Ochrana před úrazem elektrickým proudem – vztah k UPS

Ochrana před úrazem elektrickým proudem – vztah k UPS
Ing. Michal Kříž,
IN-EL, spol. s r. o.

Úvod
V současné době, jak je všeobecně známo, se v zásadě prostředky, kterými se zajišťuje ochrana před úrazem elektrickým proudem, rozdělují na prostředky ochrany základní a prostředky ochrany při poruše. Vhodná kombinace těchto prostředků vytváří kompletní ochranné opatření.

Přitom prostředky základní ochrany (dříve nazývané ochranou před dotykem živých částí, jinak též ochrany před přímým dotykem) musí být účinné po celou dobu života elektrického zařízení, elektrické instalace, elektrického rozvodu. Pod těmito prostředky rozumíme především základní izolaci živých částí nebo uzavření živých částí v krytu nebo za přepážkou. (Těmi dalšími prostředky základní ochrany, jako jsou ochrana polohou, omezení napětí, omezení ustáleného dotykového proudu a náboje a řízení potenciálu se nemusíme podrobněji zabývat.)

Prostředky ochrany při poruše jsou především:
- přídavná izolace a
- ochranné pospojování.

Přídavnou izolací se docílí toho, že elektrický předmět je chráněn i v případě, kdy dojde k narušení základní izolace ještě izolací přídavnou, jejíž narušení se vzhledem ke zkušebním podmínkám nepředpokládá.

Ochranným pospojováním se docílí vyrovnání potenciálů při poruše. Přitom toto vyrovnání potenciálů, i když může v kombinaci se základní ochranou (provedenou izolací nebo krytem) tvořit kompletní ochranné opatření (viz ČSN EN 61140 ed. 2), je obvykle doplněno ještě dalšími prostředky. To jsou prostředky, kterými se při vyrovnávání potenciálů dosáhne zároveň rychlého odpojení obvodu s poruchou. Přitom se využívá toho, že při vyrovnávání potenciálů mezi místem s poruchou a ostatními pospojovanými částmi musí procházet elektrický proud. Jeho velikost závisí na závažnosti poruchy. Záleží na tom, jestli se jedná o poruchu začínající, kdy slabým místem izolace vytvořeným vodivou cestou protéká poměrně malý unikající proud, nebo jestli jde o poruchu již rozvinutou, která se projevuje plným zkratovým poruchovým proudem. Podle toho se také uplatňují přístroje, které tím, že detekují vzniklý proud, vlastně zjišťují poruchu. Proudové chrániče – od těch nejcitlivějších až po ty méně citlivé – detekují poměrně malé proudy, mohou tedy reagovat na poruchu ještě ve fázi jejího vzniku. Pojistky nebo jističe reagují na poruchové proudy až tehdy, kdy jejich velikost se rovná nebo se blíží velikosti proudů zkratových.

Ochranné pospojování a automatické odpojení
I když neznáme, o jakou síť se jedná, zda se jedná o síť uzemněnou nebo izolovanou, síť, ve které jsou neživé části spojeny s uzlem zdroje přímo prostřednictvím pospojování, jehož představitelem je ochranný vodič, nebo nepřímo prostřednictvím země, vždy nám pospojování, ať už hlavní nebo doplňující, zaručuje vyrovnání potenciálů mezi neživými a cizími vodivými částmi, které jsou tímto pospojováním spojeny.

Proto je ochranné pospojování v ČSN 33 2000-4-41 ed. 2:2007 uváděno mezi podmínkami pro automatické odpojení na prvém místě, přičemž na druhém místě je uvedeno automatické odpojení poruchy od zdroje. Zároveň (pro objekty umístěné na zemi, nikoliv pro plavidla, letadla nebo kosmické lodě) se požaduje tzv. ochranné uzemnění. To má však v podstatě obdobný význam jako pospojování. Účelem ochranného uzemnění je, aby neživé a cizí vodivé části byly na stejném potenciálu, tj. na neutrálním (nulovém) potenciálu země. Země v tomto případě také tvoří, i když nedokonalý, vodič pospojování.

Proč tady tolik rozebíráme ochranné pospojování a trochu zanedbáváme automatické odpojení od zdroje. Je to proto, že při použití UPS není automatické odpojení od zdroje tak jednoduché jako v běžné síti tvořené zdrojem – obvykle transformátorem – a přívodem obsahujícím jednak fázový vodič (resp. fázové vodiče) a ochranný vodič PE, resp. vodič PEN. V případě poruchy – zkratu mezi živou a neživou částí – se uzavírá obvod neboli „smyčka“ poruchového proudu tvořená jedním fázovým vinutím napájecího transformátoru, fázovým vodičem až do místa poruchy a ochrannými vodiči (popř. vodiči PEN) spojujícími neživou část zařízení, na němž došlo k poruše mezi živou a neživou částí, s uzlem transformátoru. (Samozřejmě, kdybychom chtěli postupovat naprosto precizně, měli bychom do výpočtu zahrnout i impedanci napájecí sítě vn, ale její vliv je tak malý, že se jím zabýváme jenom naprosto výjimečně.)

V případě UPS již poruchová smyčka není tak jednoduchá. V přívodu mezi zdroj a napájené zařízení je zařazen prvek, kterým je zdroj nepřerušovaného napájení, tj. UPS. Chování UPS není tak zcela jednoduché, jako chování přívodního vedení, a to ani v případě normálního napájení, ani v případě přetížení, ani v případě zkratu.

