Práce projektanta elektrických zařízení je komplexní činnost, která vyžaduje jak znalost právních předpisů a technických norem, tak znalost technických vlastností zařízení a materiálů. Výsledné řešení musí být technicky co nejlepší a zároveň musí splňovat požadavky investora na cenu. Na rozdíl od práce revizního technika, který pracuje s již hotovou instalací a jeho úkolem je posouzení bezpečnosti, projektant navrhuje nové řešení.

Mezi základní výpočty patří impedance obvodů a na to navazující výpočty zkratových proudů, dále rozložení zátěží a proudů v instalaci a rovněž i posouzení mezí úbytků napětí. Vzhledem k rozsahu činností, stálým změnám a omezenému času se samozřejmě v co největším rozsahu využívá výpočetní technika. Při použití vhodných programů se ušetří mnoho času a výsledky je možné použít i jako část projektové dokumentace.


Výpočty zkratových proudů v instalacích nn
Naprostá většina instalací u nás se provozuje v sítích TN, sítě TT na jižní Moravě představují jen zlomek celkového počtu instalací a postupně se i zde přechází na sítě TN. Sítě IT se používají výjimečně tam, kde je vyžadována co nejvyšší spolehlivost napájení, protože k vybavení nadproudového jisticího přístroje dochází až při druhé poruše. Bezpečnostní podmínky pro všechny druhy sítí jsou dány normou ČSN 33 2000-4-41.

Pokud mluvíme o výpočtech zkratů, pak je nutné rozlišovat dva případy. V blízkosti zdrojů se při zkratu generují velké zkratové proudy obvykle v řádech desítek tisíc ampér a jisticí přístroje musí vyhovět z pohledu zkratové odolnosti. Jinak se na tu samou instalaci díváme, pokud máme vyhovět podmínkám bezpečného odpojení ve stanoveném čase. Aby byly splněny základní požadavky bezpečnosti podle ČSN 33 2000-4-41, musí být v případě zkratu mezi živou částí a ochranným vodičem zajištěno dostatečně rychlé odpojení od napájení. Tím je zaručeno, že se na neživé části trvale nevyskytuje napětí vyšší, než je mezní dotykové napětí, povolené pro dané podmínky. Pokud to není možné, nebo v případech složitějších vnějších vlivů, je navíc nutné provést opatření pro zvýšení ochrany pomocí doplňkového pospojování, které sníží hodnotu trvalého dotykového napětí. Další možností je použití proudového chrániče, jehož citlivost zajistí splnění podmínek prakticky ve všech případech (ale nelze zapomínat na úbytky napětí při provozu). Tam kde se vyskytují laici (vnější vliv BA1), je pro zajištění doplňkové ochrany nutné použít chrániče s citlivostí 30mA. Hledisko bezpečnosti osob je samostatná problematika a věnují se jí další příspěvky.

V závislosti na tom, v jaké části instalace se nacházíme, se mění i nároky na přesnost výpočtů. Obecně vzato je samozřejmě nutné zajistit co nejlepší přesnost výpočtů, ale z pohledu reálného chování obvodu při vzniku poruchy nemůžeme nikdy přesně říci, jak bude skutečná porucha probíhat a že skutečnost bude přesně odpovídat vypočteným hodnotám. Skutečný zkrat většinou nezpůsobí ideálně vodivé spojení dvou vodivých částí, ale vzniká jako sled několika jevů a často má charakter nedokonalého spoje, vznik obloukového zkratu, atd. Jistá nepřesnost proto není příliš na závadu, pokud je ovšem postupem zaručeno, že se s výsledky, i se započítáním chyb, dostáváme na stranu vyšší bezpečnosti.

U velkých výkonů a v bezprostřední blízkosti zdrojů (obvody vlastní spotřeby v elektrárnách, velké rozvodny, obvody v bezprostřední blízkosti zdrojů) se provádí detailní výpočet s respektováním všech složek impedance. Normou ČSN 33 3020 definované složky impedance pro jednofázové a dvoufázové zkraty jsou: Z₍₀₎ – netočivá složka, Z₍₁₎ – sousledná složka a Z₍₂₎ – zpětná složka. Impedance poruchové smyčky  Z_sv (podle ČSN 33 2000- 4-41) je  ovlivněna součtem těchto tří složek.  Pro ruční výpočty se tyto parametry nepoužívají, ale většina výpočtových programů je využívá ve svých algoritmech.

