Napięcie dotykowe (UT) to napięcie, które pojawia się między częścią przewodzącą dostępną a ziemią lub inną częścią dotykaną w tej samej chwili. Powstaje przy uszkodzeniu izolacji i decyduje o tym, jaki prąd popłynie przez ciało człowieka.
Zostań elektrykiem z uprawnieniami SEP
Kurs online G1 / G2 / G3 + egzamin państwowy - 100% zdawalności
z kodem ELEKTRYCZKA = 10% rabatu!
Skąd bierze się napięcie dotykowe na obudowie urządzenia?
Dopóki instalacja jest sprawna, metalowa obudowa pralki, kuchenki czy rozdzielnicy ma potencjał zbliżony do potencjału ziemi. Zmienia to zwarcie doziemne, czyli uszkodzenie izolacji, przy którym przewód fazowy zetknie się z obudową.
Od tej chwili obudowa staje się elementem obwodu zwarciowego. W układzie TN prąd wraca do uziemionego punktu transformatora przewodem ochronnym PE, a ten przewód ma niezerową impedancję. Spadek napięcia, jaki powstaje na jego odcinku między obudową a uziemieniem źródła, to właśnie napięcie dotykowe.
UT = U0 · ZPE / Zs
- UT – napięcie dotykowe spodziewane, w woltach (V)
- U0 – napięcie znamionowe względem ziemi, w polskich instalacjach 230 V
- ZPE – impedancja odcinka przewodu ochronnego od uszkodzonej obudowy do uziemionego punktu źródła, w omach (Ω)
- Zs – impedancja całej pętli zwarciowej, czyli drogi prądu przez przewód fazowy i przewód ochronny, w omach (Ω)
Ten sam wynik otrzymasz, mnożąc prąd zwarciowy przez impedancję przewodu ochronnego. Przy U0 równym 230 V, impedancji pętli 1,2 Ω i udziale przewodu ochronnego 0,5 Ω przez obwód popłynie około 192 A, a na obudowie utrzyma się około 96 V. Obudowa nie jest więc na potencjale ziemi, tylko na ułamku napięcia fazowego wyznaczonym przez proporcję obu impedancji.
Napięcie dotykowe spodziewane a rażeniowe – czym się różnią?
Te 96 V z przykładu to wartość spodziewana: taka, którą pokaże przyrząd o dużej rezystancji wewnętrznej, gdy obudowy nikt nie dotyka. Norma nazywa tak napięcie między częściami jednocześnie dostępnymi, do których nie przyłożono ani ręki człowieka, ani ciała zwierzęcia.
Dotyk zmienia rozkład napięć w obwodzie. Ciało ma impedancję rzędu od kilkuset do kilku tysięcy omów i po zetknięciu z obudową bocznikuje część drogi prądu. Napięcie, które odkłada się wtedy między dłonią a stopami, nazywa się rażeniowym i jest niższe od spodziewanego.
Rozdzielenie tych dwóch pojęć ma powód rachunkowy. Kryteria bezpieczeństwa opisuje się wartościami spodziewanymi, bo nie zależą od tego, kto akurat stoi przy urządzeniu, w jakim jest obuwiu i czy podłoga jest sucha.
| Cecha | Napięcie dotykowe spodziewane | Napięcie dotykowe rażeniowe |
|---|---|---|
| Czy ciało jest w obwodzie | nie, części nie są dotykane | tak, człowiek zamyka obwód |
| Co wyznacza wartość | rozkład impedancji w instalacji | dodatkowo impedancja ciała, droga prądu, rezystancja podłoża i obuwia |
| Relacja wartości | wyższa | niższa lub równa spodziewanej |
| Do czego służy | ocena skuteczności ochrony i wartości graniczne w normach | ocena zagrożenia w konkretnej sytuacji dotyku |
Od czego zależy wartość napięcia dotykowego?
Decyduje udział przewodu ochronnego w impedancji całej pętli zwarciowej. Im mniejsza część drogi powrotnej przypada na odcinek między obudową a uziemieniem źródła, tym niższe napięcie zostaje na częściach dostępnych. Dlatego przekrój przewodu ochronnego i jakość jego połączeń przekładają się na zagrożenie bezpośrednio, a nie przez zabezpieczenie nadprądowe.
Drugi czynnik to połączenia wyrównawcze. Główna szyna uziemiająca spina przewód ochronny z rurami wodociągowymi, konstrukcją budynku i innymi metalowymi elementami, do których sięgniesz razem z obudową. Ich potencjały zbliżają się do siebie, a różnica, którą można dotknąć, maleje.