Napřed si znázorníme princip automatického odpojení v síti TN (obr. 1).

Obr. 1 Smyčka poruchového proudu

Na tomto obrázku je patrný síťový zdroj napětí U_o (transformátor) a dráha poruchového proudu. Ten protéká fázovým vodičem sítě L1 do místa odbočení (můžeme si představit přípojku) a dále, například vnitřními rozvody budovy až do spotřebiče nebo jiného zařízení (třeba podružné rozvodnice), kde došlo ke spojení – zkratu – mezi živou a neživou částí. Poruchu považujeme za okamžitý děj (i když mohla vzniknout až po určité době narůstání unikajícího proudu vodivou cestou v izolaci). Rovněž samotný zkratový jev považujeme za vodivé spojení mezi živou a neživou částí bez elektrického odporu či jiné složky induktivní nebo kapacitní reaktance.

Na následujícím obr. 2 vidíme zjednodušené schéma obvodu poruchového proudu (poruchové smyčky). Pokud zanedbáme impedanci zdroje, můžeme impedanci smyčky počítat jako součet impedancí fázového vodiče a ochranného vodiče. V koncových obvodech bez znatelné újmy na přesnosti výpočtu můžeme zanedbat i reaktanční složky impedancí, takže je možno namísto impedancí Z_L1 a Z_PE uvádět pouze činné složky těchto impedancí R_L1 a R_PE.

Obr. 2 Zjednodušená smyčka poruchového proudu

Výpočet podmínek pro impedanci smyčky, který je naznačen na obr. 1, je velmi jednoduchý (Z_s = Z_L1 + Z_PE ≈ R_L1 + R_PE). Poruchový proud I_p musí být větší nebo rovný proudu I_a, který zajistí „zaručeně“ vypnutí ochranného prvku (OP) v dostatečně krátkém čase.

Obr. 3 Zjednodušená smyčka poruchového proudu s ochranným prvkem

Poruchový proud I_p = U_o/Z_s musí být větší než nebo alespoň rovný vybavovacímu proudu I_a ochranného přístroje: U_o/Z_s ≥ I_a, odkud vyplývá známá formule pro impedanci smyčky:

 

nebo nověji uváděný vztah:

.

Netřeba vysvětlovat, že vybavovací proud ochranného prvku, který zajistí včasné odpojení, není obvykle roven jeho jmenovitému proudu. Na obr. 4 je na charakteristikách pojistky (levá část obrázku) a jističe (pravá část obrázku) vidět, jaká je velikost proudu I_a, což je minimální velikost proudu I_p, aby byla splněna podmínka včasného odpojení pojistkou nebo jističem v čase t₁.

Obr. 4 Zjednodušené charakteristiky ochranných prvků, tj. pojistek (nalevo) a jističů (napravo) ke znázornění proudů I_a a I_p

Podmínka včasného odpojení je stanovena tak, aby k odpojení došlo za tak krátkou dobu t₁, za kterou nedojde k ohrožení uživatelů elektrických zařízení ani osob nezúčastněných, tzn. všech osob, které do styku s elektrickým zařízením, s jeho neživými částmi nebo i s cizími vodivými částmi, jež jsou při poruše pod napětím, mohou přijít. Konkrétněji řečeno: výpočty a měřeními se zjistilo, že při poruše v síti 230 V TN může být na neživých a cizích vodivých částech v okolí místa poruchy maximální napětí 90 V. Ze závislostí účinků proudů na lidský organizmus se opět určilo, že toto napětí není za normálních okolností (tzn. v prostorech normálních – viz definice v ČSN 33 2000-4-41 ed. 2:2007) člověku nebezpečné, pokud netrvá déle než:
- 0,4 s v případě, že člověk část, která je pod napětím, svírá v ruce a
- 5 s, pokud se člověk části, která je pod napětím jenom dotýká.

To znamená, že napětí působící za uvedených okolností na člověka po takto krátkou dobu považujeme za bezpečné.

Impedance smyčky zvětšená o prvky ve fázovém vodiči
Takže to byl případ běžné impedance smyčky. Už v minulosti ovšem docházelo k tomu, že podmínky impedance smyčky nebyly dodrženy. Bylo to v případech, kdy ve fázovém vodiči, v přívodu do vlastního spotřebiče byly zařazeny předřadníky výbojek nebo i různé regulátory. Ostatně nikde není předepsáno, že ke zkratu v elektrickém zařízení musí dojít výhradně ze živé části, která je pod plným fázovým napětím. Proč by nemohlo dojít k průrazu izolace mezi vnitřní částí zařízení, která je normálně při provozu pod napětím 120 V a neživou částí. To jsou případy, kdy nemusí být podmínky pro impedanci smyčky splněny. V takovém případě se smyčka poruchového proudu změní podle obr. 5.

Obr. 5 Zjednodušená smyčka poruchového proudu s přídavnou impedancí Z_p (ochranný přístroj může být jak za přídavnou impedancí, tak i před ní)

Vidíme, že v tomto případě se zvětší celková impedance smyčky. To může mít za následek, že nebude splněna podmínka Z_s × I_a ≤ U_o, takže nemusí dojít k včasnému odpojení poruchy a v těch horších případech nemusí dojít k odpojení poruchy vůbec. Následkem toho se na neživých částech může vyskytovat napětí buď po dobu delší, než která se považuje za bezpečnou, nebo, pokud poruchový proud nedosáhne ani jmenovité hodnoty vybavovacího proudu, se toto napětí může vyskytovat trvale.

