Porażenie prądem elektrycznym jest podstawowym zagrożeniem, na które narażeni są użytkownicy urządzeń i instalacji zasilanych z sieci elektroenergetycznej. Dlatego ważne jest zachowanie bezpieczeństwa jej użytkowania poprzez zastosowanie środków ochrony przeciwporażeniowej.

Ochronę przeciwporażeniową można zdefiniować jako „zespół środków technicznych, które mają na celu zapobiec przepływowi prądu elektrycznego przez organizm lub ograniczyć jego wartość i czas przepływu do wartości nieszkodliwych dla życia”.

Ochrona przeciwporażeniowa

Przepływ prądu elektrycznego przez ciało człowieka powoduje powstanie w organizmie zmian szkodliwych dla zdrowia lub niebezpiecznych dla życia. Zjawisko to nazywa się porażeniem elektrycznym. Stosunkowo małe zagrożenie występuje przy urządzeniach zasilanych z baterii lub akumulatorów (sprzęt przenośny), co nie znaczy, że w urządzeniu nie może występować napięcie niebezpieczne dla życia (np. w starych przenośnych telewizorach występuje napięcie ok. 25000 V).

Ocenia się, że prąd rażeniowy o wartości do 0,5 mA (miliampera) nie jest odczuwalny i nie wywołuje ujemnych skutków, nawet przy długotrwałym przepływie. Prądy o natężeniu 10-15 mA powodują odczuwalne oddziaływanie, ale wywołują odruch samouwolnienia, czyli jest to zakres, w którym prąd rzeczywiście „kopie”, powodując mimowolny skurcz mięśni i gwałtowny ruch prowadzący przeważnie do uwolnienia od oddziaływania prądu.

Górna wartość prądu przemiennego, niewywołująca zatrzymania pracy serca, wynosi ok. 30 mA. Oczywiście podane wartości są wartościami przybliżonymi i zależą od indywidualnych uwarunkowań oraz od drogi przepływu prądu przez ciało człowieka. Szczególnie niebezpieczna sytuacja występuje, gdy na drodze przepływu znajduje się serce. Wtedy nawet prądy o mniejszej wartości mogą wywołać jego zatrzymanie.

Ochrona przeciwporażeniowa – rodzaje

W instalacjach niskiego napięcia wyróżnia się cztery podstawowe rodzaje ochrony przeciwporażeniowej:

• Ochrona podstawowa, przed dotykiem bezpośrednim – zapewniana przez odpowiednią izolację podstawową i obudowy lub barierki uniemożliwiające zetknięcie się z częściami czynnymi będącymi pod napięciem w warunkach normalnej pracy.
• Ochrona przy uszkodzeniu, przed dotykiem pośrednim, której zadaniem jest zapewnienie dodatkowej ochrony użytkownika w przypadku uszkodzenia izolacji podstawowej i możliwości pojawienia się napięcia na elementach przewodzących urządzeń elektrycznych.
• Ochrona przez zastosowanie bardzo niskiego napięcia – urządzenia zasilane napięciami do 12 V.
• Ochrona uzupełniająca – jej zadaniem jest ochrona ludzi i zwierząt przed porażeniem prądem elektrycznym w przypadku uszkodzenia środków ochrony podstawowej i/lub ochrony przy uszkodzeniach.

Prawidłowo zaprojektowana ochrona przeciwporażeniowa powinna składać się z odpowiedniej kombinacji dwóch elementów – środka ochrony podstawowej oraz dodatkowego środka ochrony przy uszkodzeniu jako drugiej linii ochrony w przypadku uszkodzenia izolacji podstawowej – roboczej.

Podstawowym środkiem ochrony przed dotykiem bezpośrednim jest izolowanie części pod napięciem poprzez użycie odpowiednich materiałów izolacyjnych odpornych na długotrwałe narażenia związane z temperaturą, starzeniem się i wstrząsami występującymi w czasie eksploatacji urządzeń. Drugim z podstawowych środków są różnego rodzaju osłony lub obudowy. Obudowy pełnią ważną rolę w ochronie przeciwporażeniowej i dlatego nie należy lekceważyć znajdujących się na nich ostrzeżeń nakazujących odłączenie urządzenia od zasilania przed zdjęciem obudowy.

W przypadku, gdy niemożliwe jest użycie wspomnianych wyżej środków, urządzenie elektryczne umieszcza się poza zasięgiem bezpośredniego dotyku oraz zabezpiecza się dostęp do niego za pomocą odpowiednich przegród lub przesłony. Dwie części uważa się za jednocześnie dostępne, jeśli znajdują się one w odległości od siebie nie większej niż 2,5 m.

Ochronę przed porażeniem prądem elektrycznym przy uszkodzeniu (tzw. ochrona przed dotykiem pośrednim) uzyskujemy między innymi poprzez zastosowanie urządzeń powodujących samoczynne, szybkie wyłączenie zasilania urządzenia w przypadku, gdy na obudowie lub dowolnej dostępnej części tego urządzenia pojawi się niebezpieczne napięcie dotykowe, które mogłoby spowodować, w przypadku dotknięcia przez człowieka, przepływ prądu rażeniowego wywołującego niebezpieczne skutki.

