Energetyka dla elektroników – klasy ochronności

Niejednemu młodemu elektronikowi i informatykowi domowa instalacja energetyczna wydaje się prosta, a wręcz prymitywna w porównaniu z układami elektronicznymi, zarówno analogowymi, jak i cyfrowymi, nie mówiąc już o informatyce.  Niesłusznie! Po ogólnych informacjach przedstawionych artykule SR501 pora przejść do szczegółów.

Ochrona przeciwporażeniowa. Klasy ochronności

Zanim omówimy szczegóły dotyczące połączenia bolców w gniazdkach sieci energetycznej, musimy króciutko wspomnieć o sprzęcie. Ponieważ w sumie chodzi o ryzyko porażenia prądem, najogólniej biorąc, problem jest mniejszy w przypadku urządzeń/układów umieszczonych w nieprzewodzących obudowach z tworzyw sztucznych, które pełnią też funkcję izolacji. Gorzej jest, gdy obudowa jest metalowa lub ma metalowe, przewodzące części.

Wiele urządzeń ma wtyczki „z uziemieniem” – przykład na fotografii 6. Takie wtyczki powinny być wkładane do gniazdek, które oprócz dwóch styków głównych mają „bolec uziemiający” – przykład na fotografii 7. Powszechne, nie do końca prawdziwe wyobrażenie mówi, że taki trzeci styk uziemiający (zacisk ochronny) zapewnia bezpieczeństwo.

No tak, tylko istnieją też gniazdka bez bolca, które mają jedynie dwa styki – fotografia 8.

Nie znaczy to automatycznie, że takie gniazdko nie zapewnia bezpieczeństwa. Istnieje bowiem wiele urządzeń, które mają „wtyczki bez bolca”: albo płaskie, jak pokazuje fotografia 9,

albo z wycięciami jak na fotografii 10.

Ani te wtyczki, ani gniazdka „bez bolca” nie są same w sobie gorsze, bardziej niebezpieczne. Najogólniej biorąc, wtyczki takie, zgodnie z prawem i normami, mogą być stosowane w urządzeniach o podwójnej izolacji lub wzmocnionej izolacji, czyli w urządzeniach mających tak zwaną II klasę ochronności, co przedstawione jest na tabliczce znamionowej lub obudowie przez symbol w postaci podwójnego, koncentrycznego kwadratu, widocznego na rysunku 11.

Przykłady użycia tego znaku na obudowach urządzeń pokazane są na fotografiach 12…14.

Problem bezpieczeństwa praktycznie nie dotyczy urządzeń zasilanych niskimi napięciami ze źródeł, powiedzmy najogólniej, bezpiecznych. Takie urządzenia mają III klasę ochronności i oznaczane są, a raczej mogą być i powinny być oznaczane symbolem pokazanym na rysunku 15.

Konstruktor takiego urządzenia zasilanego bezpiecznym niskim napięciem nie musi analizować rozporządzeń i norm związanych z ryzykiem porażenia. Przykład na fotografii 16, pokazującej ładowarkę akumulatorów i oddzielny, dedykowany zasilacz (dołączany za pomocą wtyczki i gniazdka DC5,1/2,1).

Ładowarki, wyposażonej w okrągłe gniazdko, zasilanej napięciem 12V, wymagania bezpieczeństwa nie dotyczą. Ale takie wymagania musi spełniać współpracujący zasilacz sieciowy. Współpracujący zasilacz, jak widać, ma klasę ochronności II, co jest zaznaczone na obudowie.

Co bardzo ważne, w życiu codziennym często mamy do czynienia z zasilanymi z sieci urządzeniami mającymi I klasę ochronności. Z reguły, choć nie zawsze, mają one obudowę metalową i ta przewodząca obudowa jest dołączona do zacisku ochronnego (do „bolca sieciowego” we wtyczce sieciowej i w gniazdku). Według niektórych źródeł urządzenia I klasy ochronności powinny być oznaczane symbolem pokazanym na rysunku 17.

Inne źródła podają, że taki symbol ma być umieszczany, gdy obudowa ma oddzielny zacisk służący do uziemienia. W praktyce takich oddzielnych zacisków nie ma, a uziemienie realizowane jest przez żółto-zieloną żyłę kabla zasilającego, dołączoną do bolca uziemiającego we wtyczce i gniazdku. Trudno znaleźć urządzenia oznaczone symbolem z rysunku 17, ale już obecność „wtyczki z uziemieniem” wskazuje na I klasę ochronności.

Dla porządku należy jeszcze wspomnieć o urządzeniach, mających klasę ochronności 0, które nie są oznaczane żadnym symbolem graficznym. Nie znaczy to wcale, że brak tam jakiejkolwiek ochrony. Na pewno na przewodzącej, metalowej obudowie w normalnych warunkach nie występują napięcia groźne dla zdrowia. Urządzenia zerowej klasy ochronności zapewniają (mają) izolację między wewnętrznymi elementami z niebezpiecznymi napięciami i człowiekiem. Ale jest to pojedyncza izolacja. Aktualne przepisy europejskie nie dopuszczają takich urządzeń w gospodarstwie domowym, ale mogą być użytkowane tam, gdzie człowiek nie ma łatwego dostępu (np. klasę ochronności 0 mają niektóre rodzaje ulicznych lamp oświetleniowych).

