Energetyka dla elektroników – niebezpieczne wartości prądu

Przed omówieniem rodzajów sieci energetycznych koniecznie też trzeba wspomnieć o pewnych ważnych zagadnieniach, związanych z bezpieczeństwem. W tym artykule omówimy, jakie wartości prądu elektrycznego oraz jakie wartości napięć są niebezpieczne dla człowieka.

Niebezpieczne wartości prądu

Tę część artykułu można byłoby zacząć popularnym, a mało sensownym pytaniem: czy zabijają wolty, czy ampery?

Odpowiedź jest następująca: ani wolty, ani ampery, które są jednostkami napięcia i prądu. Zabija w sumie energia elektryczna, wydzielana w ciele człowieka, gdy płynie przez nie prąd i gdy występuje napięcie. Napięcie i prąd związane są rezystancją, a rezystancja ciała ludzkiego nie jest stała, tylko zależy od szeregu czynników (wynosi 1 kiloom lub więcej). Między innymi dlatego w kwestiach dotyczących bezpieczeństwa mówi się przede wszystkim o dopuszczalnych wartościach prądu, a nie napięcia. Tu trzeba nadmienić, iż wartości graniczne bezpiecznych oraz dopuszczalnych napięć i prądów to kolejny bardzo obszerny temat.

Trzeba wiedzieć, że organizm człowieka jest około 2…4-krotnie mniej wrażliwy na przepływ prądu stałego niż zmiennego 50Hz. Mniej odczuwalny jest też przepływ prądów zmiennych o wysokiej częstotliwości, co można najprościej wytłumaczyć zjawiskiem naskórkowości. To szczegóły dla specjalistów, a w praktyce najważniejsze jest to, jak organizm reaguje na przepływ prądu przemiennego 50…60Hz. Informacje pochodzące z różnych źródeł nie są zgodne.

Na pewno poszczególni ludzie różnie reagują na przepływ prądu elektrycznego. Ogólnie biorąc, dla prądu zmiennego 50Hz można w dużym uproszczeniu przyjąć, że granicą odczuwania jest prąd 0,5mA. Mniejszych wartości większość ludzi nie poczuje. Z kolei wartość 10mA uznaje się za granicę, przy której nie występuje jeszcze mimowolny skurcz mięśni i gdy można się samemu uwolnić od takiego porażenia. Z kolei prądy poniżej 30mA są wprawdzie nieprzyjemne, ale generalnie nie są groźne dla życia. Ogólnie biorąc, groźne są dopiero płynące przez ciało prądy zmienne 50Hz większe niż 100mA.

Najkrócej mówiąc, wynikające z różnych niedoskonałości (np. wszechobecnych pojemności) małe prądy, tak zwane upływu, do około 0,5mA można dopuścić nawet przy normalnym użytkowaniu. Natomiast przy awarii do bezpiecznych dla człowieka wartości należy ograniczyć  tzw. napięcia  dotykowe oraz związany z tym prąd rażeniowy (maksymalnie 30mA).

Podsumujmy: w sieciach energetycznych występują napięcia względem ziemi, groźne dla zdrowia i życia. Na podstawie wieloletnich doświadczeń w poszczególnych krajach przyjęto przepisy prawne, oparte na normach technicznych. Ogólnie biorąc, każde urządzenie powszechnego użytku dołączone do sieci elektrycznej musi być bezpieczne dla użytkownika, a ściślej bezpieczne w przypadku „pojedynczego uszkodzenia lub błędu”. W szczególności podczas normalnej pracy przy dotknięciu dostępnych elementów przewodzących, w tym metalowej obudowy, ewentualne prądy upływu nie powinny przekraczać 0,5…1mA. Natomiast przy uszkodzeniu, prąd rażenia płynący przez ciało człowieka powinien być ograniczony do wartości co najwyżej 30mA.

Ewentualne napięcia czy prądy, na które może być narażony użytkownik sprzętu elektrycznego, nie powinny stanowić zagrożenia, co dyktuje też pewne wymagania odnośnie do połączeń ochronnych, a także tak zwanych prądów upływu.

O co właściwie chodzi?

Podstawowym celem jest ochrona człowieka i zwierząt przed porażeniem (a także ochrona sprzętu przed uszkodzeniem i pożarem), a to ma ścisły związek z faktyczną budową sieci, w szczególności z połączeniami obwodów uziemionych (tak zwanego bolca uziemiającego w gniazdkach).

Przy wykorzystaniu urządzeń mających II klasę ochronności sprawa jest prosta. Na przykład zawierająca grzałkę i silnik elektryczny suszarka do włosów z fotografii 19 ma wtyczkę z dwoma stykami („bez uziemienia”).