Na obr. 6 je zjednodušeně znázorněn příklad toho, jek vypadá smyčka poruchového proudu, jejíž jedna část je tvořena vodiči distribuční sítě a druhá část vodiči elektrické instalace v objektu.

Obr. 6 Zjednodušená smyčka poruchového proudu s přídavnou impedancí Z_p rozdělená na část v distribuční síti a na část v elektrické instalaci objektu

Na obr. 6 je znázorněno jednak uzemnění uzlu zdroje (transformátoru napájejícího distribuční síť) a také přizemnění vodiče PEN v místě, ve kterém odbočuje elektrická přípojka do objektu. Předpokládá se, že v tomto místě je také provedena přípojnice pospojování elektrické instalace napájeného objektu. Jako ochranný přístroj v obvodu před přídavnou impedancí Z_p a místem poruchy je použit jistič 25 A s charakteristikou B.

Pro zajímavost si můžeme uvést, že na vstupu do objektu:
- je impedance smyčky Z_s = 0,15 Ω + 0,2 Ω = 0,35 Ω a
- poruchový proud by pak byl I_p = U_o/Z_s = 230 V/0,35 Ω = 657 A.

Nás ale zajímají především poměry při poruše, tj. při jednopólovém zkratu (průrazu izolace mezi živou a neživou částí) na konci obvodu za přídavnou impedancí Z_p.

Nejprve si ukážeme, jaká je impedance smyčky na konci tohoto obvodu a jaký je v daném případě poruchový (jednopólový zkratový proud), pokud nepředpokládáme, že před místem poruchy je jakákoliv přídavná impedance Z_p. K tomu pro ilustraci vypočítáme dotykové napětí U_L, které se na neživé části v místě, v němž došlo k poruše, vyskytuje. Takže při Z_p = 0 v místě poruchy:
- impedance smyčky je: Z_s = 0,15 Ω + 0,5 Ω + 0,5 Ω + 0,2 Ω = 1,35 Ω,
- poruchový proud je I_p = U_o/Z_s = 230 V/1,35 Ω = 170 A.

Vidíme, že jistič 25 A s charakteristikou B použitý jako ochranný prvek pro ochranu automatickým odpojením od zdroje vyhovuje, protože jeho minimální vybavovací proud I_a, při němž je zaručena funkce jističe (jeho zkratové spouště) v dostatečně krátkém čase je I_a = 5 × 25 A = 125 A, což je hodnota dostatečně menší než výše vypočítaná hodnota I_p =  170 A.

V daném případě je tedy podmínka impedance smyčky splněna.

Pro zajímavost si vypočítáme, jaké dotykové napětí je na neživé části při poruše. Je to napětí U_L mezi zemí (hlavní přípojnicí pospojování objektu) a neživou částí, která má napětí při poruše. Toto napětí je rovno součinu impedance Z_PE v instalaci a výše vypočítaného poruchového proudu I_p = 170 A, tj.:

U_L = Z_PE × I_p = 0,5 Ω × 170 A = 85 V.

Toto napětí však při použití jističe 25 A s charakteristikou B bude působit po dobu kratší než 0,1 s, takže k ohrožení bezpečnosti v daném případě nedojde (předepsaná doba odpojení pro koncové obvody do 32 A je pro sítě TN, pro jejichž jmenovité střídavé napětí U_o vodiče vedení, tj. fázového vodiče, proti zemi platí 120 V ≤ U_o ≤ 230 V).

Nyní zjistíme, jak se s velikostí přídavné impedance Z_p mění impedance smyčky, s ní jak se mění poruchový proud I_p protékající při poruše poruchovou smyčkou a jak se mění dotykové napětí U_L na neživé části. Postup výpočtu je stejný, jako ve výše uvedeném případě, v němž se s přídavnou impedancí Z_p neuvažovalo (rozdíl je pouze v tom, že se k výše uvedené impedanci smyčky Z_s připočítává hodnota přídavné impedance Z_p).

Tab. 1 Závislost poruchového proudu I_p a dotykového napětí U_L na přídavné impedanci Z_p

Zp	Zs	Ip	UL
0,0	1,35	170, 4	85,2
0,1	1,45	158,6	79,3
0,2	1,55	148,4	74,2
0,3	1,65	139,4	69, 7
0,4	1,75	131,4	65,7
0,5	1,85	124,3	62,2
0,6	1,95	117,9	59,0
0,7	2,05	112,2	56,1
0,8	2,15	107,0	53,5
0,9	2,25	102,2	51,1
1,0	2,35	97,9	48,9
1,1	2,45	93,9	46,9
1,2	2,55	90,2	45,1
1,3	2,65	86,8	43,4
1,4	2,75	83,6	41,8
1,5	2,85	80,7	40,4
1,6	2,95	78,0	39,0
1,7	3,05	75,4	37,7
1,8	3,15	73,0	36,5
1,9	3,25	70,8	35,4
2,0	3,35	68,7	34,3

 

Z tabulky i z grafu vedle ní je patrné, že se zvyšováním přídavné impedance Z_p se zvyšuje impedance smyčky Z_s, a s tím se snižuje poruchový proud I_p, takže při hodnotě impedance smyčky cca 0,5 Ω již nemusí dojít k automatickému vybavení zkratové spouště jističe a nemusí dojít k odpojení obvodu s poruchou do 0,4 s (k odpojení může dojít později – v závislosti na tom, jak vybaví tepelná spoušť jističe).

