Villanyszerelők Lapja

Áttekintő táblázat alapjánÉpületvillamosságEszközeink

Áram-védőkapcsolók: védünk és szolgálunk!

2014. szeptember 15. | Dr. Papp Gusztáv, villamosmérnök |  8747 | |

Áram-védőkapcsolók: védünk és szolgálunk!

Az elektromos energia számtalan formában van jelen az életünkben. Egyre modernebb technológiákat alkalmazva az emberiség is előállítja és felhasználja. A modern civilizációnk elképzelhetetlen lenne nélküle, azonban a természet is képes erre a „mutatványra”. Sőt.

Egy védelmi készülék sok névvel

Leggyakrabban csak fi-relének nevezzük (ami a német „Fehlerstrom-schutzschalter”-ben gyökerezik), de hallgat az érintésvédelmi, életvédelmi vagy hibaáram-relé, röviden ÉV-relé névre is. A szabvány alapján maradjunk a hivatalos áram-védőkapcsoló vagy ÁVK megnevezés mellett. Ez a névgazdagság egyébként a világ más tájain is így van. Angol nyelvterületen legalább ennyiféle nevet aggattak már rá a hozzá tartozó rövidítésekkel, betűszavakkal. Ezek közül az interenetet vagy a gyártók katalógusait böngészve itt Európában leggyakrabban az RCCB (Residual Current Circuit Breaker) megnevezéssel találkozhatunk.

Egy kis történelem

1955-ben Dél-Afrikában Henri Rubin mérnök a bányákban használt 10 A(!) érzékenységű hibaáram-érzékelők kiváltására egy szabadalmaztatott új megoldással állt elő: egy 250 mA érzékenységű és a korábbinál sokkal gyorsabb működésű készülékkel. 2 éven belül, egy háziasszony villamos balesete nyomán, a bányászvároskában beépítik a háztartásokba az első néhány száz darab igazi ÁVK-t. Ezek már 20 mA érzékenységűek voltak.

Az alapelv

Az ÁVK működési elve egyszerű: egy áramváltón vezessük át a fázis- és a nullavezetőt, a szekunder körbe kössünk egy mágneses mechanizmust, ami működtet egy kapcsolót! Normál üzemben az áramok eredője nulla. Az egyforma nagy, de ellentétes irányú áramok gerjesztése kiegyenlíti egymást (IL=IN). Ha a rendszerben valahol „szökik” az áram, akkor különbség lép fel (I=IL-IN). Ez az áramkülönbség az áramváltó szekunder körében áramot indít, ami működteti a kioldó szerkezetet, és az ÁVK kikapcsolja a meghibásodott áramkört.

Az ÁVK működési elve. 1955-ben Dél-Amerikában a Henri Rubin mérnők bányában használt 10A(!) érzékenységű hibaáram-erzékelők kiváltására egy szabadalmaztatott új megoldással állt elő: egy 250 MA érzékenységű ás a korábbinál sokkal gyorsabb mködésű készülékkel.Az áram-védőkapcsoló működési elve.

Ha ilyen egyszerű, akkor miért olyan bonyolult?

Egy ÁVK névleges áramához (az áttekintő táblázatban összehasonlított készülékek esetében 25 A-hez) képest a működését kiváltó hibaáram (30 mA) annak kb. egy ezrede. Megjegyzendő, hogy a tényleges kioldó áramérték a névlegesnél kisebb, jellemzően 20 mA körül van. A kioldó szerkezetet működtető energia mindössze 80-100 µW! Ezzel a csöppnyi energiával egy olyan kapcsolót kell működésre bírni, ami villámgyorsan (tizedmásodpercen belül) akár több száz amper megszakítására képes.

Mi dolguk a világban?

Az ÁVK-k ellátnak:
1. közvetlen érintés elleni védelmet,
2. közvetett érintés elleni védelmet,
3. tűzvédelmet .

