Sieci energetyczne dla elektroników – początki i podstawy

Niejeden młody elektronik i informatyk skłonny jest lekceważyć elektrotechnikę i elektryków. Domowa instalacja energetyczna, czy to jednofazowa, czy nawet trójfazowa, wydaje się prosta, a wręcz prymitywna w porównaniu z układami elektronicznymi, zarówno analogowymi, jak i cyfrowymi, nie mówiąc już o informatyce. Gniazdko sieci energetycznej to dla elektronika źródło zasilania większości układów. Dołącza on tam swoje urządzenia elektroniczne. Wie, że występuje tam napięcie przemienne 50Hz 230V i nie zastanawia się nad szczegółami. Zaczyna się zastanawiać dopiero wtedy, gdy zdarzy się porażenie lub pożar instalacji albo gdy napotyka jakieś dziwne kłopoty z uziemieniem, działaniem tzw. różnicówki albo gdy przepięcia z sieci uszkodzą dołączony sprzęt.

Co tajemniczego może być w instalacji energetycznej, gdzie mamy tylko przewody, wyłączniki i trzy rodzaje zabezpieczeń: tak zwane wyłączniki nadprądowe, nazywane często bezpiecznikami, wyłączniki różnicowo-prądowe, tzw. różnicówki i niekiedy też zabezpieczenia chroniące przed przepięciami (iskierniki, warystory). W sumie są to elementy o zasadach działania nieporównanie prostszych niż elementy i układy elektroniczne.

Teoretycznie tak. Ale po pierwsze wniknięcie w szczegóły doprowadza do szeregu zaskakująco skomplikowanych zagadnień, których na pierwszy rzut oka zupełnie nie widać. Po drugie, nie stopień skomplikowania jest najważniejszy. Kluczowe znaczenie mają kwestie bezpieczeństwa. Przede wszystkim to, żeby urządzenia dołączane do sieci były bezpieczne dla człowieka, żeby nie powodowały powstania pożarów i żeby użytkownika nie poraził prąd. Także to, żeby napięcie z gniazdka nie groziło uszkodzeniem dołączonych urządzeń.

Na forach dyskusyjnych można znaleźć mnóstwo gorących i bardzo emocjonalnych dyskusji na temat różnych aspektów bezpieczeństwa sieci 230V i doboru zabezpieczeń. Najostrzejsze polemiki mają nierozerwalny związek ze szczegółami realizacji domowej sieci energetycznej 230V, najprościej mówiąc ze sposobem połączenia bolców uziemiających w gniazdkach. Ogólnie biorąc, wiadomo, że bolce w gniazdkach tak czy inaczej mają być i są dołączone do ziemi…

Więc po co ten cały hałas?

Okazuje się, że zagadnienie ma kilka aspektów, nieznanych dla większości elektroników. Przybliżymy je w cyklu artykułów. Trzeba jednak podkreślić, że przedstawiany materiał zupełnie nie obejmuje przepisów oraz szczegółowych wymagań dotyczących poszczególnych grup i rodzajów sprzętu zasilanego z sieci. Ten cykl na pewno nie jest kompendium dotyczącym projektowania urządzeń, przeznaczonym dla konstruktorów sprzętu sprzętu zasilanego z sieci. W ogólnym zarysie przedstawia szereg aspektów ważnych, a słabo rozumianych przez ogół elektroników. Dlatego zanim przejdziemy do szczegółów technicznych, musimy wspomnieć o historii oraz o normach i kwestiach prawnych.

Odrobina historii

Sieci energetyczne zaczęły trafiać pod strzechy, często dosłownie, od lat 80. XIX wieku, czyli od około 140 lat. Rozwój sieci elektrycznych od początku był intratnym biznesem. Zaczęło się w Stanach Zjednoczonych i na samym początku były to sieci prądu stałego 100…120V. Lokalna elektrownia wytwarzała napięcie stałe 110V i było ono przesyłane bezpośrednio do odbiorców według podstawowej idei z rysunku 1a.

Problemem były duże straty w przewodach i przyjmowano, że u odbiorcy na obciążeniu (najpierw jedynie na żarówkach, potem także silnikach) wystąpi napięcie 100V. Podkreślmy, że elektrownie musiały być wtedy usytuowane w pobliżu odbiorców, bowiem przesyłane prądy miały dużą wartość i powodowały znaczące spadki napięcia na przewodach. Aby nie zwiększać przekroju kosztownych kabli, stosowano też sieć trzyprzewodową niejako dwubiegunową według rysunku 1b, gdzie podwojone „napięcie międzybiegunowe” wynosiło 220V.

