FID ili diferencijala sklopka, čemu služi i kako radi?
Zaštitni uređaj diferencijalne struje (FID sklopka) je već nezaobilazni deo električnih instalacija stambenih objekata. Ispravan rad, u različitim situacijama, zahteva potpuno razumevanje njihovog funkcionisanja. Kratak opis funkcije, kao i važni aspekti primene dati su u sledećem tekstu.
Pojednostavljen princip rada FID sklopke
Osnovna funkcija FID sklopke je procena vektora stanja električnih struja koje protiču kroz dato kolo. Prosto rečeno FID sklopka proverava da li je struja kroz fazni provodnik koja ulazi u kolo indentična struji koja izlazi iz kola, preko npr. neutralnog provodnika. Kao što sledi iz jednačine I Kirkofovog zakona, suma struja u zatvorenom strujnom kolu mora biti jednaka nuli. Ukoliko se registruje vrednost različita od nule, znači da deo struje izlazi iz kola nedozvoljenom putanjom. Tipične putanje su PE zaštitni vod, izloženi provodni deo potrošača ili slučajno pogrešno uzemljenje. Slučajno pogrešno uzemljenje može da dovede do direktnog kontakta čoveka sa faznim provodnikom.
U tipičnoj izvedbi FID sklopke, provera struja se vrši u takozvanom zbirnom transformatoru. Tipična konfiguracija transformatora je torusna. Svi fazni provodnici prolaze kroz središnji deo jezgra transformatora. Oni praktično formiraju primarne namotaje transformatora. Na jezgro transformatora namotan je sekundarni namotaj. U slučaju neuravnoteženosti (ne nule) trenutnog stanja faznih provodnika, dolazi do indukovanih struja u sekundarnim namotajima. Ta vrednost je proporcionalna diferencijalnoj komponeneti primarnih struja. Broj sekundarnih namotaja utiče na osetljivost FID sklopke.
Drugi ključni deo tipične izvedbe FID sklopke je elektromagnetni relej (EMP). On se sastoji od stalnog magneta, pokretne armature sa oprugom i kalemom koji služi kao elektromagnet. Kada nema dferencijalne struje armaturu drži stalni magnet. Ovoj magnetnoj sili se suprostavlja sila opruge. Jezgro elektromagneta se napaja sa sekundarnog namotaja transformatora. Ukoliko se javi indukovana diferencijalna struja u transformatoru, pri proticanju kroz kalem stvara magnetno polje i na taj način silu. Ta sila ima isti smer kao i sila opruge. U slučaju da je magnetno polje dovoljno jako, npr. diferencijalna struja dostigne odgovarajuću vrednost, zbir sila elektromagneta i opruge je veći od sile stalnog magneta. Tada dolazi do odvajanja armature od stalnog magneta, glavni kontakti se okidaju i FID sklopka se aktivira.
Parazitni efekti FID sklopke
Opisana tipična konfiguracija FID sklopke sa stalnim magnetom ima svoje prednosti i ograničenja. Prednost je konceptualno jednostavan dizajn i veliki dinamički opseg uređaja. Uobičajeno je da registruje diferencijalne struje reda nekoliko desetina mA u kolima sa nominalnim strujama reda desetina i stotina A.
Ograničenja proizilaze iz parazitnih efekata datih principijelnim dizajnom. Od najznačajnijih su magnetni uticaj polja stalnog magneta na armaturu ili zavisnost frekvencije i nelinearan odziv struje. Magnetizacija armature je razlog za obavezno opremanje FID sklopke test dugmetom i njihovo redovno testiranje. U normalnom radnom stanju armatura FID sklopke je u direktnom kontaktu sa stalnim magnetom ili njegovim polovima. Armatura je i delimično namagnetisana što izaziva promenu osetljivosti uređaja. Test dugme može pomoći kada se pomeri zaštitna karakteristika uređaja. Glavni razlog redovnog testiranja je da se reši taj problem. Čak i kratko prekidanje magnetnog polja je dovoljno za razmagnetisavanje armature, što se postiže upotrebom test dugmeta. Mehaničkim putem otvaramo samo glavne kontakte, ali armatura je i dalje pod dejstvom polja stalnog magneta.
