ÚVOD
Elektrické rozvody nízkého napětí jsou posledním, avšak z hlediska uspokojení našich potřeb velmi důležitým, článkem distribuce elektrické energie.
S ohledem na požadovanou spolehlivost dodávky elektrické energie v objektech strategického významu jako jsou například nemocnice, telekomunikační budovy, banky a úřady státní správy je nutné řešit i náhradní napájení ze záskokových zdrojů. Protože výkon záskokových zdrojů není projektován na plné pokrytí energetických potřeb objektu a je využíván jen pro zajištění činnosti nezbytně nutných zařízení, je nutné během výpadku energetické sítě přejít na energeticky úsporný režim a některé spotřebiče odpojit.
V režimu záskokového napájení výrazně stoupá význam dobré regulace odběru elektrické energie ze záskokových zdrojů a pro zajištění stabilního provozu jak záskokového energetického zdroje tak i ostatních částí elektrického rozvodu je důležité mít přehled o okamžitém zatížení a jeho trendech ve významných odběrných místech. V dřívějších dobách nebyla tomuto problému až na výjimky věnována příliš velká pozornost, neboť spotřebičů, vyžadujících nepřetržité napájení nebylo tak velké množství jako nyní a problém bylo možné často řešit předimenzováním výkonu záskokového zdroje. Současné ekonomické tlaky, množství zařízení (počítače) a variabilita zatížení elektrické sítě vyžadují daleko pružnější přístup k řešení tohoto problému. Proto projektování a realizace moderních energocenter a rozvodů elektrické energie je i na úrovni nízkého napětí symbiózou klasické silnoproudé elektrotechniky a regulační techniky.
Velice pružně se těmto trendům přizpůsobují i výrobci elektrických přístrojů, kteří rozšiřují základní funkce ochranných, jisticích a spínacích přístrojů o další skupinu přídavných funkcí tak, aby bylo možné tyto přístroje začlenit do distribuovaných systémů lokálního ovládání a regulace dodávky elektrické energie. Nejvýrazněji je tento trend patrný v oblasti výkonových jističů.

VÝVOJOVÉ GENERACE JISTIČŮ
Klasické jisticí přístroje prošly v posledních 15 letech bouřlivým vývojem a došlo u nich k rozsáhlému využití elektroniky, zajišťující jak základní jisticí funkce, tak i přídavné funkce pro měření parametrů jištěného obvodu a jejich předávání do nadřazených řídicích systémů. V prvé generaci byly pro měření a vyhodnocení sledovaných veličin využívány analogové obvody (80. léta 20. století), s rozvojem informačních technologií byly od počátku 90. let 20. století aplikovány obvody digitální. Právě využití digitálních obvodů (rychlé analogově-číslicové převodníky, mikroprocesory atd.) otevřelo cestu pro začlenění této skupiny přístrojů do distribuovaných systémů řízení a ovládání toku elektrické energie. V souvislosti s aplikací elektronických obvodů bylo nutné vyřešit i řadu problémů v oblasti elektromagnetické kompatibility a spolehlivosti, které podmiňovaly jejich praktické nasazení.
Mimo elektronických obvodů byla vyvíjena i vhodná čidla proudu. V prvé a druhé generaci elektronických jističů to jsou klasické měřicí transformátory proudu s listěnými jádry (obr.1), které umožňovaly jak měření procházejícího proudu, tak i napájení elektronických obvodů spouště (běžně od 40% jmenovitého proudu).

Klik pro větší náhled.
Obr.1 Měřicí proudový transformátor osazený na výstupní sběrnici jističe

Ve třetí generaci se pro rozšíření pracovního rozsahu jističe ( větší rozsah nastaveného proudu) začalo používat dvou systémů transformátorů na každé měřené proudové dráze. Pro napájení elektronických obvodů spouště a vybavovacího relé je použit klasický měřicí transformátor proudu s listěným jádrem, pro přesné měření ve velkém rozsahu proudů je použita Rogowského cívka (obr.2).

Klik pro větší náhled.
Obr.2 Provedení Rogowského cívky pro měření proudu, protékajícího vodičem

Magnetizační charakteristika feromagnetického materiálu listěného jádra umožňuje navrhnout proudový transformátor tak, aby elektronické obvody pracovaly již při malých proudech, protékajících jističem. Naproti tomu magnetizační charakteristika vzduchového jádra Rogowského cívky je v širokém rozsahu proudů lineární.
Určitým nedostatkem tohoto řešení je malé výstupní napětí Rogowkého cívky (cca 1mV/A), (obr.3).