Na druhou stranu se však se zvyšováním přídavné impedance Z_p snižuje dotykové napětí na neživé části zařízení (spotřebiče) s poruchou, takže při hodnotě přídavné impedance Z_p ≈ 0,5 Ω, při níž již nemusí dojít k včasnému odpojení, je již hodnota na neživé části při poruše U_L ≈ 62 V.

To ovšem byl případ, kdy poměr jalové a reálné složky přídavné impedance Z_p byl stejný jako u impedance smyčky Z_s. Abychom nehovořili tak složitě vědecky, jedná se prakticky o případ, kdy předpokládáme, že jak impedance smyčky Z_s, tak přídavné impedance Z_p jsou pouze činného charakteru, to znamená, že jsou tvořeny elektrickými odpory, tedy rezistancemi. Neuvažovali jsme, že by měly také nějakou jalovou složku, tzn. induktivní reaktanci. V praxi se však takové příklady vyskytují (např. předřadníky používané u světelných zdrojů). Tab. 2 včetně obrázku znázorňují poměry, kdy uvažujeme, že impedance smyčky je pouze činného charakteru (Z_s =R_s) a přídavná impedance je čistě induktivní (Z_p = X_p).

Tab. 2 Závislost poruchového proudu I_p a dotykového napětí U_L na přídavné impedanci Z_p = X_p

Zp=Xp	Zs=Rs	Ip	UL
0,0	1,35	170,4	85,2
0,1	1,35	169,9	85,0
0,2	1,36	168,5	84,3
0,3	1,38	166,3	83,2
0,4	1,40	163,4	81,7
0,5	1,44	159,8	79,9
0,6	1,48	155,7	77,8
0,7	1,52	151,2	75,6
0,8	1,57	146,6	73,2
0,9	1,62	141,8	70,9
1,0	1,68	136,9	68,5
1,1	1,74	132,1	66,0
1,2	1,81	127,3	63,7
1,3	1,87	122,7	61,4
1,4	1,94	118,3	59,1
1,5	2,02	114,0	57,0
1,6	2,09	109,9	54,9
1,7	2,17	106,0	53,0
1,8	2,25	102,2	51,1
1,9	2,33	98,7	49,3
2,0	2,41	95,3	47,7

 

 

 

Další věc, která by nás v dané souvislosti mohla zajímat, je otázka opožděného vypínání obvodu s poruchou – zkrátka, jak to bude vypadat, jestliže jistič nebo pojistka nevypne při poruše včas (to znamená do 0,4 s v koncových, především zásuvkových obvodech do 32 A a do 5 s v ostatních obvodech). Takové případy mohou například nastat, jestliže motoru je předřazeno jištění tak, aby nevypínalo jeho rozběhové proudy, které mohou být např. osminásobkem jmenovitého proudu motoru. V takových případech se mohou do obvodu s takovým motorem předřazovat jističe s charakteristikou C (u kterých zkratová spoušť reaguje až počínaje 5násobkem jmenovitého proudu jističe) nebo D (u kterých zkratová spoušť reaguje až počínaje 10násobkem jmenovitého proudu jističe).

Vezmeme tedy obvod z obr. 6, akorát s tím rozdílem, že již neuvažujeme s přídavnou impedancí Z_p a namísto jističe 25 A s charakteristikou B použijeme jistič sice o stejné jmenovité hodnotě 25 A, ale s charakteristikou C – viz obr. 7.

Obr. 7 Smyčka jako na obr. 6 – automatické odpojení zajišťuje jistič 25 A s charakteristikou C

Snadno zjistíme (stačí porovnáním s předchozími výpočty), že uvedený jistič již nemusí poruchu v daném obvodu na obr. 7 odpojit včas. Proč je uvedeno tak neurčitě „nemusí“? Je to jenom proto, že zkratová spoušť tohoto jističe může zapůsobit a okamžitě poruchu odpojit sice již při 5násobku jeho jmenovitého proudu, ale také může zapůsobit až při 10násobku jmenovitého proudu – takové jsou tolerance podle normy. Takže pro jistotu počítáme s tím, že obvod bude s jistotou odpojen při desetinásobku jmenovitého proudu jističe, tj. při 250 A. A podíváme-li se na předchozí výpočet k obr. 6, vidíme, že poruchový (zkratový) proud i v obvodu podle obr. 7 je stejný jako v obvodu podle obr. 6 (ve kterém neuvažujeme s přídavnou impedancí Z_p, tzn. Z_p = 0) tj. cca 170 A. Tento proud nemusí stačit k včasnému odpojení daným jističem, jak je znázorněno na obr. 8.

Obr. 8 Znázornění proudu I_p na charakteristice jističe, kterým není dosaženo včasné odpojení (I_p ≤ I_a), takže požadovaná doba odpojení t_o je kratší než skutečná doba odpojení Doplňující pospojování v případě, kdy nemůže být dosažena požadovaná doba odpojení

Pro takové a obdobné případy, kdy nemůže být dosažena požadovaná doba odpojení, ČSN 33 2000-4-41 ed. 2:2007 v čl. 411.2.6 stanoví, že musí být provedeno doplňující pospojování. Podle čl. 415.2 této normy „Doplňující ochranné pospojování musí zahrnovat všechny neživé části upevněných zařízení současně přístupné dotyku a cizí vodivé části včetně, pokud je to proveditelné, hlavních kovových armatur železobetonu. Systém ochranného pospojování musí být spojen s ochrannými vodiči všech zařízení včetně zásuvek.“ 

