Tajemství ochranného kolíku

Kdo z nás by stál o úraz elektrickým proudem? Víme však, jaké chyby v elektroinstalaci doma či v laboratoři k němu mohou vést a jak úrazům předejít? Připomenutí základních principů ochrany při zkratu či přetížení i vysvětlení funkce ochranného kolíku elektrické zásuvky trpělivému čtenáři určitě neuškodí. Naopak mu může rozšířit obzory v oblasti fyziky a umožnit nahlédnutí do tajů elektrických obvodů. Neočekávejte však univerzální návod pro zřizování či opravy rozvodů elektrické energie. Ty raději svěřte pracovníkům s odpovídající elektrotechnickou kvalifikací.

Ohlédnutí do historie
Vznik elektrizačních soustav spadá do poloviny 19. století, kdy objev elektrického dynama umožnil poprvé přeměnu mechanické energie na elektrickou. Zpočátku se elektrická energie přenášela v podobě stejnosměrného proudu, při prudkém rozvoji elektrizace však vznikla zásadní překážka v nemožnosti výroby a přenosu větších výkonů pomocí vyššího napětí.

Střídavý proud a možnost jeho výroby byly známy již koncem roku 1870. Teprve však pozdější, po sobě následující objevy synchronního alternátoru pro výrobu větších výkonů trojfázového proudu, dále objev transformátoru pro potřebné zvyšování napětí na přenos a využití objevu Teslova točivého magnetického pole v asynchronním motoru, znamenaly zásadní změnu v rozvoji elektrizace střídavým proudem.

Zvyšující se napětí a přenášený výkon v elektrizačních soustavách na přelomu 19. a 20. století přinesly potřebu chránit před nebezpečným dotykem nejen živé, ale i neživé části elektrických zařízení. Živými částmi přitom rozumíme ty části, které jsou při normálním provozu zařízení pod napětím nebo vedou elektrický proud („vnitřnosti“ elektrických přístrojů), na neživých částech se naopak napětí vůči zemi vyskytne pouze v případě poruchy. Neživými částmi jsou například kovové kryty či vodivá držadla elektrických spotřebičů.

Druhy ochran
Mezi nejběžnější ochrany živých částí patří např. ochrana krytím (kryt je součástí elektrických zařízení – důkladnost této ochrany závisí na prostředí, do kterého je zařízení určeno), ochrana polohou (živé části jsou mimo dosah, např. na sloupu) či ochrana izolací. Posledně jmenovaná spočívá ve vybavení živých částí tak důkladnou izolací, že je dotyk člověka s nimi vyloučen (dvojitá izolace, zesílená izolace). Elektrický spotřebič vybavený touto ochranou je označován jako elektrický předmět třídy II. Na krytu je označen symbolem dvou „soustředných“ čtverců a k elektrické zásuvce se připojuje pomocí dvojpólové vidlice bez ochranného kolíku.

Mezi ochrany neživých částí patří tzv. ochrana samočinným odpojením od zdroje. Tento název v sobě zahrnuje staré názvy ochran zemněním, nulováním a napěťovým a proudovým chráničem. Klíčovou roli v případě této ochrany hrají přístroje odpojující vadnou část, tj. pojistky, jističe a chrániče.

Začínalo se s nechráněnými zásuvkami a spotřebiči
Od počátků elektrifikace se v kontinentální Evropě používal Edisonův nechráněný (bez ochranného kolíku) systém domovních zásuvek a vidlic s válcovými pracovními kolíky na vidlici. Dutinky zásuvek nebyly vytvářeny jako díly s pružnými částmi, pružení zabezpečoval podélně rozříznutý a předpružený kolík. Později byla koncepce vidlic a zásuvek změněna, pružení musely zajistit dutinky. Příklad zapojení nechráněných zásuvek a elektrických spotřebičů (jednofázové připojení) v počátcích elektrifikace ukazuje obr. 1. Písmeno L (Live) označuje fázový vodič, písmeno N (Neutral) střední vodič. Střední vodič je spojen s uzlem trojfázového distribučního transformátoru (zdroje) a se zemí. „Cesta proudu“ začíná na svorce L sekundárního vinutí transformátoru, pokračuje přes pojistku P, levou dutinku zásuvky, spotřebič, pravou dutinku zásuvky, střední vodič N až do uzlu transformátoru.

