Az olvadóbiztosító (elterjedt téves elnevezéssel biztosíték) olyan készülék, melynek elsődleges feladata az áramköri elemek (vezetékek, villamos motorok, elektronikai berendezések) védelme a túláramok és zárlati áramok káros hatása ellen, vagyis az áramkör megszakítása az erre a célra méretezett, vékony huzal kiolvadásával. Másodlagos feladatuk a névleges elektromos áramerősségüknél nem nagyobb áramok üzembiztos vezetése. Az áramkörbe sorosan kötve egy meghatározott áramerősségnél túlmelegedik, megolvad és megszakítja az áramkört. Az olvadóbiztosítók legelső formája szabad levegőben kifeszített ólom olvadószál volt, amit Thomas Alva Edison szabadalmaztatott 1871-ben. Később üvegből vagy kerámiából készült szigetelő patronban helyezik el az apró, fém végződésű huzalt, hogy az áram megszakadásakor keletkező villamos ív és olvadt fémcseppek ne okozzanak további károkat. Később az egyre nagyobb teljesítménynek és változatos igényeknek megfelelően egyre több változata alakul ki. Mivel csak egyszer használhatóak és cserélésük is időigényes; egyre többször alkalmaznak helyettük megszakítókat.
ÉRINTÉSVÉDELEM FÖLDELÉS
Az érintésvédelem üzemszerűen feszültség alatt nem álló, de meghibásodás esetén feszültség alá kerülő vezető részek érintéséből származó balesetek elkerülésére szolgáló műszaki intézkedések összessége.
Érintésvédelem:
Az MSZ 172 szabványt a 2364 szabványsorozat váltja fel. MSZ HD 60364-4-41:2007 szabvány, az MSZ EN 61140- ből átvett, áramütés elleni védelemre vonatkozó két alapvető fogalmat határoz meg:
- Az „alapvédelem” (basic protection) szakkifejezést a „közvetlen érintés elleni védelem” szakkifejezés helyett (a korábbi, sok évtizedes hazai szóhasználattal „érintés elleni védelem”).
– Az áramütéses balesetek egy része úgy következik be, hogy az ember (közvetlenül, vagy szerszámon, segédeszközön keresztül) általában a kezével üzemszerűen feszültség alatt álló (szabványos elnevezéssel: ”aktív”) részt érint, ugyanakkor nem szigetelő talajon áll, vagy más testrészével földpotenciálon lévő fémrészhez ér. Ezt a nemzetközi szabványok „közvetlen érintés”-nek, s az ezek megakadályozására szolgáló intézkedéseket „közvetlen érintés elleni védelemnek” (újabban „alapvédelemnek”, vagy „áramütés elleni védelemnek normálüzemben”-nek) nevezi, a régi magyar szakkifejezéssel említett megoldások valóban az érintést kívánják megakadályozni az aktív részek szigetelésével, burkolatba zárásával vagy megfelelő (érinthető távolságon kívüli) elhelyezésével. - A „hibavédelem” (fault protection) szakkifejezést a „közvetett érintés elleni védelem” szakkifejezés helyett (a korábbi, sok évtizedes hazai szóhasználattal „érintésvédelem”).
– Az áramütéses balesetek nagy része úgy következik be, hogy a balesetes a villamos szerkezet olyan részét (úgynevezett „test”-ét) érinti meg, amely üzemszerűen feszültségmentes, de hiba (testzárlat) következtében feszültség alá kerül. Ezt a nemzetközi szabványok „közvetett érintés”-nek, s az ezek megakadályozására tett intézkedéseket „közvetett érintés elleni védelem”-nek (újabban nagyon nem szerencsés elnevezéssel „hibavédelem”-nek) nevezi. A magyar (és német) szakmai köznyelv ezt továbbra is a korábbi, csaknem százéves elnevezéssel „érintésvédelem”-nek hívja.
Az érintésvédelmi vizsgálat alkalmával a létesítményben található elektromos készülékeket védelmi osztályok alapján különböztetjük meg:
I. érintésvédelmi osztály – védővezetős védelemmel ellátott készülékek. Pl. mikrohullámú sütő
II. érintésvédelmi osztály – kettős vagy megerősített szigetelésű berendezések. Pl. kézi fúrógép
III. érintésvédelmi osztály – törpefeszültségű készülékek (max. 50 volt). Pl. beépített transzformátorral szerelt asztali lámpa.
A felülvizsgálatok módjával és általános szabályaival az MSZ 4851 szabványsorozat foglalkozik:
– MSZ 4851-1:1988 Érintésvédelmi vizsgálati módszerek. Általános szabályok és a védővezető állapotának ellenőrzése.
– MSZ 4851-2:1990 Érintésvédelmi vizsgálati módszerek. A földelési ellenállás és a fajlagos talajellenállás mérése.
– MSZ 4851-3:1989 Érintésvédelmi vizsgálati módszerek. Védővezetős érintésvédelmi módok mérési módszerei.
– MSZ 4851-4:1989 Feszültségvédő kapcsolás.
– MSZ 4851-5:1991 Védővezető nélküli érintésvédelmi módok vizsgálati módszerei.
– MSZ 4851-6:1973 Érintésvédelmi vizsgálati módszerek. 1000 V-nál nagyobb fesz., erősáramú villamos ber. különl. vizsg. előírásai.