Producent/importer zadeklarował, że jest to urządzenie II klasy ochronności, czyli stwierdził, że spełnia wymagania norm określających wymagania dla urządzeń II klasy ochronności. W takich przypadkach zupełnie nie interesuje nas kwestia uziemienia, a jedynie główny obwód, w którym płynie prąd roboczy, w tym przypadku dość duży (2000W / 230V = 8,7A). Z uwagi na ten dość duży prąd należałoby rozważyć aspekty bezpieczeństwa, związane z grzaniem się przewodów, styków i innych elementów sieci. Można byłoby też rozpatrywać problem spadków napięcia i pytanie, jaka będzie prawdziwa wartość napięcia na obciążeniu w porównaniu z nominalnym napięciem sieci? W grę wchodzi tu solidność wykonania instalacji, jakość styków oraz przekrój (i rezystancja) wykorzystanych przewodów. Do tych kwestii wrócimy, ale to są zagadnienia względnie proste i łatwe do zrozumienia.

Dużo trudniejsze są aspekty związane z uziemieniem, czyli dotyczące urządzeń klasy ochronności I. Problem między innymi w tym, że uproszczone schematy na papierze zupełnie nie oddają złożoności zagadnienia. W sumie chodzi o uziemianie, ale tylko w teorii i na papierze wszystko jest proste. W rzeczywistości w grę wchodzą rozmaite oporności, nie tylko ciała człowieka i gruntu, ale też różnych fragmentów realnej instalacji. Na tę oporność składa się nie tylko rezystancja dla prądu stałego, ale też indukcyjność i związane z nią zjawiska (i w mniejszym stopniu pojemność).

Gorące dyskusje o rodzajach sieci, szczegółach połączeń i budowie obwodów zasilających w dużej części wynikają ze słabej znajomości, a czasem wręcz braku zrozumienia wchodzących w grę różnych aspektów zagadnienia. Jedna sprawa to mniej czy bardziej racjonalne propozycje konfiguracji domowej sieci i prowadzenia „uziemienia” czy „zerowania”. Zupełnie inna sprawa to fakt, że aby uzyskać zgodę na użytkowanie instalacji w nowym domu lub po jego generalnym remoncie, instalacja musi spełniać aktualnie obowiązujące przepisy. I nie ma tu znaczenia, czy wszystkie te przepisy i normy, do których się odwołują, są optymalne, racjonalne, słuszne i ekonomiczne (a nie zawsze tak jest). Ważne jest, że takie przepisy obowiązują i że są lub mogą być egzekwowane. Jeśli elektryk ich nie uwzględni, naraża się na poważne kłopoty.

Zagadnienie jest obszerne, a dla elektronika czy innego „nieelektryka” problemem jest też specyficzne, nieintuicyjne słownictwo i  definicje, występujące w normach i przepisach. I tak w materiałach dotyczących bezpieczeństwa urządzeń elektrycznych można spotkać takie określenia jak na przykład: ochrona przeciwporażeniowa: podstawowa, dodatkowa oraz uzupełniająca, ochrona przed dotykiem bezpośrednim (ochrona podstawowa), ochrona przy dotyku pośrednim (ochrona przy uszkodzeniu), samoczynne wyłączanie napięcia (SWZ), separacja elektryczna czy miejscowe połączenia wyrównawcze.

Są to dość złożone zagadnienia, których nie będziemy szczegółowo zgłębiać. W sumie chodzi o to, żeby użytkownika nie poraził prąd, a dokładniej o to, żeby elementy, na których występują napięcia groźne dla życia i zdrowia, nie były dostępne i aby dostępne przewodzące części urządzeń nie były niebezpieczne, zarówno podczas normalnego użytkowania, jak też w przypadku najczęstszych (pojedynczych) uszkodzeń.  Przepisy są uściślane i zaostrzane, ale podkreślmy, że nie sposób zapobiec skutkom wszystkich bez wyjątku awarii, błędów i różnych przykładów bezmyślności. Ogólnie biorąc, chodzi o ochronę przed „pojedynczymi błędami i uszkodzeniami”. Na pewno nie można wykluczyć faktu, że ktoś niewykwalifikowany rozmontuje urządzenie elektroniczne, dotknie obwodów będących pod napięciem sieci i zostanie śmiertelnie porażony prądem płynącym między przewodem fazowym L i przewodem neutralnym N sieci. Na takie działania nie ma zabezpieczenia, a normy i przepisy nie obejmują takich kwestii.

Trzeba bardzo mocno podkreślić, że przepisy i normy nie dotyczą takich ekstremalnych  przypadków, tylko dotyczą normalnego działania oraz pojedynczego uszkodzenia. Nie jest możliwe zapewnienie pełnego, absolutnego bezpieczeństwa w przypadku serii błędów/usterek albo przypadkowych, losowych, albo celowych, albo będących wynikiem bezmyślnych działań. Co bardzo ważne, przepisy bezpieczeństwa przede wszystkim dotyczą przepływu prądu przez ciało człowieka do ziemi, bo praktyka pokazała, że taka są najczęstsza droga prądu podczas różnych nieszczęśliwych zdarzeń.

I to są wiadomości wstępne. Każdy elektronik powinien wiedzieć, przynajmniej z grubsza, dlaczego i na ile ochrona przeciwporażeniowa wiąże się z na pozór mało znaczącym sposobem połączenia bolców w domowych gniazdkach. Dlatego trzeba wiedzieć, co w praktyce znaczą określenia sieci energetycznych takie jak: TN-C, TN-S, TN-C-S, TT, a nawet IT. Zaczynamy to omawiać w następnym artykule SR504.

Piotr Górecki