Výpočtem poměrů při zkratech v trojfázové soustavě se zabývají normy ČSN 33 3020 a ČSN 33 3022. Výpočet lze provádět s poměrnými (procentními) hodnotami impedancí nebo se skutečnými hodnotami. Postup výpočtu se skutečnými hodnotami impedancí uvedeme jen pro ilustraci a vypadá takto:

• Síť, v níž se mají určit zkratové poměry, se znázorní tzv. výchozím schématem, v němž se vyznačí všechny provozní stavy.
• Označí se místa, v nichž se budou počítat zkratové poměry.
• Určí se (vypočtou se) impedance jednotlivých prvků soustavy. Impedance jednotlivých prvků soustavy se pak přepočtou na vztažné napětí, obvykle odpovídající jmenovitému napětí v místě zkratu (vztažné napětí je voleno pro celou soustavu jednotně).
• Pro výpočet souměrných (třífázových) zkratů je nutné určit sousledné složky impedance, pro výpočet nesouměrných zkratů (dvoufázových, jednofázových) je třeba znát také zpětné složky impedance a netočivé složky impedance prvků elektrizační soustavy.
• Sestaví se náhradní schémata pro složkovou soustavu souslednou, zpětnou a netočivou.
• Výpočetními metodami - u jednodušších konfigurací sítě postupným zjednodušováním, u složité sítě s větším počtem uzlů pomocí počítače se stanoví výsledná zkratová impedance daného místa zkratu.
• Vypočítá se zkratový proud jakožto proud ekvivalentního napěťového zdroje a zkratové impedance.

V běžných podmínkách instalací se postupuje jednodušším způsobem a pracuje se jen s impedancí vyjádřenou reálnou a imaginární složkou (R, X). Na další úroveň zjednodušení je možné přistoupit u koncových obvodů s relativně velkými impedancemi v řádech desetin až jednotek ohmů, kde převažuje činná složka R a vliv imaginární X složky se zanedbává.

Poznámka: V této souvislosti je možné zmínit, že většina moderních revizních přístrojů sice udává měření impedance, ale ve skutečnosti neměří impedanci pomocí střídavého proudu, ale pouze činný odpor smyčky poruchového proudu (viz údaje v manuálech měřicích přístrojů, např. jako R_schl). Vzhledem k chybě měření se jedná přijatelné zjednodušení. Důvodem tohoto řešení měření kladnou nebo zápornou půlvlnou je požadavek na nevybavení proudových chráničů při revizi.


Druhy zkratových poruch
Dojde-li ke spojení dvou vodičů s různým napětím, hovoříme o zkratu. Zkratem v síti rozumíme elektromagnetický přechodný děj, který vznikne náhlým zmenšením impedance mezi fázovými vodiči případně mezi fází a středním nebo ochranným vodičem. Příčinou chybného vodivého spojení může být chybná manipulace, mechanické poškození izolace, poškození kabelu při zemních pracích apod., její přirozené znehodnocování např. vlhkostí nebo je důsledkem zvýšeného namáhání při spínacích pochodech. Zkrat způsobující zmenšení impedance má za následek okamžité zvětšení proudu na mnohonásobek normálního provozního proudu, jehož hodnota závisí na napětí a impedanci. Zkratový proud dosahuje hodnot v rozmezí tisíců až desetitisíců ampér a svými dynamickými (silovými) a tepelnými účinky ohrožuje všechny prvky instalace a elektrizační soustavy, kterými protéká.

Podle způsobu zatěžování jednotlivých vodičů třífázové soustavy při zkratech (resp. jejího zdroje) rozeznáváme zkraty symetrické, neboli souměrné (třífázové, případně třífázové zemní) a zkraty nesouměrné (dvoufázový, dvoufázový zemní, jednofázový) jak je naznačeno obrázcích.