Úkolem pojistky P bylo odpojit vadnou část při zkratu či přetížení a zamezit požáru vzniklým nadměrným zahřáním vodičů zkratovými proudy či nadproudy. Princip pojistky spočívá v přetavení tenkého drátku (Woodův kov, stříbrný drátek…) při proudu větším, než je jmenovitý proud pojistky. Drátek je přitom „obalen“ křemenným pískem, který ochlazením pomůže uhasit elektrický oblouk vznikající při přerušení obvodu s proudem. Doba potřebná na přerušení obvodu přitom závisí na tom, kolikrát je překročen jmenovitý proud. Rozlišujeme také mezi pojistkami „pro vedení“ a pojistkami se zpožděnou charakteristikou (tzv. „motorové“) umožňující krátkodobé přetížení vznikající např. při rozběhu elektromotoru.

Později byly tavné pojistky postupně nahrazovány jističi (i když i v současné době existuje celá řada aplikací, kde se tavné pojistky používají). Příklad jističe z roku 2005 ilustruje obr. 2. Součástí jističe je tzv. elektromagnetická spoušť, která při velkých proudech (např. při zkratu nebo při několikanásobném překročení jmenovitého proudu jističe) způsobí rychlé vypnutí jističe, a dále tzv. tepelná spoušť (pomalá – pracující na principu bimetalového pásku), která způsobí vypnutí jističe po určité době při přetížení (nadproudu).

Cesta proudu jističem začíná svorkou (1), poté vede cívkou (2) elektromagnetické spouště a následně rozpínacím kontaktem (3). Proud pak prochází bimetalovým páskem (4) tepelné spouště ke svorce (5). Důležitou součástí jističe je také zhášecí komora (6) – místo, kam je vytažen elektrický oblouk vznikající při rozpínání obvodu s proudem.

Ochrana neživých částí samočinným odpojením od zdroje
Častou poruchou elektrických přístrojů (lampička, pračka, lednice…) je nechtěné spojení jejich vnitřních živých částí s kovovým krytem přístroje (ulomený – „upadlý“ vodič uvnitř, poškozená izolace atd.). Pokud  se dotkne fázový vodič (nebo jiná živá část pod napětím vůči střednímu vodiči) krytu přístroje, objeví se na krytu vůči zemi nebezpečné dotykové napětí. Pokud se takto poškozeného přístroje dotkneme současně s jiným uzemněným předmětem (vodovodní kohoutek, topení, vodivá podlaha atd.), může dojít k úrazu elektrickým proudem. Cesta poruchového proudu v tomto případě začíná na živém konci sekundárního vinutí distribučního transformátoru (viz obr. 1). Pokračuje pojistkou a fázovým vodičem (L) přes dutinku zásuvky do spotřebiče, dále nechtěným spojením na kostru přístroje a přes dotýkající se osobu a uzemněný předmět zemí zpět k uzlu distribučního transformátoru. Velikost tohoto proudu je dána především naším elektrickým odporem, tj. přechodovými odpory mezi tělem a krytem přístroje či uzemněného předmětu (suché nebo vlhké ruce…). Poruchový proud nestačí na to, aby jistič či pojistka odpojily spotřebič od sítě . V nepříznivém případě, když se již sami nedokážeme pustit krytu přístroje, může pak nebezpečný proud působit trvale…

Síť TT
Jedno z možných řešení tohoto problému je dodatečné spojení kovových krytů přístrojů se zemí (obr. 3) vodičem PE (Protective Earthing). Vznikne tak tzv. síť TT (první T znamená spojení uzlu distribučního transformátoru se zemí, druhé T označuje propojení neživých částí se zemí). Spojení krytu přístroje se zemí sice omezí velikost nebezpečných dotykových napětí, avšak v důsledku mnohdy velké impedance smyčky (procházející přes dvě uzemnění) poruchový proud nestačí k tomu, aby nadproudový jisticí prvek (pojistka, jistič) v dostatečně krátké době poškozený přístroj od sítě odpojil. Dotykové napětí vůči zemi také velmi závisí na kvalitě provedení uzemnění. Sítě TT se u nás vyskytují pouze v omezené míře a jsou postupně nahrazovány sítěmi TN.