Tímto pospojováním se samozřejmě dosáhne vyrovnání potenciálů v okolí neživé nebo cizí vodivé části, na níž se při porušení izolace dostane ze živé části napětí. Vodiči nebo vodivými částmi, které slouží k ochrannému pospojování, může při poruše procházet elektrický proud. Čím větší tento poruchový proud je, tak tím větší je i rozdíl napětí mezi pospojovanými vodivými částmi v okolí zařízení s poruchou, i když jsou tyto části vzájemně pospojovány. Aby toto napětí nepřekročilo nebezpečnou hodnotu, existuje v normě ustanovení (čl. 415.2.2), podle kterého odpor R vodičů pospojování mezi dvěma částmi současně přístupnými dotyku nesmí překročit určitou hodnotu. Ta hodnota vychází z toho, že průchodem maximálního proudu, který může jisticí prvek propustit po dobu delší než 5 s, nepřekročí střídavé napětí 50 V (což je hodnota považovaná v prostorech normálních za bezpečnou). To znamená, že vybavovací proud I_a ochranného prvku musí zajistit odpojení do 5 s. Takže R × I_a ≤ 50 V. Tato podmínka je znázorněna na obr. 9.

Obr. 9 Princip doplňujícího ochranného pospojování

K uvedené době 5 s: Je to doba, která se z hlediska nahodilého dotyku neživých částí v sítích nn nepovažuje ještě za nebezpečně dlouhou. Jednak se uvažuje s tím, že je malá pravděpodobnost, že by se během tak krátké doby někdo části pod napětím dotknul, a také se předpokládá, že dotyk části pod napětím bude krátkodobý, protože člověk je schopen se od ní odtrhnout (neuvažuje se s tím, že by se části pod napětím držel, což by mohlo mít vážnější následky). Uvažovaných 5 s je ostatně velmi teoretická hodnota, která by přicházela v úvahu jenom v případě, kdy by jako ochranný prvek zajišťující odpojení, jestliže napětí překročí 50 V, byla použita pojistka. Jistič totiž odpojí prakticky okamžitě, protože na proud I_a musí reagovat jeho zkratová spoušť (na tepelnou spoušť se nelze spoléhat).

Proč jsou tedy problémy s měřením na UPS?
Je to proto, že každý revizní technik je zvyklý stav ochrany před úrazem elektrickým proudem ověřovat při revizi změřením impedance smyčky. Je to metoda tradiční, která se dlouhou dobu vyvíjela a obdobně se vyvíjela i technika měření impedance smyčky. Oproti dřívějším výpočtům už dnes řada přístrojů porovná naměřenou hodnotu s tím, co by měla impedance smyčky vykazovat a také vyhodnotí měření s ohledem na nejistoty, které měření vykazuje. Mnohdy však při měření impedance smyčky revizní technik zjistí, že buď nenaměří nic, nebo že výsledky měření nejsou jednoznačné. 

Proč tomu tak je? Jednak záleží na tom:
- kde se ta smyčka měří – jestli je to přímo za UPS, nebo někde na konci koncového obvodu z UPS napájeného
i na tom:
- na jakém principu pracuje přístroj měřící impedanci smyčky.

Přitom obě dvě tyto eventuality spolu vzájemně souvisí. Ona je totiž ta smyčka, kterou přístroj měří, různá podle toho, jak je UPS měřením zatěžován. UPS totiž vyhodnocuje zatěžovací proud při měření buď jako přetížení, nebo jako zkrat. Jak již bylo řečeno, při tom přetížení je pro přepínání napájení přes bypassy využíváno moderních prvků – tranzistorů s izolovaným hradlem (IGFET) a tranzistorů IGBT (IGBT = Insulated Gate BipolarTransistor = bipolární tranzistor s izolovanou řídicí elektrodou umožňující dosažení vysoké spínací frekvence díky krátkým spínacím časům). Tyto prvky mají také v současné době již vysokou spínací schopnost, a to při vysoké rychlosti spínání. Doba spínání se pohybuje řádově v mikrosekundách. Takže při přetěžování UPS se velmi rychle přepne odběr z vlastní UPS přes statický bypass na dynamický (spínaný) bypass (obr. 10).

Obr. 10 Znázornění UPS a jeho dynamického a statického bypassu

Takže během těch mikrosekund se z pohledu zátěže mění impedance fáze. Jiná je při normálním provozu, když probíhá normální odběr elektrické energie, jiná je v okamžiku přepnutí odběru ze sítě přes dynamický bypass a jiná je při odběru energie přes statický bypass. Při tvrdém zkratu na výstupu z UPS dojde během několika mikrosekund k tomuto přepnutí a na zkratový proud musí reagovat zkratové jištění, které norma pro UPS (ČSN EN 62040-1) předepisuje. (Čl. 5.5.1 normy stanoví, že musí být zajištěno jištění před nadproudy, zkraty a zemními poruchami vstupních a výstupních obvodů, a to buď jako součást zařízení, nebo jako část domovní instalace.) Na tomto přepínání záleží i to, jak se bude během velmi krátké doby vyvíjet tzv. impedance smyčky. Při malém měřícím proudu dojde k tomu, že se UPS bude snažit vyrovnat napětí na výstupu. Takže přístroj pro měření impedance smyčky naměří nejdříve napětí na výstupu z nezatíženého UPS a pak naměří v podstatě totéž napětí při UPS zatíženém měřícím proudem. Výsledkem pak je nulová impedance smyčky – příklad měření viz obr. 11, výpočet impedance (který provede měřicí přístroj automaticky) je uveden pod tímto obrázkem.