Z hlediska dimenzování elektrických sítí dle ČSN je významný případ 3fázového symetrického zkratu, při kterém vzniká největší zkratový proud. Opačným případem je 1fázový zemní zkrat s velkou impedancí smyčky poruchového proudu, kde díky malému zkratovému proudu může být čas odpojení poruchy značně dlouhý a po tuto dobu se na neživých částech vyskytuje nebezpečné napětí.



Obecné schéma pro výpočet zkratových proudů ve střídavých sítích nn
Výchozím parametrem pro výpočty zkratových proudů je impedance soustavy. Výpočet impedance celého obvodu se provádí jako samostatný součet všech reálných a samostatných imaginárních složek jednotlivých komponentů soustavy. Na základě zjištěného výsledku je možné vypočítat předpokládané hodnoty zkratových proudů, které jsou zásadní pro konstrukci rozvaděčů z hlediska jejich zkratové odolnosti a provést kvalifikovaný výběr vhodných jisticích přístrojů.


Výpočet impedance
Velikost poruchového proudu je dána vztahem [3]:

I_p= U_o / Z_p

Pro impedanci Z_p platí obecný vztah:


Impedance se vyjadřuje se jako absolutní hodnota z komplexního vyjádření činné
a imaginární složky.
R_T, X_T – rezistance R_T, reaktance X_T, složky impedance zdroje, obvykle transformátoru [Ω],
L₁, L₂, … L_n – délky jednotlivých vedení, která vytvářejí smyčku poruchového proudu [m],
S_f1, S_f2, … S_fn; S_PE1, S_PE2, … S_PEn – průřezy fázových vodičů a průřezy ochranných vodičů, resp. vodičů PEN jednotlivých vedení, která vytvářejí smyčku poruchového proudu [mm²];
ρ _Cu – rezistivita měděných vodičů jednotlivých vedení [Ω mm²/m], obvykle se předpokládá ρ _Cu = 0,018Ω mm²/m. Pokud by však některé (nebo některá) vedení jako součásti smyčky byly jiného materiálu, např. z hliníku, dosazovaly by se pod odmocninu (kromě délek a průřezů měděných vodičů) ještě délky a průřezy vodičů z hliníku násobené rezistivitou hliníku ρ _Al,
λ – induktivní reaktance na jednotku délky vodiče [Ω /m]. Pokud nejsou známy přesnější údaje, je možno u kabelového vedení počítat s hodnotou λ  = 0,08mΩ /m bez ohledu na průřez,
U_o – fázové napětí naprázdno [V].
Popis podmínek pro nejběžnější použití jak pro revizní, tak projekční činnost, je podrobně popsán v Technické normalizační informaci k ČSN 33 2000-4-41 (TNI ČSN 33 2000-4-41). Vzhledem k poměrně velké pracnosti při započítání všech prvků instalace podle uvedeného postupu je možné s výhodou použít Praktické pomůcky pro elektrotechniky [2],[3].


Průběh zkratového proudu
Velkým zkratovým proudem se v prostoru elektrizační soustavy poruší rovnováha mezi magnetickým a elektrickým polem a do nového rovnovážného stavu přechází soustava přechodnými složkami proudu a napětí. Časový průběh zkratového proudu závisí na okamžiku vzniku zkratové poruchy. Tento průběh může vykazovat nesymetrii vůči časové ose s přítomností stejnosměrné složky. Čím blíže jsme ke zdroji, tím více se projeví X/R a začíná se projevovat i vliv stejnosměrné složky proudu. V naprosté většině případů se nenacházíme těsně v blízkosti zdroje (generátor) a proto mluvíme o tzv. vzdáleném zkratu. Průběh zkratového proudu je v tomto případě nesymetrický a se vzdáleností od zdroje se stále více blíží průběhu ustáleného zkratového proudu.