Dla przykładu czas wyłączenia urządzenia o napięciu znamionowym 230 V, w przypadku pojawienia się na jego obudowie napięcia zmiennego 50 V, powinien być nie dłuższy niż 0,4 s. Urządzeniami tymi są – w zależności od układu sieci elektrycznej – bezpieczniki, wyłączniki nadmiarowo-prądowe lub też wyłączniki różnicowoprądowe.

By urządzenia zabezpieczające prawidłowo zadziałało – tzn. by obwód został natychmiast wyłączony, w momencie, gdy na przewodzących elementach obudowy pojawi się napięcie – przewodząca obudowa urządzenia połączona jest dodatkowym przewodem uziemiającym ze stykiem ochronnym znajdującym się we wtyczce urządzenia lub też w przypadku urządzeń stacjonarnych połączona jest przewodem z siecią uziemiającą. Styk ochronny w gniazdku, w przypadku starszych instalacji elektrycznych opartych o wykorzystanie dwóch przewodów (układ typu TN-C), połączony jest z przewodem neutralnym, który w tym przypadku pełni również rolę przewodu ochronnego.

W momencie uszkodzenia izolacji urządzenia i pojawienia się na jego obudowie niebezpiecznego napięcia obwód zamyka się poprzez uziemienie/przewód ochronno-neutralny i w obwodzie płynie prąd zwarciowy. Prąd ten powoduje zadziałanie bezpiecznika (przepalenie wkładki lub zadziałanie elektromagnesu rygla) i w efekcie odłączenie napięcia od uszkodzonego odbiornika.

W przypadku obecnie stosowanych instalacji elektrycznych opartych o trzy przewody (układ typu TN-C-S) styk ochronny, a poprzez niego obudowa urządzenia, połączona jest z uziemionym przewodem ochronnym. Takie rozwiązanie umożliwia zastosowanie w chronionym obwodzie wyłączników różnicowoprądowych.

Izolacja

Do rozwiązań określanych jako ochrona przed porażeniem prądem elektrycznym przy uszkodzeniu zaliczane jest również zastosowanie podwójnej izolacji urządzeń. W tym przypadku oprócz izolacji podstawowej w urządzeniu stosuje się izolację dodatkową, zazwyczaj w postaci obudowy urządzenia wykonanej z materiału izolacyjnego.

W przypadku uszkodzenia izolacji podstawowej urządzenia rozwiązanie to eliminuje możliwość pojawienia się na jego obudowie niebezpiecznego napięcia. Urządzenia tak chronione łatwo można poznać po wtyczkach zasilających bez styków ochronnych oraz po specjalnym symbolu na obudowie urządzenia: dwóch kwadratów (mniejszego i większego) umieszczonych jeden w drugim.

Separacja elektryczna

Kolejnym sposobem ochrony przed porażeniem prądem elektrycznym przy uszkodzeniu jest zastosowanie separacji elektrycznej. Urządzenia zasilane są wtedy przez specjalne, zazwyczaj przenośne, transformatory separacyjne o wzmocnionej izolacji między uzwojeniami, z tymże jeden transformator może zasilać tylko jedno urządzenie. W takim przypadku przy wystąpieniu zwarcia do obudowy chronionego urządzenia – w razie dotknięcia go przez człowieka – przez jego ciało popłynie jedynie niewielki prąd rażeniowy.

Jest to spowodowane tym, że obwód elektryczny w tym przypadku zamyka się tylko przez pojemność przewodów oraz ich rezystancję. Aby rozwiązanie to było skuteczne, łączna długość przewodów zasilanych z jednego transformatora nie powinna być większa niż 500 m. Jest to rozwiązanie stosowane dość rzadko w Polsce, za wyjątkiem stoczni, natomiast powszechne stosowane jest na budowach, np. w UK, gdzie dodatkowo jeszcze stosuje się transformatory obniżające napięcie z 230 V do 110 V oraz specjalnie przystosowane do napięcia 110 V narzędzia elektryczne.

Zadaniem ochrony uzupełniającej przed porażeniem prądem elektrycznym jest ochrona ludzi i zwierząt przed porażeniem prądem elektrycznym w przypadku uszkodzenia środków ochrony podstawowej i/lub ochrony przy uszkodzeniach oraz w przypadku nieostrożności użytkowników instalacji. Najczęściej w tym celu stosuje się wspomniane wyłączniki różnicowoprądowe o znamionowym prądzie różnicowoprądowym nieprzekraczającym 30 mA, a także – poprzez wykonanie dodatkowych połączeń – wyrównawcze ochronne pomiędzy przewodzącymi elementami wyposażenia pomieszczeń.

Zaletą wykonania dodatkowych połączeń wyrównawczych jest fakt, że po pojawieniu się napięcia na jednym z urządzeń (w wyniku uszkodzenia izolacji) nie dojdzie do porażenia użytkownika, ponieważ dzięki metalicznemu połączeniu wszystkich elementów przewodzących pojawi się na nich takie same napięcie, czyli nie będzie spełnionego warunku różnicy potencjałów niezbędnych, aby przez ciało człowieka przepłynął prąd elektryczny.