Siť TN-C
Problém dlouhé doby odpojení poškozeného přístroje v síti TT řeší náhrada cesty poruchového proudu zemí tzv. vodičem PEN (Protective Earthing and Neutral, dříve nulovací vodič – obr. 4.). Vodič PEN zde plní současně funkci pracovní (protékají jím pracovní proudy připojených elektrických spotřebičů) i funkci ochrannou. V případě poruchy – spojení fázového vodiče s kostrou (S) spotřebiče (např. kovového stínítka lampičky či kovového krytu žehličky) – prochází poruchový proud z fázového vodiče (L) přes pojistku a levou dutinku zásuvky ke spotřebiči, v místě poruchy se pak dostává na kostru přístroje a ochranným vodičem se přes ochranný kolík a vodič PEN vrací do uzlu transformátoru. Jelikož v tomto případě není poruchový proud omezen odporem spotřebiče, je jeho hodnota dána pouze napětím sítě a impedancí smyčky („cesty proudu“).

Poruchový proud je při správně navržené instalaci (dostatečné průřezy vodičů atd.) a při jejím správném použití (vhodné pohyblivé přívody ke spotřebičům, použití kratší prodlužovaní šňůry) dostatečný k tomu, aby nadproudový jisticí prvek (pojistka, jistič) vadný spotřebič v předepsané krátké době od sítě odpojil. Popsaná ochrana se dříve označovala jako ochrana nulováním (dnes ochrana samočinným odpojením od zdroje).

Barevné označení vodičů
Při elektrických instalacích je třeba respektovat normou předepsané barevné značení vodičů. Fázový vodič (L) je označen černou nebo hnědou barvou (barva izolace), střednímu vodiči (N) náleží světlemodrá barva a ochrannému vodiči (PE) kombinace žluté a zelené barvy (žlutá barva se zeleným pruhem). Jelikož je v síti TN-C u vodiče PEN funkce ochranná funkci pracovní nadřazena, označuje se tento vodič také žluto-zelenou barvou. V případě sítě TN-C tedy „ve zdi“ přichází k zásuvce černý a žluto-zelený vodič, v zásuvce je vodič PEN rozdělen na ochranný vodič a střední vodič. Tyto vodiče pak už ve svých barvách (žluto-zelená a světlemodrá) pokračují spolu s hnědým (černým) fázovým vodičem uvnitř síťové šňůry ke spotřebiči.

Záludnosti sítě TN-C
Spojení kovových krytů přístrojů s vodičem PEN však přináší i některé negativní jevy. Například v důsledku protékajících pracovních proudů vodičem PEN vznikají malé, ale přesto znatelné rozdíly potenciálů mezi ochrannými kolíky jednotlivých zásuvek. Tyto rozdíly nejsou pro obsluhu nebezpečné, přinášejí však problémy, pokud jsou přístroje propojeny navzájem ještě signálovými kabely. Může jít například o počítače propojené v počítačové síti nebo o přístroje tvořící audio/video řetězec (známé potíže s „vrčením“ či vlněním obrazu). Rozdíl potenciálů mezi ochrannými kolíky zásuvek se prostřednictvím kovových krytů často přenáší právě na uvedené signálové kabely a přenášenou informaci tak ovlivňuje.

Závažným nedostatkem popsané ochrany nulováním je i ohrožení bezpečnosti v případě přerušení vodiče PEN, například v důsledku jím protékajících velkých pracovních proudů spotřebičů. Velmi častou závadou je například „upálení“ vodiče pod špatně dotaženým šroubkem v elektrické zásuvce (hlavně u hliníkových vodičů).

Nebezpečnou situaci ilustruje obr. 5. Proud vycházející z živého konce vinutí distribučního transformátoru se po průchodu pojistkou a spotřebičem (spotřebiči) vrací do pravé dutinky zásuvky a odtud pokračuje k ochrannému kolíku zásuvky. Jelikož je v tomto případě přímá cesta k uzlu transformátoru přerušena (přerušení vodiče PEN), proud pokračuje dále ochrannými vodiči (PE) pohyblivých přívodů (síťových šňůr) spotřebičů na jejich kovové kryty a přes dotýkající se obsluhu přes zem do uzlu distribučního transformátoru. Pokud se dotýkáme krytu, jsme v tomto případě sériově spojeni s odporem spotřebičů. Protože je odpor lidského těla obvykle výrazně větší než je odpor vlákna žárovky, topné spirály žehličky či jiného spotřebiče, objeví se na krytu přístroje nebezpečné dotykové napětí téměř v plné výši síťového napětí. Ještě zákeřnější je popsaná situace, pokud je spotřebič (např. lampička) připojen k zásuvce, avšak je vypnut síťovým vypínačem (na obrázku 5 není zakreslen). Nic netušící obsluhou (dotýkající se krytu spotřebiče připojeného k levé zásuvce) zde může procházet proud, který se dostal na ochranný kolík levé zásuvky přes zapnutý spotřebič zapojený v pravé zásuvce (umístěné například v sousední místnosti…).