Pro dimenzování elektrických zařízení a nastavení ochran se definují tyto charakteristické hodnoty zkratového proudu:

• I_k" Počáteční rázový zkratový proud: tj. efektivní hodnota symetrického zkratového proudu bez stejnosměrné složky při vzniku zkratu.
• I_km (i_p) Nárazový zkratový proud: tj. první amplituda (vrcholová hodnota) nesymetrického  zkratového proudu se stejnosměrnou složkou. Je rozhodujícím kritériem při kontrole dynamického namáhání zařízení sítě. Poznámka: v novějších předpisech se pro I_km (uváděno v dřívějších ČSN) používá symbol i_p (převzato z IEC).
• I_tr  Vypínací zkratový proud (symetrický) a jeho stejnosměrná složka i_{a tr}. Je kritériem pro kontrolu dimenzování vypínačů a jističů.
• I_ke Ekvivalentní oteplovací proud: tj. efektivní hodnota ekvivalentního, neboli pomyslného symetrického (souměrného) zkratového proudu, který vyvolá za dobu trvání zkratu _tk stejné tepelné účinky jako skutečný nesymetrický zkratový proud se stejnosměrnou složkou. Je kritériem pro posouzení tepelného namáhání zařízení elektrizační soustavy.
• I_k Ustálený zkratový proud: tj. efektivní hodnota zkratového proudu (symetrického) po zaniknutí všech přechodných složek. U elektricky vzdálených zkratů (většina praktických případů) je roven počátečnímu rázovému zkratovému proudu I_k". U elektricky blízkých zkratů tj. v rozvodech v blízkosti zdrojů s velkými synchronními generátory je I_k < I_k" vlivem narůstající vnitřní reaktance synchronního stroje během doby trvání zkratu.

Napájecí síť
Naprostá většina instalací používá pro napájení transformátor. V tabulce 1 jsou uvedeny parametry běžně používaných transformátorů.



Porovnáním hodnot různých výrobců zjistíme, že rozdíly nejsou významné a stačí proto vycházet z uvedených údajů. Hodnota zkratového proudu je samozřejmě nejvyšší bezprostředně na svorkách transformátoru a se vzdáleností od transformátoru dále již jen klesá. Tomu odpovídá i použití jisticích přístrojů, jejichž vypínací schopnost musí odpovídat místu jejich instalace. Diskutovaný vliv stejnosměrné složky zkratového proudu je patrný jen v blízkosti transformátoru, kde je patrný vliv induktivní reaktance X (vyšší poměr hodnot X /R). S rostoucí vzdáleností se stále více projevuje vliv činné složky impedance R.

Pro zajištění napájení i v případě poruchy nebo odstávky transformátoru se používá záložní transformátor, případně generátor. Přepínání zdrojů je ruční, nebo automatické pomocí záskokového automatu, nicméně většinou dojde ke krátkodobému přerušení napájení v jednotkách sekund až minut. Ve zvláštních případech se zvýšenými požadavky na spolehlivost napájení se proto nasazují jednotky nepřerušovaného napájení (UPS).


Dimenzování vedení z hlediska zkratu
Vedení (vodiče a kabely) i přístroje zařazené v obvodu musí snést maximální zkratový proud, který se ve vedení může objevit. Je to proud, který vznikne v důsledku zkratu na začátku vedení, které předtím nebylo zatěžováno, takže se počítá s jeho minimálním elektrickým odporem. Na tyto maximální možné zkratové proudy, které jsou různé podle toho, v jakém místě sítě je počítáme, se ověřují jak vedení, tak přístroje. Kromě toho je nutno ověřit, zda jisticí přístroje jsou schopny zapůsobit i při nejmenších zkratových proudech, které v obvodu vzniknou. Vedení se ověřují z hlediska maximálních zkratových proudů.  Jako výchozí podmínku pro výpočty se používá vztah uvedený například v ČSN 33 2000-4-43 (čl. 434.3.2): √ t = k . S / I_k

t – doba trvání zkratu [s]
k – materiálová konstanta
S – průřez [mm²]
I_k – zkratový proud [A]

Jednoduchým převedením na jiný tvar vychází vztah, který je z hlediska porovnávání parametrů jističů a pojistek výhodnější: I_k².t = k.S

