U nautičkoj elektrici poznate su galvanske struje, lutajuće struje, uglavnom sve te „neke“ struje koje ne idu putem kojim mi želimo, već malo „skrenu“! Ako je riječ o strujama koje potiče galvanski napon ili baterija uglavnom neće biti većih posljedica osim materijalnih, uništit će se baterija, pojesti propeler ili osovina… No prije nego što šteta dosegne mogućnost ugroze ljudskih života vjerojatno ćete prepoznati simptome i svojim marom spriječiti produbljivanje takvih šteta i pojačanje posljedica. No u izmjeničnom dijelu brodske instalacije i najmanja „curenja“ mogu biti opasna po život.
Foto: Schrack Technik
Uređaj diferencijalne struje (ZUDS) ili danas prihvaćeni naziv RCD sklopka (engl. residual current device) je uređaj za osiguranje zaštite od izravnog ili neizravnog dodira dijelova pod naponom automatskim isklapanjem. Stariji naziv je i FID sklopka (engl. fail interrupting device).
Kako djeluje RCD sklopka
Spoj RCD sklopke u izmjeničnoj instalaciji je prikazan na slici 1., a načelo djelovanja na slici 2. Djelovanje se temelji na prvom Kirchhoffovom zakonu koji kaže da je suma struja koje ulaze u čvorište jednaka sumi struja koje izlaze iz čvorišta. RCD sklopka mjeri struju koja preko faznog vodiča ulazi u nju i struju koja preko neutralnog vodiča izlazi iz nje. Ključna komponenta RCD sklopke je feritni prsten. Kada na trošilu nema kvara suma struja koje prolaze kroz feritni prsten je jednaka nuli tako da se u namotajima na prstenu ne inducira struja. U slučaju kvara, kroz zaštitni vodič (PE vodič) poteče struja kvara. Time je narušena ravnoteža, tj. suma struja koje prolaze kroz feritni prsten više nije jednaka nuli. U namotajima na feritnom prstenu inducira se stoga napon pa struja iz ovog izvora poteče kroz elektromagnet koji privuče kotvu i isključi sklopne kontakte. Za ispitivanje RCD sklopke postavlja se ispitno tipkalo i otpornik. Kad se pritisne tipkalo, sklopka mora isključiti napajanje. RCD sklopke se mogu koristiti samo u sustavima gdje su neutralni vodič i zaštitni vodič odvojeni.
RCD sklopka ne može detektirati struju kratkog spoja ili struju preopterećenja u trošilu. Za to pak služi automatski zaštitni prekidač. RCD sklopka reagira samo kada struja „bježi“ kamo ne bi trebala! Današnja tehnologija omogućava u jednom kućištu realizaciju i automatskog zaštitnog prekidača i RCD sklopke pa se onda takav uređaj naziva kombinirani zaštitni prekidač. Najvažniji podaci RCD sklopke su: nazivna struja In i nazivna struja greške (nazivna diferencijalna struja) IΔn. RCD sklopka s 30 mA nazivne diferencijalne struje isklapa već i pri struji kvara od 15 mA, uz vrijeme isklopa redovito ispod 100 ms! I razina struje pri kojoj dolazi do isklapanja i brzina samog isklapanja isključit će mjesto kvara s opskrbne mreže vrlo vjerojatno prije nego što čovjek uopće dođe do mogućnosti da kroz njega poteče struja, tj odmah po nastanku kvara. Za primjenu RCD sklopke važno je postojanje zaštitnog vodiča u instalaciji. Zaštitni vodič se nipošto ne provlači kroz feritnu jezgru RCD sklopke. Zaštitni vodič je upravo potreban da struja kvara u slučaju kvara može poteći prema zemlji i da RCD sklopka može primijetiti razliku između struje u linijskom i nul vodiču. Velika brzina isklapanja i izuzetno mala razina diferencijalne struje (struje kvara) potrebne za isklapanje RCD sklopke uz ispravan zaštitni vodič štite čovjeka i za slučaj da se kvar događa upravo u trenutku uključenja trošila u strujni krug.
Foto: Schrack Technik
Foto: Schrack Technik
RCD sklopka i autonomni izmjenjivač
Na slici 3 je prikazan najjednostavniji sustav napajanja izmjeničnih trošila na plovilu, u vozilu ili u zgradi. Osim fotonaponskih modula za nadopunjavanje i baterije koja služi za pohranu energije, sustav mora imati pristup pomoćnom izvoru napajanja primjerice generatoru ili mreži već zbog same činjenice da trošila mogu isprazniti bateriju po noći pa bi plovilo, vozilo ili zgrada morala čekati sljedećih nekoliko sati do ponovne raspoloživosti energije Sunca. Uz autonomni izmjenjivač ispred trošila mora postojati izborna sklopka jer se izlaz izmjenjivača ne smije spojiti s javnom mrežom ili mrežom generatora jer ne postoji opcija sinkronizacije. Pokušaj istovremenog spajanja dva izvora od kojih je jedan izmjenjivač, a drugi izmjenična mreža, u zajedničko napajanje trošila bi sigurno završio uništenjem izmjenjivača. Tu je logika „jačeg“ jasna, mreža koja se očituje na priključnici javne mreže je spojena na transformator snage možda i nekoliko stotina kW, a autonomni izmjenjivač ima tek nekoliko kW.