Obr. 11a Příklad principu měření impedance smyčky podle ČSN 33 2000-6-61:1993

Obr. 11b Příklad principu měření impedance smyčky podle ČSN 34 1010:1965

Přestože uvedené příklady byly zavrhovány jako zastaralé, je na nich vidět princip, který se uplatňuje v měřicích přístrojích pro revizní činnost odpovídající normě ČSN EN 61557-3 ed. 2 platné pro tyto přístroje. Nebudeme tady rozebírat požadavky této normy a norem souboru ČSN EN 61557. Důležité je, že tyto přístroje musí splnit především určité požadavky na bezpečnost, a to jak jejich obsluhy, tak osob nezúčastněných, a také požadavky na průběh měření, a vedle těchto požadavků i (možná překvapivě mírné) požadavky na přesnost měření. Dnes již revizní technik neprovádí uvedené výpočty – ty provede měřicí přístroj a ukáže rovnou výsledek. Obvykle se měří pomocí krátkodobých proudů, jednoho nebo několika proudových pulzů, jejichž trvání nemusí ani překračovat dobu jedné půlvlny síťového kmitočtu. Důležité je, že se porovnává napětí bez zatížení a napětí při zatížení obvodu smyčky.

Při dobře fungující regulaci napětí na výstupu z UPS při zatížení měřicím proudem nemusí být zaznamenán rozdíl mezi napětím v místě měření bez zatížení a při zatížení. To znamená, že:

U₁– U₂ = 0 (či U – U_p = 0),

někdy dokonce U₁ – U₂ ≥ 0 (či U – U_p > 0).

Dále – při větším měřícím proudu trvajícím jednu půlperiodu a méně střídavého proudu sítě, může dojít k rychlému přepnutí přes statický k dynamickému (spínanému) bypassu a přitom skutečně může měřicí přístroj vyhodnocovat měřící proudy a napětí různého průběhu.

Měření, jak je výše uvedeno, do určité míry simulují jednopólový zkrat, ke kterému při průrazu izolace mezi živou a neživou částí dochází. Ovšem poměry při tomto zkratu jsou zase jiné než při vlastním měření. Níže uvedený přehled nám může poskytnout částečný názor na to, co se může dít při měření a co při zkratu, i když pouze jednopólovém.

Pro ilustraci se podívejme, jaké jsou možnosti přetěžování i kdy dochází k přepojování bypassů. To je patrné z následujících údajů:

Přetížitelnost, statický bypass, a měnič pro UPS 9390 – 100 kVA

Bez bypassu:
- 10 min – 100 až110 % (99 kW) zátěž,
- 1 min – 110 až 125 % (112 kW) zátěž,
- 10 s – 125 až 150 % (135 kW) zátěž.

S použitím bypassu:
- bez časového limitu – 100 až 110 % zátěž,
- 10 min – 110 až 150 % zátěž,
- 5 ms – 1 000 % zátěž.

Z uvedeného je vidět, že při desetinásobném přetížení, což je při zkratu pravděpodobné, vydrží UPS v činnosti po dobu 5 ms. Pak dojde k odpojení – ovšem přičiněním vnitřních ochran UPS, nikoliv v důsledku funkce jištění v elektrické instalace.

Rozdíly při použití různých metod měření impedance smyčky
Z hlediska prováděných měření je rozdíl, jestli se měření provádí způsobem, jehož princip spočívá v tom, že se obvod zatíží sice krátkodobě, ale přeci jenom alespoň deseti cykly menšího střídavého proudu, nebo jestli přístroji stačí zatížit obvod pouze po dobu podstatně kratší než je půlvlna střídavého proudu ovšem proudem, jehož velikost je srovnatelná s velikostí jednofázového zkratového proudu. (Tyto impulzy se mohou opakovat několikrát za sebou a přístroj může několikrát za sebou vyhodnotit poměr rozdílu napětí a protékajícího proudu, čímž zpřesní výslednou hodnotu měření.) V běžných obvodech v elektrických instalacích by obě tyto metody měly poskytnout, když ne stejný, tak alespoň obdobný výsledek. Jiné to však je, když je v napájecím obvodu prvek, jehož charakter se podle způsobu zatěžování mění. Takovým prvkem je právě UPS. Měření impedance smyčky za UPS prováděná malými, ale delší dobu trvajícími proudy, může dát zcela jiný výsledek než měření prováděná krátkými, ale silnými proudovými impulzy.

Obr. 12 Měření smyčky za UPS

Takže měření impedance smyčky provedené způsobem dle obr. 12 poskytne skutečnou hodnotu impedance smyčky – ovšem, aniž by do této impedance byla zahrnuta vnitřní impedance UPS. Uvedené měření tedy poskytne informaci, zda uvedený obvod je nebo není z hlediska předřazeného jištění 2 vyhovující, ovšem pro případ, že samotná UPS je v důsledku své vlastní reakce na poruchu překlenutá svým rychlým statickým bypassem.

Obr. 13 Měření smyčky – vstup UPS

Další měření impedance smyčky provedené podle obr. 13 poskytne informaci, zda požadavky na impedanci smyčky při poruše na vstupu do UPS jsou nebo nejsou z hlediska předřazeného jištění 1 vyhovující.