Jinými slovy, porovnáváme odolnost kabelu charakterizovaného statickými parametry k.S s hodnotami tzv. prošlé energie I².t  (Jouleův integrál I².t). V případě malých jističů a pojistek výrobci udávají hodnotu I².t ve svých katalozích ve formě grafů, takže není problém provést rychlou kontrolu pro uvažovanou hodnotu zkratového proudu. V praxi ovšem nemáme tolik času, abychom prováděli jednotlivé výpočty ručně a proto se stále více používají výpočtové programy. Jako příklad můžeme vzít postupy použité ve firemním programu Pavouk, který pracuje s podmínkami platných norem. V databázi programu je pro každý kabel uvedena hodnota krátkodobého výdržného proudu pro čas 0,1s, tj. I_cw(0,1s). Je to velikost zkratového proudu, která může kabelem procházet po dobu 0,1s, aniž by se kabel zahřál na teplotu vyšší než dovolenou teplotu při zkratu. A proč se tato hodnota udává pro dobu zkratu 0,1s ? To je totiž nejdelší doba, která je uvedená ve výrobkových normách pro jističe (např. ČSN EN 60 947-2), za kterou musí jističe odpojit zkrat a je to tedy i nejdelší doba průchodu předpokládaného zkratového proudu kabelem. Běžně však bývají doby trvání zkratu kratší. Dnes vyráběné jističe vypínají zkrat podstatně dříve než za 0,1s, malé jističe mají vypínací časy v jednotkách milisekund, výkonové jističe desítky milisekund. Výjimkou jsou výkonové jističe s elektronickými spouštěmi s možnosti časového zpoždění pro dosažení selektivity jističů. V tomto případě musí být porovnávány hodnoty I_cw , aby jistič nepropustil o obvodu vyšší energii, než je vodič schopen vydržet.

Veličina I_cw(0,1s) je odvozena z předpokladu, že veškeré teplo, které se vyvine průchodem zkratového proudu, také tento vodič absorbuje a ohřeje se jím. Tento předpoklad je oprávněn proto, že za krátkou dobu průchodu zkratového proudu nedojde k podstatnému přenosu tepla do okolí. V každém případě však chyba, která vznikne zanedbáním přenosu tepla do okolí, je na straně bezpečnosti. Skutečný proud by tedy mohl být i nepatrně vyšší než proud vypočítaný na základě uvedeného předpokladu. V programu se přepočítává reálný zkratový proud I_k" (počáteční) na ekvivalentní oteplovací proud vodičem pro 0,1s I_ke(0,1s). To je proud, který by procházel vodičem po dobu 0,1s a měl by stejné účinky jako reálný zkratový proud, který tam prochází po čas T_tr (od začátku zkratu do okamžiku vypnutí jisticího přístroje). Tento proud se porovnává s I_cw(0,1s) a musí být menší, tj. I_ke(0.1s) ≤ I_cw(0,1s). Důležité je, že hodnotu Icw pro čas 0,1s si můžeme snadno vypočítat z materiálu vodiče a jeho průřezu, viz výše uvedený vztah.


Dimenzování jisticích přístrojů z hlediska zkratu
Vyžaduje se jednak ověření z hlediska maximálních zkratových proudů, tj. zda je jisticí přístroje vydrží, a také ověření z hlediska minimálních zkratových proudů, tj. zda je tyto přístroje odpojí.
 

• Ověření z hlediska maximálních zkratových proudů

Přístroje, které jsou zařazeny v obvodu, ve kterém došlo ke zkratu, musí tento zkrat vydržet. Proto jsou přístroje ověřovány i z hlediska průchodu zkratového proudu. U malých jističů (MCB) se udává jeden parametr - jmenovitá vypínací schopnost  I_cn, u výkonových jističů se udávají dvě vypínací schopnosti a to jmenovitá mezní vypínací schopnost I_cu a jmenovitá provozní vypínací schopnost I_cs. Je zaručeno, že jistič vydrží průchod proudu I_cu a že jej také vypne. Potom však již není zaručeno, že jistič bude splňovat veškeré požadavky tak, jak má. Jinak řečeno - není již zaručeno, že takový proud vypne podruhé. Pokud se týká proudu I_cs, u toho je zaručeno, že proud rovnající se I_cs nejen vypne, ale že zůstane nadále funkční a že i po toto vypnutí splňuje příslušné parametry. Není jej tedy po zkratu třeba vyměňovat.

V případě použití výpočtových programů se setkáme navíc s vpínacím zkratovým proudem I_tr, tj. zkratový proud v okamžiku vypnutí, který se skládá jednak ze své střídavé složky I_k a stejnosměrné složky I_a (I_ss). Uvedené parametry se porovnávají s hodnotami  I_cu a  I_cs jističe nebo s hodnotou I_cn pojistky (jmenovitá vypínací schopnost). Zkratový proud I_tr musí být menší než I_cu. Jestliže je však třeba, aby jistič zůstal i po maximálním možném zkratu nadále funkční, musí být zkratový proud I_tr menší než I_cs.