Klik pro větší náhled.
Obr.3 Magnetizační charakteristiky feromagnetického materiálu listěného jádra měřicího transformátoru proudu a vzduchového jádra Rogowského cívky

S ohledem na aplikaci elektronických elementů ve vyhodnocovacích jednotkách a spouštích jističů lze vysledovat do současné doby 3 generace přístrojů.
Za nultou generaci lze považovat jističe bez elektroniky, pracující na principu přímého působení proudově závislého (nejčastěji bimetalového) a proudově nezávislého (elektromagnetického) akčního členu. Principální schéma tohoto typu jističe je na obr.4.

Klik pro větší náhled.
Obr.4 Principální uspořádání jističe nulté generace s přímým působením akčních členů na volnoběžku spínacího sytému

ELEKTRONICKÉ JISTIČE 1. GENERACE
Elektronické jističe prvé generace lze charakterizovat analogovým vyhodnocováním proudu tekoucího proudovou dráhou jističe. Proud byl měřen měřicími transformátory proudu s listěným jádrem, které zároveň napájely elektronické vyhodnocovací obvody a aktuátor spouště. Elektronické obvody umožňovaly vyvedení analogových signálů pro dálkové měření a signalizaci stavu jističe. Doplňkové obvody pro dálkové monitorování stavu jističe vyžadovaly externí napájecí zdroj. Blokové schéma jističe 1. generace je uvedeno na obr.5.

Klik pro větší náhled.
Obr.5 Blokové schéma elektronického jističe prvé generace

ELEKTRONICKÉ JISTIČE 2. GENERACE
Elektronické jističe druhé generace jsou charakteristické použitím mikroprocesorové techniky a digitálním zpracováním měřeného proudu. Základními obvody těchto jističů jsou převodník analogového signálu proudových transformátorů na digitální tvar a řídicí mikropočítač zajišťující vyhodnocení protékajícího proudu a aktivaci vypínacího relé v okamžiku vypínání jističe.
Komunikační rozhraní řídicího počítače umožňuje výměnu dat s nadřazeným řídicím systémem po sériové sběrnici. Napájení elektronických obvodů zajišťujících základní funkce jističe (jištění proti nadproudu a zkratu) je z měřicích transformátorů proudu, komunikační rozhraní a trvale pracující měřicí obvody jsou napájeny z externího zdroje. Blokové schéma jističe druhé generace je na obr.6.

Klik pro větší náhled.
Obr.6 Blokové schéma jističe druhé generace

ELEKTRONICKÉ JISTIČE 3. GENERACE
Elektronické jističe třetí generace se z hlediska použití digitální technologie příliš neliší od druhé generace. Významnou změnou v této generaci jističů je oddělení napájení základních elektronických obvodů, zajišťujících autonomní funkci jističe a měřicích převodníků proudu. Obě tyto funkce byly u druhé generace řešeny jedinými (v každé fázi) měřicími transformátory proudu. Ve třetí generaci jsou v každé proudové dráze použity dva proudové transformátory. Prvý proudový transformátor je v klasickém provedení s listěným jádrem a je použit pro napájení elektronických obvodů. Druhý proudový transformátor má tvar toroidního vinutí se vzduchovým jádrem – Rogowského cívky (viz obr.2). Rogowského cívka má sice malé výstupní napětí v porovnání s klasickým proudovým transformátorem s feromagnetickým listěným jádrem, její magnetizační charakteristika je však ve velkém rozsahu proudů lineární a proto je použitelná bez úprav v širokém rozsahu měřených proudů.
Součástí elektronických jednotek těchto jističů je již komunikační rozhraní umožňující po doplnění přizpůsobovacího modulu zařadit jistič do distribuovaného řídicího systému s některou ze standardizovaných sběrnic (např. PROFIBUS). K dispozici jsou i přizpůsobovací moduly a příslušné programové vybavení pro komunikaci po sítích INTRANET. Podle vybavenosti poskytují řídicí jednotky jističů třetí generace několik úrovní informací. Jsou to:

Úroveň 1 – poskytování základních informací o stavu jističe
Úroveň 2 – datová komunikace
Úroveň 3 – komunikace po lokální sběrnici
Úroveň 4 – ovládání a diagnostika v sítích vyšší úrovně

Blokové schéma jističe třetí generace je na obr. 7.