Sítě TN-C se u nás na rozdíl od tzv. „západních“ zemí přes všechny jejich nevýhody používaly z důvodu úspor materiálu téměř až do konce 20. století. Bezpečnějšími sítěmi TN-S jsou při rekonstrukcích či nových projektech postupně nahrazovány teprve nyní.

Síť TN-S
Nedostatkům sítě TN-C lze částečně čelit rozdělením vodiče PEN na zvláštní ochranný vodič PE a samostatný pracovní střední vodič N v místě blíže k uzlu distribučního transformátoru (obr. 6.). Obvykle je toto rozdělení realizuje u elektroměru nebo v následném podružném rozvaděči. V místě rozdělení vodiče PEN by měl být vodič PE uzemněn.

V případě sítě TN-S tedy „ve zdi“ přichází k zásuvce tři vodiče – černý nebo hnědý (fázový), světlemodrý (střední) a žluto-zelený (ochranný). Tyto vodiče pak ve stejných barvách pokračují i uvnitř síťové šňůry ke spotřebiči.

Princip činnosti ochrany samočinným odpojením od zdroje v síti TN-S je podobný jako v případě sítě TN-C. Na rozdíl od předchozího případu zde ale ochranným vodičem neprochází pracovní proud elektrických spotřebičů. Nevznikají tedy potenciálové rozdíly mezi ochrannými kolíky různých zásuvek a je také menší pravděpodobnost přerušení vodiče PE (vodič není během normální funkce elektrických spotřebičů zatěžován). Na druhou stranu ale, v případě přerušení vodiče PE např. v důsledku jeho mechanického poškození, nás na tuto skutečnost nic neupozorní. Elektrické spotřebiče v tomto případě řádně pracují (na rozdíl od situace při přerušení vodiče PEN v síti TN-C). Teprve při souběhu s další poruchou, kdy dojde ke spojení fázového vodiče s kovovým krytem u některého z připojených spotřebičů, může nastat situace podobná té, kterou znázorňuje obr. 5.

Podobně jako v síti TN-C, lze i u sítě TN-S argumentovat, že může dojít k přerušení vodiče PEN ještě před jeho rozdělením na vodič PE a N a tím k situaci popsané na obr. 5. Rozdělení vodiče PEN je však obvykle provedeno v místech s větším průřezem vodičů a pomocí robustnějších svorkovnic, takže pravděpodobnost této poruchy je výrazně menší, než v předchozím případě.

Ochrana samočinným odpojením od zdroje v sítích TT, TN-C i TN-S tedy ke své správné funkci vyžaduje dosažení dostatečně velkého poruchového proudu, který způsobí vypnutí předřazeného jistícího prvku. V řadě případů (nedokonalé spojení s kostrou při poruše, velká jmenovitá hodnota jističe, dlouhé vodiče…) však tomu tak není a porucha se v obvodu může vyskytovat příliš dlouho. Popsanou situaci řeší použití proudového chrániče.

Proudový chránič
Úkolem proudového chrániče je uhlídat, aby se veškerý proud vystupující z fázového vodiče (L) vracel do vodiče středního (N). Pokud v těchto proudech nastane větší odchylka než určitá malá předepsaná hodnota, proudový chránič odpojí chráněné zařízení od sítě. Odchylka může nastat právě tím, že se část proudu uzavírá přes kovový kryt přístroje a ochranný vodič (nebo přes dotýkajícího se člověka) a nevrací se středním vodičem (N).