Vannak, akik kétségbe vonják az ÁVK-k tűzvédelmi szerepét, hiszen „valószínűtlen, hogy akár 100-500 mA áram tüzet okozzon”. Ez igaz, de gondoljunk arra, hogy a növekvő szivárgó áram detektálása még jókor fölhívja a figyelmet a romló szigetelésre, a potenciálisan veszélyessé váló készülékre vagy hálózatrészre, így még időben megtörténhet a csere, javítás vagy rekonstrukció. Tehát az ÁVK-k fontos tűzvédelmi szerepet láthatnak el, nem a tűz keletkezését megelőző pillanatban, hanem még jóval korábban.

Balra fent: védelem a fázisvezető véletlen érintésekor. Jobbra fent: védelem a hiba folytán feszültség alá került fém rész érintésekor. Balra lent: Közvetett érintés elleni védelem természetesen megtörténhet áramütés nélkül is (és ugyanez egyben tűzvédelmet is jelenthet). Jobbra lent: ami ellen az ÁVK sem tehet semmit: fázis-nulla érintéses baleset.

Mindennek van határa…

Az ÁVK sem csodaszer, vannak korlátai. Működési elvéből következően ott alkalmazható, ahol a nullától elkülönülő védővezető van. És értelemszerűen – sajnos – nem fog védeni a közvetlen fázis-nulla vezető érintése miatti áramütéskor, ha egyidejűleg nem lép fel a föld felé sönt áram.

Az áram mindenkit másképp ráz

A villamos áramütés hatása alapvetően az áramerősségtől, az időtartamtól és az áramnak a testen belüli útjától függ. Ezen felül azonban – ezt kísérletek igazolják – számos más tényező is befolyásolja, olyan is, amire kevésbé gondolunk:

• feszültség,
• frekvencia,
• nem: férfi/nő,
• életkor,
• testsúly,
• izzadtság,
• lelkiállapot,
• véralkoholszint…

Milyen egy szabványos áramütés?

Az pusztán józanésszel is belátható, hogy minél nagyobb áram minél tovább halad át egy élő szervezeten, annál nagyobb károsodást okozhat. Mi, műszaki emberek azonban szeretjük számszerűsíteni a dolgokat, hogy tervezni tudjunk. Erre tettek kísérletet a szabvány alkotói, amelynek eredménye a keretes ábrán látható. Ezen az áramerősség és idő tengelyek által kifeszített síkot látjuk, amelyet négy görbe (A, B, C, D jelűek) öt tartományra bont. Az „A” jelű vonal az érzékelési küszöböt ábrázolja, az ez alatti áramerősséget a legtöbb ember még hosszú idő elteltével sem veszi észre. Az „A” és a „B” közötti területen belül jó eséllyel nem történik maradandó egészségkárosodás. A „B” vonal fontos határt jelöl: e fölött az izmok olyan erős görcsbe rándulnak, hogy a szenvedő alany képtelen elengedni az áramvezetőt, ha történetesen megmarkolta, ezért nevezik ezt elengedési küszöbnek. A következő tartományokban már számolni kell a légzésleállással, illetve a szívkamrafibrillációval. Gyors beavatkozással ilyenkor még esély van az a balesetet szenvedő életben tartására és felépülésére, de a „D” vonal fölötti területen ennek valószínűsége elenyészik. Természetesen ezek nem éles elválasztó vonalak, csak bizonyos valószínűségi határokat jelölnek.

Normál körülmények között az emberi test ellenállása 1 k körül van. Ez azt jelenti, hogy a 230 V-os fázisvezető érintése esetén max. 230 mA áram lép föl, ezt az értéket jelöltük a keretes. ábrán. Az érintésvédelmi feladatot ellátó ÁVK feladata az áramerősség függvényében olyan hamar lekapcsolni a hálózatot, hogy maradó egészségkárosodás ne lépjen fel. Az ábrába berajzoltuk a 30 mA-es hibaáramú típusokra szabvány által megkövetelt áram-kioldási idő jelleggörbét is. A szabvány a felső határt rögzíti, tehát a tényleges működés kisebb hibaáramnál és rövidebb lekapcsolási idővel is megtörténhet.