Při uvedených měřeních nezapomeňme ovšem na pokyn výrobce a dodavatele UPS – z funkčních důvodů odpojit nulový vodič napájení UPS a také UPS vypnout.

Takže z výše uvedeného jsme viděli, že s měřením impedance smyčky v obvodě napájeném přes UPS jsou určité, menší či větší potíže – a výrobce či dodavatel ve svých návodech měření uvedené na obr. 14, které by každý (normální) elektrikář očekával, neuvádí:

Obr. 14 Měření smyčky za UPS v provozním stavu – nedoporučené

Tím zásadním důvodem je, že měření impedance smyčky může UPS uvést do nestabilního stavu – jinými slovy řečeno – UPS neví, co má dělat.

Z tohoto důvodu, protože měření impedance smyčky podle obr. 12 a 13 sice poskytnou zásadní informaci o propojení ochranného obvodu a mohou potvrdit i předpoklady, že obvod při poruše (průrazu izolace mezi živou a neživou částí) za UPS bude včas odpojen, se:

1. v ČSN EN 62040-1:2009 uvádějící všeobecné a bezpečnostní požadavky pro UPS v čl. 5.3.3 stanoví, že výstupní střídavý obvod UPS se musí zařadit k ochrannému uzemnění zařízení, jak je to požadováno střídavou napájecí sítí (přičemž neživé části UPS musí být podle čl. 5.3.2 této normy spojeny s ochrannou zemní svorkou uvnitř zařízení),

2. v ČSN 33 2000-5-551 ed. 2:2010 se v čl.551.4.3.3.1 pro instalace se statickými měniči stanoví, že odpor vodičů doplňujícího pospojování požadovaný mezi vodivými částmi současně přístupnými dotyku, musí v případě střídavého proudu splňovat podmínku

3. v ČSN 33 2000-4-41 ed. 2:2007 (pro ochranu před úrazem elektrickým proudem v elektrických instalacích) se v čl. 411.3.2.6 stanoví, že není-li možno dosáhnout automatického odpojení v  požadovaných časech, musí být provedeno doplňující pospojování v souladu s výše uvedenou podmínkou – viz též obr. 9 a následující obr. 15,

4. v ČSN 33 2000-6:2007 pro revize v elektrických instalacích se v čl. 61.3.6 stanovujícím požadavky na ověřování ochrany automatickým odpojením od zdroje uvádí, že alternativně (k měření impedance poruchové smyčky) může být vyhovující stav ověřen měřením odporu ochranných vodičů.

Co uvedená ustanovení znamenají, je znázorněno na obr. 15.

Obr. 15 Měření odporu ochranného vodiče

Za povšimnutí stojí, že i když vzorečky u obou měření (v úseku od přívodního vedení k UPS i od UPS k zátěži) vypadají stejně, požadované hodnoty odporu ochranného vodiče nejsou v těchto dvou případech stejné. Je to dáno tím, že ani vybavovací proudy jisticích prvků 1 a 2, tj. I_a1 a I_a2, které zajistí odpojení do 5 s, nejsou stejné, ale odpovídají jisticím prvkům 1 a 2, jak je patrné z obrázku. Stručně řečeno, čím silnější jištění, tím nižší odpor ochranného vodiče musí být.

To je ovšem otázka UPS velkého výkonu, kde je vhodné připojovat k hlavnímu pospojování ochranný vodič vedený přes UPS k vývodům v koncových obvodech na více místech.

Ověřování ochrany na UPS malých výkonů
Pokud se týká malých UPS jako zdrojů pro jedno malé pracoviště výpočetní techniky, je možné je ověřovat podle normy pro revize elektrických spotřebičů, tj. ČSN 33 1600 ed. 2. Podle této normy je předepsáno (čl. 6.4.3), že odpor ochranného vodiče, měřený mezi ochrannou zdířkou vidlice a přístupnými vodivými neživými částmi spojenými s ochranným vodičem, nesmí být větší než 0,2 Ω při délce přívodu do 3 m. K tomuto odporu se připočte 0,1 Ω na každé další 3 m délky přívodu. V žádném případě však nesmí být překročena hodnota 1 Ω.

Pokud je možno (např. po skončení pracovního dne) odpojit UPS od sítě, je možno postupovat běžnějším způsobem, jak je znázorněno na obr. 16.

1 Měřený spotřebič
2 Přístroj pro měření odporu ochranného vodiče
3  Spojení mezi měřicím přístrojem a ochranným vodičem měřeného spotřebiče
4 Spojení mezi měřicím přístrojem a neživými částmi měřeného spotřebiče

Obr. 16a Měření odporu ochranného vodiče spotřebiče odpojitelného od sítě

Obr. 16b Měření odporu ochranného vodiče spotřebiče odpojitelného od sítě – připojení přes UPS

Obr. 16c Měření odporu ochranného vodiče na výstupu z UPS

Pro případ, kdy zdroj UPS, není možno při měření odporu ochranného vodiče odpojit od sítě, je možno použít způsoby měření podle obrázků 17. Při použití tohoto způsobu je změřen nejen odpor ochranného vodiče od zásuvky ke spotřebiči, ale k tomu ještě odpor ochranného vodiče v elektrické instalaci od jedné zásuvky ke druhé. Tento odpor (který se vypočítá z délky a průřezu ochranného vodiče v elektrické instalaci) je nutno od naměřené hodnoty odporu ochranného vodiče odečíst.

