna jak ochrana před přetížením, tak před zkratem. Samozřejmě se přitom předpokládá, že jsou splněny podmínky ČSN 33 2000-4-43 ed. 2.

Z ampérsekundových charakteristik (tj. charakteristik čas-proud) jističů s charakteristikami B, C a D a pojistek s charakteristikou gG je možno odečíst dobu vypnutí v závislosti na násobku jmenovitého proudu jisticího prvku. K tomu je pro vypínací čas z hlediska jistoty rozhodující vrchní obalová křivka pásma charakteristik. Naměřená hodnota vnitřního odporu sítě umožňuje vypočítat zkratový proud.

Zjišťování malého vnitřního odporu sítě

Jestliže jsou dodatečně instalovány spotřebiče s vysokým jmenovitým proudem, poskytuje měření vnitřního odporu sítě informaci o dané instalaci. To platí např. pro elektrické vytápění, akumulační kamna nebo i pro případy, kdy je třeba v lékařské praxi instalovat rentgen. Přitom se postupuje stejně jako při měření impedance smyčky.

Přístroje

Protože metoda měření vnitřního odporu sítě je stejná jako měření impedance smyčky, hodí se pro její zjišťování v podstatě veškeré přístroje, kterými se měří také impedance smyčky. Jednotlivé přístroje na trhu poskytují možnost  měření jak impedance vypínací smyčky (Z_s), tak vnitřního odporu (R_v nebo R_i). Výhodné jsou přístroje, které mají možnost přepnutí funkce měření z impedance vypínací smyčky na měření vnitřního odporu. Pokud přístroje tuto možnost nemají, tak je nutno namísto měřicí vidlice, která se zasunuje pro měření do zásuvky, použít pro připojení měřicí adaptér se třemi volnými vývody (zkušebními hroty, krokodýlky apod.). Z těchto vývodů jsou podstatné dva. Je to ten, který se připojuje k fázovému vodiči a potom ten, který se připojuje při měření impedance smyčky k ochrannému vodiči a při měření vnitřního odporu sítě k nulovému vodiči.

Jak pro měření impedance smyčky, tak pro měření vnitřního odporu sítě je stejné připojení fázového vodiče L (označené obvykle černou barvou). Připojení pro ochranný vodič (označené většinou barevnou kombinací zelená/žlutá nebo písmeny PE) se připojí k nulovému vodiči N sítě (v síti označenému světle modrou izolací). Pokud je použit i třetí vývod z přístroje (označený světle modře nebo písmenem N), ten se připojí výjimečně k ochrannému vodiči PE (označenému barevnou kombinací zelená/žlutá).

Při měření je třeba respektovat pokyny uvedené výrobcem přístroje v návodu k obsluze.

Závěr

Předpokládám, že uvedená vysvětlení již nenechají žádného revizního technika na pochybách, že je v zájmu kvalifikovaného ověření elektrického zařízení při jeho revizi ověřovat i vnitřní impedanci sítě, a to s přihlédnutím k zajištění správné funkce, tak jak bylo v příspěvku vysvětleno.