Klik pro větší náhled.
Obr.7 Blokové schéma jističe třetí generace s oddělenými napájecími a měřicími transformátory proudu

APLIKACE JISTIČŮ DRUHÉ A TŘETÍ GENERACE V ROZVODNÝCH SYSTÉMECH
Komunikační schopnosti jističů 2. a 3. generace umožňují jejich přímé nasazení v „inteligentních" systémech distribuce elektrické energie. Dálkové měření, nastavování parametrů a ovládání stavu jisticích přístrojů umožňuje efektivnější využívání energetických rozvodů a zvýšení úrovně jejich stability.
Nejvýrazněji se vlastnosti moderních elektronických jističů mohou projevit v napájecích sítích nejvyšší důležitosti, na nichž závisí lidské životy nebo velké materiální hodnoty. To se týká například provozu sítí nepřetržitého napájení v nemocnicích, telekomunikačních centrech či státních a finančních institucích.
Typickým příkladem může být stoupací vedení napájené ze zdroje UPS s řadou odbočení, u nichž jmenovitý součtový proud jednotlivých odboček převyšuje jmenovitý proud výstupního jističe zdroje UPS. Zatížení jednotlivých odboček se může v čase měnit a proto je důležité sledovat celkové zatížení zdroje UPS a v případě hrozícího výpadku jističe stoupacího vedení provést připravené regulační zásahy. Při použití klasických jističů by úloha byla řešitelná přídavnou měřicí a komunikační jednotkou (obr. 8), s vlastními měřicími proudovými transformátory.

Klik pro větší náhled.
Obr.8 Doplňková měřicí a komunikační jednotka ke klasickým jističům

Použití jističů třetí generace umožňuje elegantní řešení problému bez nároků na větší množství přídavných zařízení. Schématické uspořádání části rozvodu s nepřetržitým napájením při použití jističů třetí generace je znázorněno na obr.9.

Klik pro větší náhled.
Obr.9 Schéma rozvodu ze zdroje nepřetržitého napájení vybaveného jističi třetí generace propojených datovou sítí s centrálním řídicím počítačem

DISTRIBUOVANÝ SYSTÉM S PŘÍSTROJOVÝM VYBAVENÍM DODÁVANÝM FIRMOU SCHRACK
Systém s jističi třetí generace lze realizovat s komponenty dodávanými firmou SCHRACK. Kompletní sestava jednoho jištěného místa se skládá z

• Výkonového jističe řady MC 2 až MC4 (jistič musí být vybaven elektronickou spouští)
• Jednotky rozhraní jističe DMI
• Jednotky komunikačního rozhraní DVP 1 pro sběrnici PROFIBUS
• Napájecím zdrojem pro DMI
• Parametrizačním softwarem MC-XPC-Kit

Struktura distribuovaného systému je znázorněna na obr.10.

Klik pro větší náhled.
Obr.10 Struktura komunikačních elementů pro distribuovaný systém monitorování a ovládání jističů

Jednotlivé součásti systému jsou vyobrazeny na obrázcích 11 až 13.

Obr.11 Jistič řady MC s elektronickou spouští

Klik pro větší náhled.
Obr.12 Rozhraní DMI

Legenda:
1 – Vstup napájení
2 – 6 logických vstupů
3 – Rozšiřující rozhraní
4 – Indikační LED
5 – Klávesnice
6 – Konektor pro připojení jističe nebo PC
7 – 6 logických výstupů
8 – Displej

Klik pro větší náhled.
Obr.13 Rozšiřující modul DPV 1 pro komunikaci rozhraní DMI po sběrnici PROFIBUS

Legenda:
1 – Devítipólový SUB-D konektor sběrnice PROFIBUS DP
2 – Vstup napájení 24V DC
3 – Identifikační štítek
4 – Indikační LED komunikace
5 – Indikační LED napájení
6 – Konektor rozšiřujícího rozhraní EASY-LINK

ZÁVĚR
Prolínání moderních informačních technologií s klasickými přístroji silnoproudé elektrotechniky nabízí velké možnosti při projektování moderních energetických rozvodů s vysokou mírou spolehlivosti a ovládacího komfortu.
Klade však také vyšší nároky na vývojáře, projektanty a konečné uživatele těchto moderních systémů během jejich návrhu, výstavby a provozování.
Konečným ziskem je pak vysoce variabilní, spolehlivý a provozně hospodárný systém dodávky elektrické energie na úrovni nízkého napětí.

Doc. Ing. Pavel Mindl, CSc.

POUŽITÁ LITERATURA
[1] Firemní materiály firmy SCHRACK
[2] Mindl, P.: Studie sítě nepřetržitého napájení technologického zařízení telefonní a telegrafní ústředny SPT TELECOM, Praha, srpen 1997