Hledisko zkratových proudů v síti se dostává do popředí zájmu projektanta zejména v blízkosti zdroje, kde se vedle střídavé složky proudu I_k projevuje i stejnosměrná složka zkratového proudu I_a. V případě rozvaděčů nelze zapomínat na dynamické účinky zkratů, kdy se dynamický proud I_dyn rozvaděče srovnává se zkratovým proudem v síti I_km.

Kritéria výběru jisticích přístrojů jsou tato:
a) podle jmenovité zkratové vypínací schopnost jističe: I_cu ≥ I_k" kde:
I_cu ......... jmenovitá zkratová vypínací schopnost jističe
I_k" ......... počáteční rázový zkratový proud
V případě náročnějších požadavků provozu se doporučuje dimenzovat na parametr I_cs.

b) podle jmenovité zkratové zapínací schopnosti jističe: I_cm ≥ Ι_km kde:
I_cm ........ jmenovitá zkratová zapínací schopnost pojistky
I_km ........ nárazový zkratový proud (též označovaný ip)

c) u pojistky podle jmenovité vypínací schopnosti pojistky: I_cn ≥ I_k" kde:
I_cn ......... jmenovitá zkratová vypínací schopnost pojistky
I_k" ......... počáteční rázový zkratový proud

• Ověření z hlediska minimálních zkratových proudů - ochrana před nebezpečným dotykem neživých částí

Jedním z nejužívanějších způsobů zajištění ochrany před nebezpečným dotykem neživých částí (správněji ochrany při poruše) je ochrana automatickým odpojením od zdroje. V případě poruchy, kdy dojde k vodivému spojení izolace mezi živou a neživou částí, je odpojení obvodu zajištěno vhodným jisticím přístrojem. Podmínky pro včasné odpojení poruchy jsou uvedeny v ČSN 33 2000-4-41. Aby byla bezpečnost zaručena ve všech uvažovaných případech, musí se hodnota impedance ještě vynásobit zpřísňujícími koeficienty (vliv poklesu napětí zdroje při zkratu, oteplení vodičů, atd.). Výsledný tvar je: Z_s ≤ 2/3 × U_o/I_a

Z_s – impedance smyčky poruchového proudu [Ω]
2/3 – zpřísňující koeficient, případně podle národního doplňku (ed.2, 2007) až 1/2
U_o – napětí sítě [V]
I_a – vybavovací proud jisticího přístroje [A]

Hodnota impedance smyčky se obvykle vyjadřuje jen jedním číslem, kde se v podstatě bere v úvahu jen činná složka R (rezistence). Z praktických důvodů se zanedbává jalová složka X (indukční reaktance), která se začíná uplatňovat u vyšších průřezů, např. u 120mm² je to přibližně +10%, u 150mm² je to +15%, u 185mm² je +20%, atd.). Toto zjednodušení při ručním výpočtu proto není na závadu, protože se navíc používají zpřísňující koeficienty, které významně ovlivní výsledek ve prospěch bezpečnosti. Ty není nutné brát v úvahu, pokud je výpočet proveden přesně se zohledněním všech důležitých parametrů prověřovaného obvodu.

Pokud se ale pohybujeme v části instalace v těsné blízkosti zdrojů, tj. v obvodech s nízkými hodnotami impedancí pak je vždy nutné použít podrobné výpočty a ty již vyžadují úplné výpočty s komplexními čísly.

 Předepsané časy odpojení v síti TN jsou delší než v síti TT, ve které se k odpojení používají klasické jisticí přístroje (jističe nebo pojistky). Pro U_o = 230V je to u koncových obvodů do 32A včetně 0,4s, u distribučních obvodů a obvodů nad 32A je to 5s. Impedance se uvažuje při provozní teplotě (tedy větší než za studeného stavu) a počítá se s tím, že se fázové napětí vlivem zkratového proudu snižuje. Všechny uvedené požadavky je nutné při návrhu brát v úvahu.