Základem proudového chrániče je tzv. diferenciální transformátor (TR). Na toroidním jádře jsou navinuta dvě vinutí o malém (stejném) počtu závitů ze silného vodiče, kterými protékají pracovní proudy spotřebiče (obr. 7 – 2 x 3 závity). Smysl těchto vinutí je takový, aby při rovnosti okamžitých hodnot proudu vytékajícího z fázového vodiče a proudu vracejícího se do středního vodiče byla okamžitá hodnota magnetické indukce v jádře transformátoru vždy rovna nule (aby se dílčí magnetická pole od obou vinutí navzájem odečetla).

Na toroidním jádře je dále navinuto třetí vinutí (L) z tenkého vodiče o velkém počtu závitů. Na obr. 7 je toto vinutí pod plastovým krytem toroidního transformátoru – jsou vidět jeho přívodní svorky, k jedné z nich je připájen tenký bílý vodič.

Princip činnosti proudového chrániče
Pokud na spotřebiči dojde k poruše (např. ke spojení fázového vodiče s kovovým krytem přístroje) za proudovým chráničem, rozdíl proudů v prvních dvou cívkách způsobí výsledné nenulové (střídavé) magnetické pole v jádře transformátoru. V důsledku tohoto pole se ve třetí cívce s velkým počtem závitů indukuje napětí. Toto napětí způsobí po přivedení na elektromagnet vypínací spouště rozpojení kontaktů a odpojení vadného spotřebiče od sítě. Opětovné připojení chráněného spotřebiče k síti je pak možné pouze mechanicky pomocí ovládací páčky.

Proudové chrániče používané pro ochranu před nebezpečným dotykem jsou konstruovány tak, aby vypnuly již při rozdílu proudů do 30 mA během 0,2 s. Připomeňme, že fázovým a středním vodičem (a tedy i vinutími diferenciálního transformátoru) mohou téct pracovní proudy řádu desítek ampér – při proudu 30 A tedy proudový chránič reaguje na rozdíl proudů, který je tisíckrát menší než je pracovní proud.

Samotný proudový chránič nechrání před zkratem mezi fázovým a středním vodičem a musí mu proto být předřazen jistící prvek (pojistka, jistič).

Proudové chrániče jsou opatřeny testovacím tlačítkem (v obr. 8 nezakresleno). Sériová kombinace tohoto tlačítka s rezistorem je zapojena mezi svorky 2 a 3 chrániče. Stiskem tlačítka se tak simuluje porucha (proud prochází pouze jedním vinutím diferenciálního transformátoru). Výrobce obvykle předepisuje pravidelné provádění této kontroly funkce chrániče (např. jednou za 6 měsíců).

Proudový chránič chrání i před nebezpečným dotykem živých částí. Například, pokud se dotkneme přímo fázového vodiče (například dítě vsune hřebík do levé dutinky zásuvky) a proud touto bytostí překročí hodnotu 30 mA, odpojí proudový chránič příslušnou zásuvku. Nepomůže však při současném dotyku fázového a středního vodiče (hřebíky v obou dutinkách zásuvky…).

Užitečné zdroje:
http://www.pre.cz/pre/nase-spolecnost/vice-o-pre/historie.html
http://www.elektrika.cz

Honys, V.: Nová příručka pro zkoušky elektrotechniků 1997-8, IN-EL, Praha 1997, ISBN 80-902333-1-7

Bezpečnostní předpisy pro elektrická zařízení ČSN 33-2000, Český normalizační institut, Praha 2006, ISBN 80-7283-224-7.

Původní verze Co skrývá elektrická zásuvka? vyšla v časopise Matematika - fyzika - informatika, Vol. 17, 2007/8, No.1, 29-39

Časopis Matematika - fyzika - informatika vychází od roku 1991. Je alternativním členským časopisem pedagogických sekcí Jednoty českých matematiků a fyziků. Zabývá se problémy výuky na základních a středních školách a uveřejňuje příspěvky v českém a slovenském jazyce. Vychází desetkrát ročně. Roční předplatné 300 Kč - jednotlivá čísla 30 Kč. Kontakt: 585 634 158, e-mail: MFI@upol.cz, http://www.mfi.upol.cz

Soutěž!
Když jsme před rokem přejmenovávali náš časopis Třetí pól na Třípól, ptali jsme s čtenářů, zda vědí, co to je „třípól“. Nevěděli! Možná vám článek Tajemství ochranného kolíku napoví. Alespoň kde hledat. Prvního, kdo odpoví správně, odměníme věcným dárkem.