Później Nikola Tesla, genialny wynalazca (ale kiepski biznesmen), miał ogromny wpływ na upowszechnienie nieporównanie lepszych sieci prądu zmiennego.

Zastosowanie prądu zmiennego i transformatorów pozwalało przesyłać energię na duże odległości przy wysokim napięciu i stosunkowo małym prądzie, a więc przy niedużych stratach w przewodach (P = I²R), a potrzebne finalnie niskie napięcie (i duży prąd) uzyskiwano za pomocą transformatorów blisko odbiorców według idei pokazanej w dużym uproszczeniu na rysunku 2.

Motorem rozwoju była chęć (ogromnych) zysków, dlatego wywiązała się tak gorąca walka zwana wojną prądów (Current War) między przedsiębiorcą Edisonem, posiadaczem patentów na sieci prądu stałego, a innymi, w tym Teslą, ale głównie George’em Westinghouse’em, który najprościej biorąc, miał patenty na sieci prądu zmiennego. Sieci prądu stałego Edisona szybko znikły z miast. W każdym razie rozwój energetyki opierał się na prywatnych przedsiębiorstwach. Biznesmeni przede wszystkim chcieli zdobywać zyski, a kwestiami bezpieczeństwa interesowali się tylko tyle, ile to było absolutnie niezbędne.

Dlatego na początku była to pod wieloma względami dzika elektryfikacja. Nawet na terenie jednego miasta występowały sieci różnych przedsiębiorców – dostawców, sieci o różnych napięciach i różnych częstotliwościach. Stopniowo podjęto kroki, żeby w poszczególnych krajach, a nawet na kontynentach ujednolicić parametry sieci i dołączanych do niej urządzeń. Napięcie 100V…120V uznano z względnie bezpieczne dla ludzi i zwierząt, ale w instalacjach domowych wykorzystywano też napięcie do 220V…250V.

Dziś w USA w domowych gniazdkach występuje napięcie 120V 60Hz. Przy obciążeniu o większej mocy stosunkowo niskie napięcie oznacza przepływ większych prądów i związane z tym znaczne straty mocy w przewodach. Z uwagi na straty w przewodach i maksymalną moc urządzeń u użytkownika, korzystniejsze było napięcie wyższe (i mniejszy prąd), a w przemyśle dużo wyższe. Właśnie z tego względu w Europie prawie wszystkie domowe sieci energetyczne od początku miały napięcie 220V…240V, częstotliwość 50Hz i były to sieci według rysunku 3a, czyli trójfazowe.

Dla zupełnie niezorientowanych w ogromnym skrócie: generator oraz współpracujące z nim transformatory są trójfazowe, czyli mają trzy uzwojenia. Napięcie poszczególnych faz ma jednakową wartość względem (uziemionego) punktu środkowego, neutralnego, a różne jest przesunięcie czasowe i kątowe (120 stopni, co ilustruje rysunek 3a), czyli faza, sinusoid w przewodach fazowych, oznaczanych L1, L2, L3. Napięcie między przewodem neutralnym N i każdym z przewodów fazowych wynosi 230V, natomiast z uwagi na przesunięcia fazowe, napięcie między przewodami fazowymi wynosi nominalnie 398V. Na schematach trójfazowy transformator (tzw. niskiego napięcia) rysujemy nie według rysunku 3a, tylko w uproszczeniu jak na rysunku 3b. Tak jest w zjednoczonej Europie. Natomiast w USA nadal jest spory bałagan. Oczywiście od dawna nie ma tam już „edisonowskich” sieci prądu stałego, a tylko sieci prądu sinusoidalnie zmiennego 60Hz, ale pozostała idea podwajania napięcia według rysunku 1b. Wprawdzie dostępne są też sieci trójfazowe, jednak większości domowych amerykańskich sieci 120V 60Hz jest, można powiedzieć, „dwufazowa” (split-phase albo single-phase three-wire). Lokalne transformatory nie są tam trójfazowe, tylko mają dzielone uzwojenie i środek uzwojenia jest przewodem neutralnym, zerowym według rysunku 4. Napięcia fazowe 120V mają po prostu przeciwne fazy (względem środkowego punku neutralnego).

 

Fotografia 5 (z Wikipedii CC BY-SA 3.0 Glogger) pokazuje amerykański transformator niskiego napięcia z jednofazowym zasilaniem i „dwufazowym” wyjściem niskiego napięcia 2×120V. Interesująco napisany i zilustrowany artykuł na ten temat zainteresowani znajdą pod adresem:

https://elhu.pl/USA_power.html.