Foto: Schrack Technik
Kad se plovilo, vozilo ili zgrada isključi s javne mreže izbornom sklopkom može se izabrati novi izvor napajanja. Izvor napajanja za izmjenična trošila plovila/vozila pri plovidbi/vožnji je generator ako postoji ili izmjenjivač. Ako se izbornom sklopkom izabere autonomni izmjenjivač kao izvor energije, tada je njegov priključak označen s N već spojen u konstrukciji samog izmjenjivača s kućištem, odnosno s PE priključkom izmjenjivača. PE priključak autonomnog izmjenjivača spajamo s glavnom sabirnicom za izjednačenje potencijala na plovilu. To je onda i mjesto uzemljenja izvora, ali i spoj svih zaštitnih vodiča trošila, slika 4.
Foto: Schrack Technik
Svaki „bijeg“ struje kroz zaštitni vodič u slučaju kvara trošila moći će biti detektiran preko RCD sklopke, slika 4. Struja kvara će se zatvarati preko zaštitnog vodiča, neće prolaziti kroz N vodič RCD sklopke što će RCD sklopka detektirati i otvoriti strujni krug osiguravajući tako zaštitu ljudi koji bi možda dotaknuli kućište neispravnog trošila, a istovremeno stajali na nekoj metalnoj masi. Slično vrijedi i za generator ako ga imamo na plovilu. Ako je njegovo zvjezdište, odnosno fazni namot, jednim krajem spojen na glavnu sabirnicu za izjednačenje potencijala, tok struje je isti kako je pokazano na slici 5.
Foto: Schrack Technik
RCD sklopka i dvosmjerni pretvarač
No što ako se na plovilu, vozilu ili u zgradi koristi dvosmjerni pretvarač? Mogući smjerovi energije prikazani su na slici 6. za slučaj da je pomoćni izvor generator. Kućište pretvarača mora uvijek biti spojeno s glavnom sabirnicom za izjednačenje potencijala plovila, vozila ili zgrade. Dvosmjerni pretvarač može raditi u dva osnovna načina. Kao autonomni izmjenjivač i pri tome je jedini izvor napajanja na plovilu, dakle slučaj koji je netom opisan (plovilo u plovidbi). No dvosmjerni pretvarač može raditi i tako da energiju šalje prema trošilima iz baterije kao izmjenjivač, ali i da istovremeno trošilima prosljeđuje energiju iz generatora ili mreže.
Foto: Schrack Technik
Tada razlikujemo dva načina rada: Power control i Power assist. U Power control načinu rada postavlja se granica koliko će dvosmjerni pretvarač povlačiti iz pomoćnog izvora. To je stoga da ne prorađuje zaštita od preopterećenja pomoćnog izvora. Može se tako postaviti koliko će se izmjenične struje (time i snage) povući iz priključnice na koju je priključeno plovilo ili vozilo (ili zgrada!). Dvosmjerni pretvarač će snagu koja je potrebna proslijediti trošilima, a možebitni višak snage do zadane granice ulazne snage u uređaj će prepustiti za punjenje baterije. U Power assist načinu rada će dvosmjerni pretvarač uz zadano ograničenje snage iz generatora na ulazu uređaja omogućiti dodavanje pune snage izmjenjivača prema trošilima. U Power assist načinu rada oba izvora, generator i izmjenjivač, zajedno napajaju trošila. Ovo je posebno interesantno jer se na ovaj način može smanjiti potrebna snaga generatora. Generator mora pokrivati srednju snagu, a izmjenjivač će u tom načinu rada pokrivati vrhove potrebne snage za trošila. Načini rada prikazani su na slici 7.
Foto: Schrack Technik
Na slici 8 je pak prikazana situacija da je plovilo, vozilo ili zgrada priključena na javnu mrežu. Razlika prema do sada ukazanom je samo u tome da ovaj sustav može vraćati energiju u javnu mrežu. No ta se opcija jednostavno neće koristiti ako se radi o plovilu ili vozilu. Ako se radi o zgradi i ima se u sustavu višak energije, tada se može višak energije predati (prodati!) natrag u mrežu.