Ostala ograničenja su zavisnost frekvencije i nelinearni efekti. Pravilan rad zbirnog transformatora kao i kod svakog drugog transformatora zavisi od frekvencije. Praktičan rezultat toga odražava se na osetljivost koja je niža ukoliko je frekvencija viša ili niža od nominalne, pa uređaj reaguje tek na većoj vrednosti diferencijalne struje. Međutim, pravi razlog za to su viši harmonici. To je tipično za današnje mreže gde postoji ogroman broj priključenih potrošača i ispravljača koji kvare sinusoidalni talasni signal, pa su generisani i viši harmonici, tako da se i osetljivost FID sklopke smanjuje. Ukoliko vrednost struje merimo standardnim ampermetrom, dobijamo efektivnu vrednost stvarnog signala, uključujući i sve harmonijske komponente. Ova vrednost se međutim često tumači kao vrednost struje pri nominalnoj frekvenciji od 50 Hz, što je greška
Karakteristike u okviru bezbednosti i standarda
Osnovna primena FID sklopke je za zaštitu ljudi u slučajevima kvara ili slučajog kontakta sa faznim provodnikom. U skladu sa normativnim zahtevima, koriste se FID sklopke sa nazivnom diferencijalnom strujom od 30 mA.
Mnoge medicinske studije koje su rađene na temu uticaja električne struje na ljudski organizam pokazale su da na to utiču dve vrednosti, vrednost i vreme trajanja. LC kriva važna je pri izradi bezbednosnih mera. Na karakteristici vreme- struja ova kriva je smeštena u oblasti gde može doći do grčenja mišića. Sa druge strane, ne bi trebalo da ima štetnih patofizičkih efekata. Jednostavno rečeno, za zdravu osobu u oblasti ispod ove krive ne postoji opasnost povrede od električne struje. Sa slike možemo primetiti dve karakteristične tačke LC krive. Prva karakteristična tačka je za vrednost struje od 30 mA, koja može teći kroz ljudsko telo bez ozbiljnih posledica u vremenu dužem od 5 s. Dok za period od 40 ms vrednost struje pri kojoj neće doći do posledica za ljudski organizam može biti veća od 200 mA.
Ova karakteristika je data u skladu sa odgovarajućim proizvodnim standardima (EN 61008, EN 61009) koji kažu da FID sklopka ne sme odreagovati na diferencijalne struje manje od 50% nazivne diferencijalne struje IΔn. Maksimalno vreme reagovanja od 300 ms u strujnom opsegu 0.5 – 1.0 x IΔn. Kada struja dostigne 2 x IΔn, maksimalno vreme reagovanja je 150 ms. I na kraju, kada struja dostigne 5 x IΔn, maksimalno vreme reagovanja je 40 ms. Instalacioni standard (npr. HD 60364-4-41) zahteva upotrebu FID sklopke nazivne diferencijalne struje 30 mA. Kombinacije potrebnih karakterističnih zaštitnih vrednosti su 30 mA za 300 ms, 60 mA za 150 ms i 150 mA za 49 ms. Očigledno je da su sve ove karakteristike u oblasi ispod LC krive.
Osnovni strujni opseg 0.5 – 1.0 x IΔn je za standardnu izvedbu FID sklopke uz poštovanje činjenice da je sa jedne strane nemoguće proizvesti takvu FID sklopku sa pravom vrednošću x IΔn, dok sa druge strane ta vrednost jako zavisi od ostalih uticaja i uslova merenja. Međutim, ova varijacija parametara gotovo da uopšte ne utiče na bezbednost. Potrebno je imati u vidu da FID sklopka ne štiti ljude od kontakta sa opasnim naponom. Takođe, FID sklopka ne ograničava vrednost struje koja prolazi kroz ljudsko telo. Njena uloga i funkcija je samo da smanji ove struje pre nego što dođe do povreda opasnih po zravlje ljudi. Intenzitet struje kroz telo zavisi od napona, impedanse tela i otpora kontaktne površine između tela i zemlje. Ta vrednost intenziteta struje je oko 180 mA u standardnim situacijama. Na osnovu LC krive, vreme reagovanja trebalo bi biti 200 ms. Maksimalno vreme reagovanja FID sklopke nominalne diferencijalne struje 30 mA je 40 ms, tako da postoji rezrerva od 500%.
