Pomiar impedancji pętli zwarcia

Pomiar impedancji pętli zwarcia (Z_S) to badanie kontrolne instalacji elektrycznej weryfikujące skuteczność ochrony przeciwporażeniowej przez samoczynne wyłączenie zasilania. Polega na wyznaczeniu impedancji zamkniętego obwodu tworzącego się podczas zwarcia — od źródła zasilania, przez przewód fazowy, do punktu uszkodzenia i z powrotem przewodem ochronnym PE — a następnie porównaniu jej z wartością dopuszczalną wynikającą z zastosowanego zabezpieczenia nadprądowego.

---

Co to jest impedancja pętli zwarcia?

Termin pętla zwarcia (ang. earth fault loop) opisuje zamknięty obwód elektryczny tworzący się w momencie jednofazowego zwarcia doziemnego. Droga prądu zwarciowego prowadzi od uzwojeń wtórnych transformatora przez przewód fazowy L do miejsca uszkodzenia, a następnie wraca przewodem ochronnym PE (lub PEN w sieciach TN-C) z powrotem do transformatora. Impedancja tego obwodu — czyli impedancja pętli zwarcia Z_S mierzona w omach [Ω] — decyduje o tym, jak duży prąd popłynie przez zabezpieczenie nadprądowe i czy wywoła jego zadziałanie w czasie wymaganym przez normę.

Obliczeniowy prąd zwarciowy I_k, jaki popłynie podczas zwarcia, wyznacza się ze wzoru:

Ik = U0 / ZS

• I_k — obliczeniowy prąd zwarciowy [A]
• U₀ — napięcie znamionowe sieci względem ziemi [V] (230 V w typowej instalacji mieszkaniowej)
• Z_S — impedancja pętli zwarcia [Ω]

Warunek skutecznej ochrony przeciwporażeniowej, który instalacja musi spełniać, wyraża wzór:

ZS ≤ U0 / IA

• Z_S — zmierzona impedancja pętli zwarcia [Ω]
• U₀ — napięcie znamionowe sieci względem ziemi [V]
• I_A — prąd wyłączający zabezpieczenia, czyli minimalna wartość prądu, przy której wyłącznik zadziała w czasie wymaganym przez normę [A]

Obowiązek wykonywania pomiaru impedancji pętli zwarcia jako stałego elementu odbioru i weryfikacji instalacji elektrycznej nakłada norma PN-HD 60364-6 (Sprawdzanie instalacji). Maksymalne czasy wyłączenia zasilania oraz metody obliczania prądu wyłączającego I_A dla różnych typów zabezpieczeń definiuje norma PN-HD 60364-4-41:2017-09 (Ochrona przed porażeniem prądem elektrycznym — samoczynne wyłączenie zasilania).

Skład pętli zwarcia — co wchodzi w skład obwodu?

Impedancja pętli zwarcia Z_S to nie jest właściwość jednego przewodu — to suma impedancji wszystkich elementów tworzących drogę prądu zwarciowego. W układzie TN-S (osobny przewód ochronny PE i przewód neutralny N), stosowanym w nowych i modernizowanych instalacjach mieszkaniowych, obwód pętli tworzą:

• impedancja wewnętrzna transformatora zasilającego (Z_T),
• impedancja przewodu fazowego L od tablicy głównej do gniazda lub odbiornika (Z_L),
• impedancja przewodu ochronnego PE od punktu zwarcia z powrotem do tablicy i transformatora (Z_PE).

Uproszczony wzór sumaryczny:

ZS = ZT + ZL + ZPE

• Z_T — impedancja wewnętrzna transformatora [Ω]
• Z_L — impedancja przewodu fazowego [Ω]
• Z_PE — impedancja przewodu ochronnego PE [Ω]

W układzie TT — stosowanym m.in. przy zasilaniu budynków z linii napowietrznych — do sumy impedancji dochodzą rezystancje uziomu instalacji i uziomu transformatora. Wartości Z_S w układzie TT są zazwyczaj znacznie wyższe niż w TN, dlatego ochrona w TT opiera się przede wszystkim na wyłącznikach różnicowoprądowych (RCD), a nie na zabezpieczeniach nadprądowych.

Zastosowanie praktyczne — po co mierzymy impedancję pętli zwarcia?

Wyobraź sobie typowe mieszkanie zasilane napięciem 230 V (prąd przemienny, AC), chronione wyłącznikami nadprądowymi w tablicy rozdzielczej. Gdy dojdzie do zwarcia — na przykład na skutek uszkodzonej izolacji w przewodzie zasilającym — przez obwód popłynie prąd zwarciowy I_k. Wyłącznik musi zadziałać w ciągu 0,4 sekundy (maksymalny czas wyłączenia dla napięcia 230 V w układzie TN według normy PN-HD 60364-4-41:2017-09). To jednak nastąpi tylko wtedy, gdy impedancja pętli zwarcia jest wystarczająco niska — czyli gdy prąd zwarciowy jest wystarczająco wysoki.

Przykładowe obliczenie, z jakim zetkniesz się na egzaminie SEP grupy 1: wyłącznik B16 zabezpiecza obwód gniazd w pokoju. Prąd wyłączający dla wyłącznika typu B wynosi I_A = 5 × I_n. Przyjmując górny kraniec zakresu charakterystyki (k = 5), otrzymujesz:

IA = 5 × 16 A = 80 A
ZS max = U0 / IA = 230 V / 80 A = 2,875 Ω

Norma PN-HD 60364-6 zaleca ponadto, aby wynik zmierzony przez miernik pomnożyć przez współczynnik korekcyjny 1,5 przed porównaniem z limitem. Współczynnik uwzględnia wzrost rezystancji przewodów nagrzewanych prądem zwarciowym oraz błąd systematyczny mierników przy niskich wartościach pętli. Oznacza to, że odczyt na mierniku nie powinien przekraczać:

ZS zmierzone ≤ 2,875 Ω / 1,5 ≈ 1,917 Ω

Pomiar impedancji pętli zwarcia jest obowiązkowy podczas odbioru nowej instalacji — przed oddaniem budynku do użytku — oraz podczas przeglądów okresowych instalacji elektrycznej. Elektryk posiadający świadectwo kwalifikacyjne SEP (uprawnienia G1) jest uprawniony do wykonywania takich badań i wystawiania protokołów pomiarowych. Zbyt wysoka impedancja pętli sygnalizuje konkretne nieprawidłowości: zbyt małe przekroje przewodów, nadmierną długość obwodów, poluzowane lub skorodowane połączenia w puszkach rozgałęźnych, brak lub uszkodzenie przewodu PE. Każda z tych wad oznacza, że wyłącznik może nie zadziałać wystarczająco szybko — a instalacja nie zapewni skutecznej ochrony przed porażeniem prądem elektrycznym.

Najczęściej zadawane pytania