Ochrana rozvaděčů před účinky zkratových proudů
Doposud jsme se zmínili o ochraně z hlediska úrazu elektrickým proudem a vhodné volbě jisticích přístrojů. Z hlediska odolnosti obvodu se zkratem (napájecí síť - jističe/pojistky - místo s poruchou) je nutné najít dostatečně bezpečné řešení, aby všechny použité prvky vydržely bez poškození a byly schopné opakovaného použití. V instalacích s velkými jmenovitými proudy v jednotkách tisíců ampér však musíme brát zřetel nejen na vlastní technická zařízení, ale i na bezpečnost obsluhy, která se může pohybovat v blízkosti rozvaděčů. Při vypínání zkratových proudů výkonovým jističem dochází k vyfukování oblouku z jeho zhášecích komor a to je provázeno prudkým nárůstem tlaku a teploty v rozvaděči. Pokud je rozvaděč zcela uzavřen, může vlivem nárůstu tlaku dojít k prudkému otevření dveří, nebo k vyražení krycích panelů, což může způsobit vážný úraz obsluhy. Z tohoto důvodu se rozvaděče vstupních polí vybavují horními kryty ve formě klapek, které se při určitém přetlaku samočinně otevřou a tím redukují možné riziko.

Dalším hlediskem při návrhu rozvoden velkých výkonů je odolnost proti vnitřnímu obloukovému zkratu. Této problematice se věnují jednotlivé části norem pro rozvaděče (viz stále platná ČSN EN 60439-1, příp. nová ČSN EN 61439-2). Rozvaděče nízkého napětí musí splňovat požadavky na elektrickou a mechanickou bezpečnost a navíc je možné stanovit i doplňující požadavky na tzv. formu vnitřního oddělení (způsob oddělení, od 1a, 1b až 4a a 4b). Jedná se definici způsobů oddělení živých a neživých částí uvnitř rozvaděče pro omezení následků v případě vzniku vnitřního obloukového zkratu. Základní způsob oddělení 1a je rozvaděč bez jakéhokoli dodatečného vnitřního oddělení, což je u nás nejobvyklejší provedení. V případě vzniku obloukového zkratu uvnitř rozvaděče pak hrozí, že dojde ke zničení výbavy rozvaděče a rozvodna je až do doby výměny rozvaděče mimo provoz. Proto se doporučuje používat vyšší stupně vnitřního dělení a jako nejvyšší je uváděn způsob 4b, kde je každý přístroj oddělen přepážkami (izolační desky, kovové plechy), které zajistí nepřenesení zkratu mimo zasaženou oblast. V případě vzniku oblouku uvnitř rozvaděče pak dojde k poškození jen omezené části. Důležité je, že poškozená část je jen v malé části rozvaděče a většinou je možné uvést rozvaděč do provozu s tím, že úplná oprava se provede při nejbližší odstávce. Podle normy ČSN EN 60439-1 je způsob vnitřního dělení závislý na dohodě a tedy není povinný. Role projektanta v této oblasti je tedy poradní, nicméně pokud dojde k doporučení již ve fázi projektu, realizace by měla toto doporučení brát v úvahu.

Všechna výše uvedená opatření jsou založena na tom, že vzniklý zkrat trvá po dobu několika desítek milisekund, než vypne hlavní jistič. Pokud je vnitřní dělení dostatečné (otázka pravděpodobnosti), poškození zasáhne jen část rozvaděče. Poněkud dramatičtější situace však nastává v rozvodnách se jmenovitými proudy několika tisíc ampér, kde zkratové proudy běžně převyšují 50kA a energie zkratu může způsobit až explozi rozvaděče. Pokud se spolehneme jen na vypnutí hlavního jističe, který je sice na dané zkraty dimenzován, ale oblouk trvá například 30ms, což jsou tři vlny plného zkratového proudu (!), pak oblouk spolehlivě zničí celý rozvaděč včetně sousedních polí. V případě přítomnosti obsluhy v blízkosti explodujícího rozvaděče se jedná o vážné, nebo i smrtelné úrazy. Nutná oprava rozvodny pak není záležitostí na jeden den a tím narůstají i provozní ztráty. Z výše uvedených důvodů se dnes nabízejí i systémy aktivní ochrany, které dokáží vznikající obloukový zkrat včas identifikovat a zajistí jeho uhašení v časech několika milisekund. Jako příklad poslouží systém ARCON firmy Eaton, který dokáže eliminovat zkratový proud během rekordních 2-3ms. Toho je dosaženo použitím speciální zkratovací jednotky, která zajistí vodivé spojení sběrnic mezi sebou a tím okamžitě sníží obloukové napětí na nulu a tím dojde ke zhasnutí oblouku. Výkonový jistič poté odpojí zkratový proud napájecí sítě. Prošlá energie při zkratu je dostatečně malá na to, aby mohlo dojít ke zničení rozvaděč. Rozvodnu je možné po kontrole stavu rychle uvést znovu do provozu. Ve velice náročných podmínkách (např. nepřetržité chemické provozy), kde každý neplánovaný výpadek přináší velké ztráty, je aktivní ochrana v mnoha zemích vyžadována i pojišťovnami.