1 Měřený spotřebič
2 Přístroj pro měření odporu ochranného vodiče
3 Spojení mezi měřicím přístrojem a ochranným vodičem zásuvky obvodu, ke kterému je připojen měřený spotřebič
4 Spojení mezi měřicím přístrojem a neživými částmi měřeného spotřebiče
5 Připojení měřeného spotřebiče
6 Zásuvka obvodu, z kterého je měřený spotřebič napájen

Obr. 17a Měření odporu ochranného vodiče tam, kde spotřebič nelze při revizi odpojit nebo vypnout – připojení bez UPS

1 Měřený spotřebič
2 Přístroj pro měření odporu ochranného vodiče
3  Spojení mezi měřicím přístrojem a ochranným vodičem zásuvky obvodu, ke kterému je připojen měřený spotřebič
4  Spojení mezi měřicím přístrojem a neživými částmi měřeného spotřebiče
5  Připojení měřeného spotřebiče
6  Zásuvka obvodu, z kterého je měřený spotřebič napájen

Obr. 17b Měření odporu ochranného vodiče tam, kde spotřebič nelze při revizi odpojit nebo vypnout – připojení přes UPS

Obr. 17c Měření odporu ochranného vodiče tam, kde UPS nelze při revizi odpojit nebo vypnout – na jednom z volných výstupů z UPS

Přerušení vodiče PEN v elektrickém rozvodu
Přestože prokážeme spojitost ochranného vodiče procházejícího přes UPS až ke spotřebiči a jeho dostatečně malý odpor (≤ 0,2 Ω při L ≤ 3 m, + [0,1 Ω × (L – 3)/3], avšak ≤ 1 Ω), máme sice vyhráno z hlediska ČSN 33 1600 ed. 2 pro kontrolu spotřebičů, nikoliv však z hlediska ověření celkové bezpečnosti.

Obr. 18 Přerušení vodiče PEN v elektrickém rozvodu

Přerušení vodiče PEN v elektrickém rozvodu před instalací, z níž je napájen spotřebič, představuje vážné nebezpečí úrazu elektrickým proudem. Na neživých částech zcela nenarušeného spotřebiče je pak plné fázové napětí, a to i v případě jeho napájení přes proudový chránič.

Jestliže předřadíme napájenému spotřebiči UPS, tak ani pak není při přerušeném vodiči PEN v elektrickém rozvodu chování UPS jisté a na neživých částech se může objevit, v závislosti na tom, jak UPS uvedenou poruchu vyhodnotí, napětí.

Obr. 19 Přerušení vodiče PEN s UPS

Takže je důležité nejenom měření a ověření samotného UPS, ale i ověření (revize) celého napájení elektrické instalace. I když bude napájení přerušeno, nesmí dojít k přerušení vodiče PEN na přívodu do elektrické instalace.

Otázka proudových chráničů
Na níže uvedeném obrázku 20 je znázorněno napájení obvodů chráněných citlivými proudovými chrániči z UPS. Z principu se spojení UPS a proudového chrániče nepovažuje za příliš šťastné (UPS zajišťuje trvalé napájení, citlivý proudový chránič může toto trvalé napájení např. v důsledku nahodilého výskytu unikajících proudů přerušit). Přesto však se v některých případech tomuto spojení zřejmě nevyhneme. Takový případ je znázorněn na obr. 20.

Obr. 20 Zapojení proudových chráničů v koncových obvodech napájených z instalace za UPS

V sítích TN, TT a IT se k zajištění automatického odpojení, v souladu s článkem 411.3.3 ČSN 33 2000-4-41 ed. 2:2007, proudový chránič se jmenovitým reziduálním vybavovacím proudem do 30 mA instaluje pro ochranu zásuvkových obvodů, ale jen pokud je ověřeno, že nehrozí nežádoucí vypínání, nebo že vypínání nemůže mít nežádoucí následky (viz poznámka vyjímající z požadavku instalace chrániče 30 mA zvláštní zásuvku určenou pro připojení speciálního druhu zařízení a instalace pod dozorem nebo dohledem znalé nebo poučené osoby). Jinak je vhodné instalovat chránič se jmenovitým reziduálním vybavovacím proudem 100 nebo 300 mA.

Přitom je třeba pamatovat na to, že pokud je výstupní strana provozovaná jako síť IT, tak v sítích IT nemusí proudový chránič vybavit, pokud jedna ze zemních poruch není od chrániče na straně ke zdroji. Je tedy třeba chránit každý spotřebič zvlášť.

Vstupní strana se citlivým proudovým chráničem nechrání, není však důvod proti instalaci chrániče s větším jmenovitým reziduálním vybavovacím proudem, např. 300 nebo 500 mA, pokud jej předepisuje, např. i z důvodu ochrany před požárem, některá norma ze souboru ČSN 33 2000. V tom případě je ovšem zapotřebí, aby nebyl vypínán uzemněný nulový vodič.

Takže při napájení UPS ze sítě vedením, ve kterém musí podle předpisů být zařazen proudový chránič, je důležité, aby nebyl vypínán nulový vodič, i když tento vodič samotným součtovým transformátorem proudového chrániče prochází. Proto je vhodné používat proudové chrániče složené ze samostatných prvků, tj. transformátoru, relé a vypínače (jističe), jak je znázorněno na obr. 21. u tohoto zapojení je možné rozpínané kontakty vodiče N překlenout.

Obr. 21 Proudový chránič složený ze samostatných prvků, tj. transformátoru, relé a vypínače nebo spouště jističe

---