Już teraz wspomnijmy, że z kilku względów w sieciach energetycznych przewód środkowy, neutralny (zerowy) jest uziemiany, co jest zasygnalizowane na rysunkach 3 i 4. Oznacza to, że w przewodach fazowych występuje napięcie względem ziemi, gruntu: 230V według rysunku 3 oraz 120V według rysunku 4.

Życie pokazało, iż sieci energetyczne powodują pożary, między innymi wskutek przegrzewania się elementów (połączeń, styków), a także są przyczyną śmiertelnych porażeń zwierząt i ludzi, przede wszystkim w sieciach o napięciu powyżej 200V. Problem porażeń jest znacząco mniejszy, gdy napięcie sieci wynosi około 100…120V. Warto wspomnieć, że znajduje to odbicie w przeznaczonych dla dzieci filmach – kreskówkach z USA i Japonii, gdzie bohater wkłada rękę do gniazdka i ulega niezbyt groźnemu, a efektownemu wizualnie porażeniu. Takie sceny są bardzo mylące w przypadku sieci 230V, gdzie porażenie napięciem fazowym jest śmiertelnie groźne! Nie mówiąc już o napięciu międzyfazowym 398V!

Problem bezpieczeństwa już dawno został dostrzeżony przez rządy państw. Stopniowo podejmowano kroki w celu poprawy bezpieczeństwa. Pierwsze zalecenia pojawiły się na początku XX wieku, przede wszystkim w Niemczech i Szwajcarii. Z biegiem czasu zalecenia i przepisy dotyczące bezpieczeństwa są zaostrzane, czyli nowsze urządzenia powinny być i, ogólnie biorąc, są bezpieczniejsze dla użytkownika niż te produkowane przed wielu laty. W tym miejscu trzeba też koniecznie wspomnieć o normach.

Prawo, przepisy i normy

Starsi Czytelnicy, którzy pamiętają poprzedni ustrój, być może mają przekonanie, że normy są obowiązującym prawem. Owszem w krajach, gdzie gospodarka była sterowana centralnie, także do początku lat 90. w Polsce, państwo nakazywało wytwórcom (w większości zakładom państwowym), by ich wyroby odpowiadały wymaganiom norm technicznych.

Po roku 1989, a zwłaszcza gdy wstąpiliśmy do UE, sytuacja zdecydowanie się zmieniła. Od lat na całym świecie, także w ramach Unii Europejskiej, funkcjonują rozmaite organizacje techniczne, które przy pomocy najlepszych specjalistów z danych dziedzin opracowują rozmaite rekomendacje (zalecenia) oraz normy. Zgodnie z nazwą, te rekomendacje – zalecenia mają wytyczać kierunki rozwoju, natomiast normy przez wielu są utożsamiane z prawem. Także wielu elektroników sądzi, że aktualne polskie normy (które generalnie muszą być zgodne z normami UE) są obowiązującym prawem.

NIE!

Aktualnie żadne normy same w sobie nie są obowiązującym prawem! Naj­ogólniej biorąc, zgodność z normami jest dobrowolna.

Teoretycznie przymusu dostosowania się do norm nie ma, ale najprościej biorąc, producent lub importer produktów sprzedawanych na terenie Unii Europejskiej może być pozwany do sądu i obciążony ogromnymi odszkodowaniami. Może to dotyczyć przypadku, gdy ktoś korzystający z jakiegoś urządzenia zostanie porażony prądem. Sąd wnikliwie rozważy konkretną sytuację i sprawdzi, czy producent lub importer tego urządzenia dołożył należytych starań. Jeżeli dołożył należytych starań, to sąd najpewniej oddali roszczenie.

Ale co to znaczy: dołożył należytych starań?  W skomplikowanych kwestiach technicznych, w tym w kwestiach bezpieczeństwa, nie ma jakiegoś jednego wzorca, ściśle określonego punktu odniesienia. Można mówić o czymś takim jak aktualny poziom rozwoju techniki i świadomości technicznej. Wraz z rozwojem techniki i innymi czynnikami zmienia się ocena tego, co optymalne, czyli najlepsze w danej dziedzinie.

Jeżeli chodzi o bezpieczeństwo użytkowania sprzętu elektrycznego, to nie ma określonej granicy, która zapewnia pełne bezpieczeństwo. Bezmyślny użytkownik może zostać porażony prądem, gdy będzie wykorzystywał pogryziony przez psa sieciowy przewód zasilający, z którego sterczą odsłonięte metalowe druciki. Dziecko może zostać śmiertelnie porażone prądem, gdy będzie pracowicie wkładać do wnętrza zasilacza sieciowego cienkie druciki przez maleńkie otwory wentylacyjne w plastikowej obudowie.