Az áramütés lehetséges hatásai

Az IEC (Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság) által meghatározott ábra az áramütés lehetséges hatásairól.

Néhány példa:
1. példa: 100 ms-ig tartó 20 mA-es áram várhatóan semmi maradandó sérülést nem okoz.
2. példa: 500 ms-ig tartó 0,2 mA-es áram hatását valószínűleg nem is érzékeljük.
3. példa: 2 másodpercig tartó 50 mA-es áram már időleges légzésleálláshoz vezethet.
4. példa: 50 ms-ig tartó 2 A-es áramütés már visszafordíthatatlan szívleállást okozhat.

Az ábra tartalmazza az IEC 61008 által előírt áram-idő jelleggörbét az AC jelű, 30 mA-es, pillanatműködésű ÁVK-ra.

Két példa ennek működésére:
5. példa: a 200 mA-es hibaáramot az ÁVK 40 ms-on belül lekapcsolja.
6. példa: a 40 mA-es hibaáramot az ÁVK 190 ms-on belül kapcsolja le.Az a jó ha érzékeny! 

Az a jó, ha nem érzékeny!

Az előbb leírtak szerint a gyártóknak azon kell igyekezni, hogy minél kisebb hibaáramnál minél gyorsabban működő ÁVK-t készítsenek. De egyidejűleg egy ezzel szembemenő igényt is teljesíteniük kell: minél nagyobb tűrőképességűvé kell tenni az ÁVK-t a hálózati zavarokkal szemben. A jó ÁVK nem kapcsol le fölöslegesen, például egy háztartási gép indításakor fellépő hálózati zavar hatására. Az indokolatlan működés nem csak bosszúságot, de kárt is okozhat.

Lehet egy amperrel több?

Az áramváltók névleges árama azt az értéket jelöli, amelyet tartósan vezetni képes. Lehet azt mondani, minél több, annál jobb – persze ha ez nem jelent fölösleges kiadást. Gyakori reakció – még szakemberek körében is – „a 40 A-es nem jó, 25-ös lett előírva”. Miért is nem jó? Nyilván reflexszerű beidegződés a kismegszakítókkal kapcsolatos szabály „átvetítése” az ÁVK-ra. Egy 40 A-es kismegszakító beépítése 25 A-es helyett valóban nem fokozza a biztonságot, sőt! De az ÁVK esetében a 40 A/ 30 mA-es védelmi szempontból teljesen egyenértékű a 25 A/30 mA-essel, hiszen a működését a névleges hibaárama határozza meg.

Az ÁVK nem túláramvédelmi eszköz, mégis jó, ha érintkezői (ívoltó rendszere) alkalmasak kisebb túláramok megszakítására. Ugyanis hibaáram túlterhelés során is megjelenhet, az ÁVK pedig ilyenkor mérlegelés nélkül kikapcsol. Ha előfordulhat, hogy az ÁVK hibára kapcsol rá, akkor hasonlóképpen fontos, hogy a névleges áramánál nagyobbat is elviseljen a bekapcsolás során sérülés nélkül. Ezért lehet érdemes a készülék bekapcsoló- és megszakítóképességét is mérlegelni a kiválasztáskor.

Bekapcsolt állapotban az ÁVK még az előbbieknél jóval nagyobb áramot is elvisel rövid ideig. Hogy mennyit és milyen körülmények között, arra a névleges független zárlati áram- érték és az előírt előtét-zárlatvédelmi eszköz ad választ a katalógusadatok közül. Az ÁVK beépítési helyén ismerni kell, hogy maximum mekkora zárlati áram léphet föl. Az ÁVK névleges független földzárlati árama ennél nem lehet kisebb. Ez az áram azonban csak egy elméleti, méretezési érték, valójában ki sem fog alakulni, mert az ÁVK elé beépítendő, adott értékű és karakterisztikájú zárlatvédelmi eszköz ezt korlátozni fogja.

Törődik velünk... Törődjünk vele!