Foto: Schrack Technik
Na slici 9. i 10. prikazan je izmjenjivački rad dvosmjernog pretvarača u ispravnom stanju trošila i u slučaju kvara na trošilu tj proboja vodiča na metalno kućište trošila. Ako struja „pobjegne“ zbog kvara proradit će RCD sklopka i čovjek je zaštićen. Sve dok kvar na trošilu ne bude otklonjen neće se moći uključiti RCD sklopka. Neka se primijeti kako u dvosmjernom pretvaraču postoje dva releja: FB relej i GND relej. Ako je ulaz dvosmjernog pretvarača bez izmjeničnog napona, dakle plovilo ili vozilo je u vožnji i odspojeno od priključnice, tada pretvarač radi u izmjenjivačkom načinu rada, FB relej je otvoren i GND relej je zatvoren. Situacija je potpuno ista već opisanoj na slikama 4. i 5.
Foto: Schrack Technik
Foto: Schrack Technik
No ako dvosmjerni pretvarač ima na AC ulazu neki izvor izmjeničnog napona, recimo mrežu s obale ili brodski generator, tada pretvarač radi ili u Power control ili u Power assist načinu rada.
Pri postojanju napona na AC ulazu dvosmjernog pretvarača potrebno je razdvojiti N i PE priključke izlaza pretvarača i to se događa automatski, GND relej se otvara, a zatvara se FB relej koji dopušta ulaz izmjeničnog napona u uređaj. Pri tome se izlazni napon dvosmjernog pretvarača, dakle njegovog izmjenjivača, sinkronizira vremenski i spaja s pomoćnim izvorom, generatorom ili mrežom. Slika 11. prikazuje ispravno stanje instalacije i tok struje u njoj.
Foto: Schrack Technik
Foto: Schrack Technik
Uz izvor izmjeničnog napona na AC ulazu dvosmjernog pretvarača N vodič je već negdje pri izvoru „pritegnut“ na potencijal PE i ne smije se na AC izlazu dvosmjernog pretvarača još jednom spojiti N i PE vodič. To je situacija istovjetna kao i u kućnim instalacijama. Jednom razdvojeni N i PE vodič iz zajedničkog dolaznog PEN vodiča (razdvojeni su prije prve RCD sklopke u kući) ne smiju se više spajati u kućnoj instalaciji. Stručno to se kaže kada jednom instalacija pređe iz TNC izvedbe u TNS izvedbu, više se ne smije kasnije u instalaciji ponovnim spajanjem N i PE vodiča stvoriti ponovno TNC sustav.
Ponovno spajanje N i PE vodiča (to odgovara stanju kada GND relej ne bi bio otvoren uz prisustvo mreže) dovest će do nepotrebnog isklopa RCD sklopke pri izvoru i u stanju bez stvarnog kvara na trošilu. Time slijedno i do isključenja napona na ulazu dvosmjernog pretvarača, slika 13. Ovo isključenje je nepotrebno jer je trošilo ispravno, ali spoj bi jednostavno raspodijelio dio struje preko N vodiča, a dio struje preko zatvorenog GND releja. Dvosmjerni pretvarač sam upravlja otvaranjem i zatvaranjem FB i GND releja. Uvijek kada je izmjenični napon prisutan na ulazu dvosmjernog pretvarača otvara se RCD relej i zatvara FB relej. Kada nestane izmjenični napon na ulazu dvosmjernog pretvarača otvara se FB relej i zatvara GND relej. Pazeći na opisani redoslijed otvaranja i zatvaranja neće doći do nepotrebne prorade kombiniranog zaštitnog prekidača. Naravno upravljanje ovim relejima ili sklopnicima u većim jedinicama je automatsko i već ugrađeno u uređaj i o njemu se ne mora posebno brinuti!
Zaključak
Ponovljena su osnovna znanja o djelovanju RCD zaštitne sklopke. Razmotreno je kako se RCD sklopka kao zaštita od strujnog udara zbog izravnog i neizravnog dodira dijelova pod naponom primjenjuje u sustavima napajanja u plovilima i vozilima (naravno i u zgradama!). Objašnjeno je ponašanje sustava napajanja s autonomnim izmjenjivačem i sustava napajanja s dvosmjernim pretvaračem. Potrebno je razumijevanje djelovanja ove učinkovite zaštite kako se „kreativnošću“ izvođača ne bi narušila zaštita ili se dobilo nepotrebno prorađivanje zaštite.
Za sljedeći nastavak ostavljamo još nekoliko važnih informacija o RCD sklopki, to su vrste RCD sklopki, spoj u kombinaciji s galvanskim izolatorm i odvojnim transformatorom i još ponešto.
Na ovih par stranica ne može se reći sve što se želi i stoga je upitno da li je sve i rečeno na dovoljno jasan i precizan način. Ne zaboravite da instalacije koriste ljudi i zato nakon vlastitog proučavanja uvijek potražite savjet ovlaštenog projektanta ili tvrtke koja se bavi instalacijama i za to ima osvjedočene, obučene i ovlaštene djelatnike.
Tekst je nastao u Schrack Technik d.o.o., a moguća pitanja naslovite na [email protected]