Fotografia 18 pokazuje zakupioną bezpośrednio z Chin ładowarkę samochodową, która ma metalową obudowę i kabel zasilający z wtyczką bez uziemienia (plus adapter do gniazdek EU). Teoretycznie nawet w przypadku obudowy metalowej możliwe jest zastosowanie izolacji podwójnej/wzmocnionej, co pozwoliłoby uzyskać II klasę ochronności. Stosownego znaczka jednak na obudowie nie ma. Można więc uznać, że według przepisów europejskich, takie urządzenie ma klasę ochronności 0. I w Europie takich urządzeń nie wolno wprowadzać na rynek sprzętu powszechnego użytku. Żaden importer nie zdecyduje się na wprowadzenie takiego urządzenia do swojej oferty.

Doszliśmy tu do kluczowego szczegółu: wszystkie urządzenia dołączane do sieci energetycznej muszą mieć i mają tak zwaną izolację podstawową, która najprościej biorąc, nie pozwoli dotknąć elementów, na których występuje groźne dla życia napięcie. Taką izolacją podstawową jest obudowa. Jakakolwiek obudowa. Także obudowa metalowa.

I przed wielu laty uznawano, że obecność obudowy zapewnia bezpieczeństwo, bo użytkownik nie może dotknąć (przez tzw. dotyk bezpośredni) umieszczonych wewnątrz elementów będących pod napięciem, czyli tak zwanych części czynnych. Zapewne tak jest w ładowarce z fotografii 18. Jednak praktyczne doświadczenia zbierane przez wiele lat pokazały, że wiele przypadków porażenia prądem występuje nie przy dotyku bezpośrednim części czynnych, tylko przy tak zwanym dotyku pośrednim albo przewodzących elementów instalacji, które w zasadzie nie powinny być pod napięciem (tak zwanych części przewodzących dostępnych), albo przewodzących części, które nie są składnikami instalacji (tzw. części przewodzących obcych). Oczywiście z założenia nie powinno na nich występować napięcie, ale właśnie praktyka pokazała, że wskutek awarii, błędów i innych czynników czasem pojawia się na nich groźne dla człowieka napięcie i wtedy następuje porażenie.

Wskutek takich tragicznych zdarzeń uznano, że trzeba coś zrobić, by w przypadku rozmaitych awarii i błędów wyeliminować, a przynajmniej znacząco zredukować ryzyko porażenia.

Najprościej biorąc, już dawno temu przyjęto, że dla bezpieczeństwa należy uziemiać metalowe obudowy urządzeń elektrycznych dołączonych do sieci energetycznej. Podstawowa idea wygląda beznadziejnie prosto: ziemia ma potencjał zerowy, więc dołączenie obudowy do ziemi eliminuje ryzyko porażenia przy dotknięciu takiej obudowy. W praktyce nie jest to takie proste i oczywiste, o czym dalej.

Jeszcze raz podkreślmy, że w każdym urządzeniu powszechnego użytku występuje tak zwana izolacja podstawowa między obudową i będącymi pod napięciem częściami czynnymi, a uziemianie przewodzącej obudowy ma zapobiec porażeniu. Porażeniu, które może wystąpić tylko w bardzo rzadkich przypadkach błędów lub uszkodzeń, których konsekwencją jest pojawienie się na obudowie groźnych napięć. Przypadki takie są stosunkowo rzadkie, ale już od dość dawna obowiązują przepisy, że w ogólnodostępnym sprzęcie metalowe obudowy muszą być uziemiane. Muszą mieć „wtyczki z uziemieniem”.

W obudowach nieprzewodzących, np. z tworzyw sztucznych, gdzie na zewnątrz nie ma też przewodzących pokręteł, gniazdek, itp., nie ma czego uziemiać. Jeżeli taka nieprzewodząca obudowa jest wystarczająco solidna i nie ma na zewnątrz żadnych przewodzących elementów, to uznaje się, że urządzenie ma nie izolację podstawową, tylko izolację wzmocnioną. Można też (nawet przy wykorzystaniu obudów metalowych) zastosować izolację podwójną. Zarówno przy zastosowaniu izolacji wzmocnionej, jak i izolacji podwójnej, nie jest wymagane uziemianie – tego rodzaju urządzenia mają II klasę ochronności i mają „wtyczkę bez uziemienia”.

W grę wchodzą też dodatkowe szczegóły, ale mówiąc w największym uproszczeniu: główny temat artykułu dotyczy urządzeń I klasy ochronności, czyli mających metalowe obudowy (lub przewodzące elementy obudowy dostępne dla użytkownika), które według przepisów muszą być podczas pracy uziemione.

Przed omówieniem rodzajów sieci energetycznych koniecznie też trzeba wspomnieć o kolejnych ważnych zagadnieniach. Robimy to w następnym artykule SR503.

Piotr Górecki