Az ÁVK-k élettartamának ellenőrzésére a szabvány részletes utasítást ad. A vizsgálati ciklus tartalmaz kézi és a kioldószerkezettel történő kapcsolást is. Összességében 2000 villamos és további 2000 mechanikai működést ír elő, ami egy ilyen, viszonylag ritkán működő szerkezetre bőségesen elegendő. Természetesen a gyártók ennél vállalhatnak többet is. Ugyancsak az egyes gyártókon múlik, hogy a kötelezőn felül mennyi garanciaidőt vállalnak. Ez nyilván függ a cég tapasztalatától, gyártáskultúrájától, ellenőrzési rendszerétől stb.

Az ÁVK óramű finomságú szerkezet, aminek jó esetben évekig semmi dolga. Állás közben, tapasztalat szerint a szerkezet megbízhatósága fokozatosan csökken. Amikor azonban szükséges, akkor „csikorgás nélkül” akcióba kell lendülnie. Hogy ez így legyen, gyártói előírás szerinti időközönként a tesztgomb megnyomásával működtetni kell őket: ez egyrészt ellenőrzés, másrészt a mechanizmus és az érintkezők megmozgatása révén egyfajta karbantartás. A tesztgomb megnyomásával egy beépített ellenálláson keresztül hibaáramot generálunk, ez működésre kell, hogy bírja a készüléket. Ritkább időközönként javasolt egy-egy éles próbát is végezni a védett hálózaton, ezt azonban jobb, ha nem a laikus felhasználóra bízzuk.

AC, A, B, rajta kezdé...

Kezdetben volt a tiszta szinuszos áram a hálózaton, és az ÁVK-knak itt kellett megfelelően működniük. Az ÁVK-k alaptípusa erre alkalmas, jele „AC” a váltakozó áram ismert angol jelölésének megfelelően. Aztán megjelentek az elektronikus eszközök, töltők, fényerőszabályozók, stb. egyenirányítóikkal, invertereikkel. Szükségessé vált a védelem kiterjesztése olyan esetre, amikor például csak szinusz-félhullámok folynak át az ÁVK-n (pulzáló egyenáram). Ehhez kétszeres érzékenységre van szükség. A gyártók, illetve a szabványalkotók egy új kategóriájú készülékcsoportot hoztak létre, amelynek jelölése „A”.

Még cudarabb helyzet is előállhat. Például napelemes rendszerek inverterének meghibásodásakor sima egyenáram szuperponálódhat a váltakozó áramú oldal szinuszára. Ez a vasmag telítési tartományába tolja az ÁVK működését, vagyis drasztikusan lecsökken annak hibaérzékelése. Ilyen esetben „megvakul” az „AC” és az „A” típusú ÁVK is, nem fog működni a névleges vagy akár annál nagyobb hibaáram megjelenésekor sem. Ugyancsak problémát okoznak a hálózatra kerülő nagyobb frekvenciájú felharmonikusok. Számtalan elektronikus berendezés (lágyindítók, fordulatszám-szabályozós hajtások stb.) „termelnek” ilyeneket. A nagyfrekvenciás zavarok akár az előbb leírthoz hasonló „vakságot”, vagy akár épp annak ellenkezőjét, indokolatlan lekapcsolást válthatnak ki. A szakma válasza az azóta ugyancsak szabványok által definiált két új készülékkategória, a „B”, illetve „B+” jelű. Ezek a felső határfrekvencia tekintetében különböznek: a „B” csoportba tartozóknál 1 kHz, a „B+” csoport készülékeinél 20 kHz ez az érték.

Ezt az egységes, szabványos jelölést szokás az ÁVK típusának nevezni, ami nem szerencsés, mert összekeverhető a típusjellel.

ÁVK áramutas rajza a teszt gomb bekötésévelÁVK áramutas rajza a teszt gomb bekötésével.

Kérem, ne zavarjanak!