Funkicionalna merenja FID sklopke
Koriste se mnoge metode provere funkcionalnosti FID sklopke. Međutim, ne daju sve te metode baš ispravne rezultate. Osnovni način je aktivacija test dugmeta FID sklopke. Kao što je gore već i navedeno, ovo testiranje se mora sprovoditi na osnovu propisanih uslova. Uobičajni period je jednom mesečno. Osnovni cilj je razmagnetisanje elektromagnetnog polja oko armature. Ovo testiranje može otkriti da li je karakteristika FID sklopke pomerena ka višim vrednostima (npr. dug perioda bez redovnog testiranja). Važna činjenica je da se ovaj test izvodi pod strujom većom od IΔn.
Prktično jedini ispravni način provere karakteristike FID sklopke je korišćenjem posebne merne opreme. Kao rezultat se dobija matrica parametara koja se sastoji od karakteristika za struje 1 x IΔn, 2 x IΔn, 5 x IΔn, kao i vreme reagovanja od 300 ms. Poslednji parameter pokazuje pravu vrednost IΔn date FID sklopke. Potrebno je izvršiti merenje oba polariteta test signala (AC tip FID sklopke može da uopšte ne odreaguje na jedan polaritet). Da bi dobijeni rezultati bili verodostojni mora se uzeti u obzir i tačnost mernog uređaja, koji takođe mora biti redovno kalibrisan.
Još jedna česta metoda testiranja je upotreba standardne test sonde za proveru napona uzmeđu L i N provodnika. Ova metoda ima jedan bitan nedostatak. To je vrednost test struje. Sa jedne strane, ne podesi se dobro, obično je u intervalu 20-24 mA. Test sonda je standardno aktivno opterećenje, a ne strujno napajanje (kao u slučaju sofisticiranih mernih uređaja). Stvarna struja zavisi direktno od napona u datoj tački. Ukoliko dođe do pada napona na mreži, pada i struja, i obrnuto. Pored vrednosti struje na talasni oblik signala utiče i napon napajanja. Priključeni komutatori i ispravljači značajno utiču na deformisanje sinusoidnog talasnog oblika napona. Ukoliko npr. u napojnom vodu postoji veliki broj priključenih PC računara, sinusoidni oblik napona je uništen. Stoga sadrži značajan deo komponenti viših harmonika. Kao što je i gore navedeno, FID sklopka drugačije reaguje pri različitim frekvencijskim opsezima. Sa druge strane standardni ampermetar pokazuje ukupnu efektivnu vrednost struje kroz test sondu, koja bi trebala predstavljati diferencijalnu struju koja prolazi kroz FID sklopku tokom testiranja. U slučaju promene frekvencije FID sklopka može registrovati nižu vrednost od stvarne diferencijalne struje. U slučaju kada testirana FID sklopka ne odreaguje na grešku, to je zbog toga što je testirana struja ispod vrednosi IΔn. Jedini zaključak koji se može izvesti na osnovu ove metode se odnosi na situaciju kada FID sklopka odreaguje. U tom slučaju znamo da je FID sklopka u stanju da odreaguje. Ali ne znamo pri kojoj vrednosti stuje i u kom vremenskom intervalu. U slučaju kada FID sklopka ne odreaguje, nikakav zaključak se ne može izvesti.
Za sve metode testiranja, potrebno je imati na umu koje su prednosti primenjene metode, a koji su nedostaci. Testirana struja i oblik testiranog signala moraju biti usklađeni. Nepoštovanje ovih pravila može dovesti do pogrešnog tumačenja dobijenih rezultata.