Najgorszy przypadek to przerwany przewód ochronny. Prąd zwarciowy nie ma wtedy drogi powrotu, zabezpieczenie nie zadziała, a obudowa przyjmuje potencjał bliski pełnym 230 V i utrzymuje go dowolnie długo. Uszkodzenie nie daje żadnego sygnału: urządzenie działa normalnie do momentu, w którym ktoś go dotknie.
Napięcie dotykowe występuje między ręką a stopami albo między dwiema dotykanymi jednocześnie częściami. Kiedy różnica potencjałów pojawia się między dwoma punktami gruntu, na których stoisz, mówimy o napięciu krokowym – prąd płynie tam od stopy do stopy i opisuje je osobne hasło.
Co z napięcia dotykowego wynika w instalacji 230/400 V?
Ochrona przeciwporażeniowa w polskich instalacjach nie polega na utrzymaniu napięcia dotykowego stale poniżej wartości nieszkodliwej. Przy napięciu fazowym 230 V i międzyfazowym 400 V byłoby to nierealne, co pokazuje wyliczone wcześniej kilkadziesiąt woltów na obudowie.
Norma PN-HD 60364-4-41, opisująca ochronę przed porażeniem elektrycznym w instalacjach niskiego napięcia, przyjmuje inne założenie: dopuszcza podwyższone napięcie na obudowie przez krótką, ściśle określoną chwilę i wymaga odcięcia zasilania. Ten mechanizm rozwija hasło samoczynne wyłączenie zasilania. Regułę nadrzędną formułuje PN-EN 61140: części niebezpieczne nie mogą być dostępne, a części dostępne nie mogą stać się niebezpieczne.
Granice, powyżej których napięcie dotykowe uznaje się za groźne, zależą od rodzaju prądu i warunków środowiskowych – zestawia je hasło napięcie bezpieczne. To, co dzieje się z organizmem po zamknięciu obwodu, opisuje porażenie prądem elektrycznym.
Na egzaminie SEP grupy 1 różnica między napięciem spodziewanym a rażeniowym wraca regularnie, najczęściej przy pytaniu o warunek skuteczności ochrony. Podczas odbioru instalacji napięcia dotykowego zwykle się nie mierzy wprost – ocenia się je pośrednio przez pomiar impedancji pętli zwarcia, bo z impedancji wynikają zarówno prąd zwarciowy, jak i napięcie na obudowie.
Dla osoby pracującej przy instalacji wniosek jest konkretny: zacisk PE dokręcony na pół gwintu albo przewód ochronny o zaniżonym przekroju podnoszą napięcie dotykowe przy każdym uszkodzeniu izolacji w tym obwodzie. Zabezpieczenie w rozdzielnicy tego nie nadrobi.
Najczęściej zadawane pytania
Spodziewane występuje między częściami dostępnymi, których nikt w danej chwili nie dotyka, i zależy wyłącznie od rozkładu impedancji w instalacji. Rażeniowe pojawia się w momencie dotyku, gdy ciało zamyka obwód i bocznikuje jego część, więc jest niższe. Wartości graniczne w normach podaje się dla napięcia spodziewanego, bo nie zależy ono od cech konkretnej osoby.
Napięcie dotykowe spodziewane liczysz jako U0 pomnożone przez iloraz impedancji przewodu ochronnego i impedancji całej pętli zwarciowej. Dla napięcia fazowego 230 V, pętli o impedancji 1,2 Ω i udziale przewodu ochronnego 0,5 Ω wychodzi około 96 V. Ten sam wynik daje pomnożenie prądu zwarciowego przez impedancję przewodu ochronnego.
Bezpośredni pomiar wykonuje się woltomierzem o określonej rezystancji obciążenia, dołączonym między część przewodzącą dostępną a elektrodę odwzorowującą stanowisko człowieka. W instalacjach niskiego napięcia stosuje się metodę pośrednią, czyli pomiar impedancji pętli zwarcia, z której wylicza się napięcie na obudowie. Pomiar bezpośredni pozostaje domeną stacji elektroenergetycznych i obiektów z rozległym uziemieniem.
Przewód ochronny odprowadza prąd zwarciowy do uziemionego punktu źródła i dzieli napięcie fazowe tak, że na obudowie zostaje jego część. Po przerwaniu tego przewodu prąd nie ma drogi powrotu, zabezpieczenie nadprądowe nie zadziała, a obudowa przyjmuje potencjał bliski napięciu fazowemu. Stan ten utrzymuje się bezterminowo i nie objawia się żadną zmianą w pracy urządzenia.