Az ÁVK-nál is, mint az egyéb villamos eszközöknél, a zavarvizsgálatok alapvetően két dologra vonatkoznak:

  • Elviseli-e károsodás és hibás működés
  • nélkül a vizsgált készülék a környeze- tében esetleg fellépő zavarokat?
  • Nem zavarja-e a vizsgált készülék a környezetében esetleg jelenlevő egyéb villamos eszközöket?

A termékszabvány, illetve egyéb műszaki direktívák rögzítik az erre vonatkozó vizsgálatokat. Meghatározott számú és lefutású áramimpulzus-sorozatnak teszik ki az ÁVK-t, ezzel szimulálják a vezetéken érkező zavarokat. A készülék nem hibásodhat meg, illetve adott esetben nem szabad, hogy kikapcsoljon. Ugyancsak vizsgálják a sugárzott elektromágneses zavarokkal szembeni viselkedését, illetve mérik az általa kisugárzott elektromágneses hullámokat, amik a frekvencia függvényében meghatározott érték alatt kell, hogy maradjanak.

Türelem rózsát terem!

Van olyan alkalmazási hely, ahol a szabványnak mindenben megfelelő, elvárhatóan zavarvédett ÁVK sem megfelelő, mert túl gyakran lekapcsol fölöslegesen. Erre álltak elő a gyártók a rövid idejű késleltetett típussal. Ez egy olyan ÁVK, ami csak egy rövid (jellemzően 10 ms) türelmi idő elteltével lép működésbe. Az esetek nagy részében ennyi késleltetés elég, hogy a működést kiváltó zavarok elenyésszenek, és az indokolatlan kikapcsolást elkerüljük. Ugyanakkor ezek a készülékek is a szabvány által megkövetelt maximális működési időn belül kapcsolnak le, tehát védelmi képességük teljes értékű.

Szintén késleltetett működésűek a szabvány által „S”-sel jelölt úgynevezett szelektív ÁVK-k. Itt már egészen másról van szó. Általuk, ahogy a nevük is utal rá, a túláramvédelmi készülékeknél is alkalmazott elvhez hasonlóan a sorba kapcsolt ÁVK-k működését lehet lépcsőzni, szelektívvé tenni. Egy családi házat véve alapul, például egy-egy érintésvédelmi funkciót ellátó ÁVK-t építünk be a fürdőszoba, a gyerekszoba és a nappali konnektorainak leágazásaiba, a betápágba pedig egy szelektív ÁVK-t a ház egész rendszerének tűzvédelmére.

Ahol nincs egyenjogúság: eltérő elengedési határ férfiak és nők között.
ÁVK megbízhatóságának időbeni változása

Balra: ahol nincs egyenjogúság: eltérő elengedési határ férfiak és nők között. Jobbra: az ÁVK megbízhatóságának időbeni változása.

Kérem a papírokat!

Azok a gyártók, akik komolyan veszik az objektumok biztonságát, a gyártmány fejlesztését független, akkreditált laboratóriumokban elvégzett típusvizsgálattal zárják le. Csak így győződhetnek meg arról – és csak így igazolhatják hitelesen azt –, hogy a munkájuk sikeres volt, a gyártmány megfelel az elvárt, szabványban rögzített követelményeknek. Ezeknek a tanúsítványoknak véges érvényességi idejük van, annak lejártával meg kell azokat újítani. A gyártás során pedig – ugyancsak a termékszabvány szerint – minden egyes példányon el kell végezni a darabvizsgálatokat.

Az áram-védőkapcsolók kiemelten fontos villamos szerelési kellékek. A többi védelmi készülékkel együtt állandó szolgálatot látnak el életünk, testi épségünk és anyagi javaink védelmében. Feladatuk, hogy a villamos energia használata során lehetőleg csak annak előnyeiben részesüljünk, a veszélyeitől megóvjanak minket. Nekünk, villamos szakembereknek pedig az a feladatunk, hogy a megfelelő eszközök valóban ott legyenek minden felhasználónál, hogy védjenek és szolgáljanak.

Áram-védőkapcsolóÉrintésvédelem

Kapcsolódó