Gdyby tego rodzaju sprawa trafiła do sadu, ten rozpatrując powództwo, zapewne nie będzie próbował ustalić dopuszczalnych i niedopuszczalnych granic bezmyślności, niedbalstwa czy pomysłowości dzieci. Sąd raczej (przy pomocy biegłych) sprawdzi, czy producent/importer wprowadził na rynek urządzenie zgodnie z aktualnym stanem wiedzy. A stan aktualnej wiedzy opisany jest właśnie w normach. W kontekście tego artykułu można przyjąć w uporszczeniu, że normy opisują aktualny stan wiedzy, jeżeli chodzi o bezpieczeństwo korzystania z sieci energetycznych.

Właśnie dlatego zamiast państwowych zaświadczeń i certyfikatów, dziś producenci i importerzy sprzętu na rynek Unii Europejskiej przedstawiają tylko deklarację zgodności. Na zasadzie zaufania oświadczają, że wprowadzane na rynek urządzenie jest bezpieczne, czyli spełnia aktualne wymagania. A jeżeli to nie jest prawdą, mogą ponieść dotkliwe skutki zaniedbań.

Podkreślmy, że normy nie są obowiązującym prawem, są tylko odzwierciedleniem aktualnego stopnia rozwoju techniki. Wycofywanie starszych wersji norm i zastępowanie ich nowymi jest naturalnym procesem i samo w sobie nie niesie żadnego przymusu.

Nie znaczy to jednak, że nie ma praw dotyczących urządzeń technicznych.

Są. Występują w postaci ustaw i rozporządzeń. Albo krajowych, albo ogólnoeuropejskich. Często wprowadzanych na podstawie dyrektyw (unijnych).

Całość zagadnienia jest mocno skomplikowana. W każdym razie oprócz norm technicznych istnieją też ustawy i rozporządzenia, które definiują obowiązki i określają kary. Takie ustawy i rozporządzenia dotyczące kwestii technicznych odwołują się do norm, które odzwierciedlają aktualny stan wiedzy. W ten okrężny sposób informacje zawarte w normach mogą być częścią prawa.

Przykładem może być prawo budowlane, obejmujące też kwestie bezpieczeństwa domowej sieci energetycznej 230V. Z jednej strony przepisy i normy są poważną uciążliwością dla elektryka lub producenta urządzeń elektrycznych/elektronicznych, ale z drugiej są dla nich zabezpieczeniem w ewentualnych procesach sądowych, gdy użytkownik zostanie porażony prądem. Najprościej biorąc, jeżeli nowo budowany budynek nie spełnia aktualnych ustaw i rozporządzeń (odwołujących się do norm), nie zostanie oddany do użytku. Ale producent czy importer urządzeń zasadniczo może bez konieczności uzyskiwania certyfikatów czy zezwoleń wprowadzić na rynek dowolne urządzenia. Jeżeli jednak ktoś zgłosi, że nie spełniają one jakichś wymagań zawartych w ustawach i rozporządzeniach (na przykład dotyczących odstępów izolacyjnych), to zapewne zostanie prawnie zobowiązany do wycofania tych urządzeń z rynku, ewentualnie usunięcia przyczyny problemu. Nawet jeśli aktualnie obowiązujące przepisy nie precyzują wszystkich szczegółów, w przypadku gdyby zdarzyło się porażenie i sprawa trafiłaby do sądu, sąd niewątpliwie zbada, czy konstrukcja danego urządzenia lub instalacji jest zgodna z aktualnym stanem wiedzy, czyli z aktualnymi normami technicznymi. Sytuację komplikuje fakt, że normy się zmieniają. Jednak przyjęto zasadę, że obiekty czy urządzenia zrealizowane wcześniej zgodnie z ówczesnymi normami, nie muszą być na bieżąco dostosowywane do nowo wprowadzanych norm, ustaw i rozporządzeń.

To wyjaśnia także, dlaczego w budynkach spotykamy różne rozwiązania instalacji elektrycznych i dlaczego stare urządzenia elektroniczne zasilane z sieci mogą mieć znacząco inną konstrukcję niż współczesne.

W następnym artykule SR502 omówione są bardzo ważne zagadnienia związane z ochrona przeciwporażeniową i klasami ochronności.

Piotr Górecki