Porovnání zkratových parametrů sítě, rozvaděče a jisticího přístroje
Obecně lze říci, že pro každý jisticí přístroj musíme použít nějaký rozvaděč a naopak, rozvaděče slouží pro montáž jisticích přístrojů. Vedle výše porovnávání vypínacích schopností jističů, které souvisí s efektivní hodnotou zkratového proudu, je nutní provést kontrolu hodnot nárazového zkratového proudem I_km, který vyjadřuje špičkovou hodnotu první půlvlny zkratového proudu. Pokud budeme dost daleko od zdroje (například několik desítek metrů), nesymetrický překmit první půlvlny zkratového proudu se už prakticky neprojeví a pak lze jednoduše počítat, že I_km = I_k × √2 , což odpovídá poměru maximální a efektivní hodnoty proudu. Čím blíže ke zdroji budeme, tím narůstá i vliv stejnosměrné složky.
Nárazový zkratový proud se vypočítá podle vztahu: I_km = K × I_k

Koeficient K je závislý zejména na výkonu zdroje a v nejčastějších případech nepřesáhne hodnotu 1,6. Pokud nahlédneme do normy pro rozvaděče (ČSN EN 60439-1) a do normy pro výkonové jističe (ČSN EN 60947-2) uvidíme, že v obou normách se pracuje se stejnými předpoklady a tudíž můžeme srovnávat jednotlivé parametry mezi sebou. V případě rozvaděčů se jedná o poměr hodnoty dynamického proudu I_dyn a hodnoty jmenovitého krátkodobého výdržného proudu I_cw(1s), což odpovídá efektivní hodnotě ustáleného zkratového proudu protékajícího po určenou dobu. V případě výkonových jističů se přitom jedná o poměr hodnot jmenovité zkratové zapínací schopnosti I_cm a jmenovité zkratové vypínací schopnosti I_cu. S narůstajícím výkonem zdroje se koeficient K postupně zvyšuje (při zkratových proudech nad 50kA se počítá až s koeficientem 2,2). Významnou roli v potlačení vlivu stejnosměrné složky zkratového proudu však hraje vzdálenost od zdroje (již několik metrů kabelu významně redukuje stejnosměrnou složku proudu). Pro rychlou orientaci tedy můžeme srovnávat parametry uvedené v tabulce.



K - přepočítávací součinitel závislý na výkonu zdroje (rozmezí je od 1,5 do 2,2)


Použité materiály:
[1] ČSN 33 2000-4-41 edice 2 Elektrická zařízení. Část 4: Bezpečnost. Kapitola 41: Ochrana před úrazem elektrickým proudem. Praha, ČNI 8/2007
[2] Informační systém IN-EL, Praktické pomůcky
[3] Dimenzování a jištění elektrických zařízení – tabulky a příklady, svazek 80, Michal Kříž
[4] Program Pavouk 2.9 – výpočtový program firmy Eaton (Moeller) pro dimenzování a jištění sítí nn
[5] Katalog Výkonové jističe a vypínače (firma Eaton, / Moeller)

 

Článek je ukázkou sborníku L.P.Elektro č. 56
Pro členy Benefit klubu LPE je k dispozici celé znění sborníku.