Minden olyan épületet, ahol védővezetős érintésvédelmi módot használnak, egyenpotenciálra hozó hálózattal (EPH) kell kiépíteni, mely szorosan összefügg a belső villámvédelmi rendszerrel. A létesítményekbe beépített nagy kiterjedésű fém alkotó elemeket, csőhálózatokat földeléseket be kell kötni az EPH rendszerbe. Célja, hogy megakadályozza a veszélyes potencálkülönbségek kialakulását. A villámok áramának fele az épületen belül halad le, az EPH rendszer megakadályozza az esetleges másodlagos kisüléseket.
ÉLETVÉDELMI RELÉ
A FI relé (ismert még: érintésvédelmi relé, ÉV-relé és életvédelmi relé, illetve ÁVK – áram-védőkapcsoló – néven is; angolul: Residual-current device, németül: Fehlerstromschutzschalter) olyan elektromos felügyeleti eszköz, ami lekapcsolja a mögötte lévő hálózatot, amennyiben (relatíve kicsi) szivárgó áramot észlel. Ilyen eset például akkor fordulhat elő, ha véletlenül megérinti valaki a világítási hálózatfeszültség alatt álló részeit. A készülék a tényleges áramütés kialakulása előtt lekapcsol.
A „FI relé” névnek nincs köze a görög ábécé fi betűjéhez, hanem az a német nevéből származtatott rövidítés, amelyben az F a német Fehler (magyarul: hiba) és az I nagybetű az SI mértékegységrendszer szerint az áram egyezményes jele. A hivatalos leírásokban egyre inkább az életvédelmi relé kifejezést használják, utalva ezzel az eszköz tényleges feladatára.
Működése azon az egyszerű elven alapul, hogy Kirchhoff csomóponti törvénye értelmében – általános 230 V illetve 400 V-os váltakozóáramú hálózatot feltételezve – a fázisvezető(k)ben érkező áram összege a fogyasztón (pl. vasaló, izzólámpa, elektromos kéziszerszám stb.) át a nulla vezetőben záródik. Amennyiben a fázisvezető(kö)n bejövő áram összege különbözik a nulla vezetőn át záródó áramtól, akkor valahol szivárgás van, például testzárlatos a fogyasztó vagy megérintettünk egy feszültség alatt álló fémrészt (ami lehet például egy megsérült szigetelésű vezeték), így az áram egy része nem szabályos fogyasztói áramkörön, azaz nem a fázis és nulla vezetők között halad[* 1]. Ebből adódóan az érintésvédelmi relé a fázis- és a nulla vezetékekben kialakult aszimmetriát érzékeli. A „különbség miatt feltételezett hiba” elvére épülő megoldás eredményeként, a relé nem „tud” az elfolyás okáról és helyéről, csak annak tényét érzékeli. Amennyiben ez az úgynevezett hibaáram a relére jellemző küszöbértéket meghaladja, a beépített elektromechanikus modul azonnal bontja a hálózatot.
Lényeges különbség a normál biztosítók (olvadóbiztosító vagy kismegszakító) és az érintésvédelmi relé között, hogy az érintésvédelmi relé 2-3 nagyságrenddel érzékenyebb a biztosítónál, illetve a kismegszakító csak az átfolyó túláram ellen véd, míg a FI relé a szivárgó áramok ellen nyújt védelmet az átfolyó áram nagyságától függetlenül[* 2]. Például amíg egy alacsony értékű szokványos biztosító kioldási értéke 6 A túláram, addig az életvédelmi relé már 30 mA-es szivárgó áram esetén elvégzi a lekapcsolást, ráadásul igen gyorsan, korszerűbb változatoknál akár 40 ms alatt.
Az előzőekben tárgyalt fizikai törvényszerűségek egy- és háromfázisú hálózatokban egyaránt érvényesek.
A jelenleg érvényben lévő szabványok szerint minden olyan új építésű elektromos szekrény (kapcsolószekrény) kötelező része, amelyet „A képzetlen személyek által használt és általános használatra szánt, legfeljebb 20 A névleges áramú csatlakozóaljzatok számára” telepítettek.[1] A régebbi kialakítású és hasonló célú elektromos szekrények pótlólagosan felszerelhetőek érintésvédelmi relével.
Érintésvédelmi relé alkalmazása a következő esetekben szükséges:[2]
általános használatú fémházas elektromos készülékek testzárlatakor előforduló áramütések elkerülésére;
vezetékek vagy feszültség alatt álló részek véletlen érintési lehetősége miatt;
tűzvédelmi célból: a kialakult tűz okozta károk mérséklésére, illetve az elektromos tűz kialakulási esélyének csökkentésére;
készülékvédelmi célból: az aszimmetrikus áramok kárt okozhatnak a többfázisú berendezésekben;
kisgyerekek véletlen csatlakozó aljzatba nyúlása esetére (bár erre a célra vakdugók vagy speciális védett csatlakozó aljzat beszerzése ajánlott, a FI relé lehet a második biztos védelmi szint, ha a vakdugó véletlenül kint maradt stb.)
kisállatok esetleges vezetékrágásából eredő károk megelőzésére;
speciális, nem szokványos hálózati áramokat és feszültségeket használó munkakörnyezetben.
Egy egyfázisú FI relé felépítése az ábrán tanulmányozható: Az L (fázis) és az N (nulla) vezeték azonos irányból van átvezetve az áramváltó vasmagján, amelynek felmágnesezése így a két áram (előjelhelyes) összegével arányos.
Alaphelyzetben mindkét vezetékben azonos nagyságú áram folyik, ezért az áramváltó 3 vasmagját nem mágnesezik fel, mivel az áramok iránya éppen ellentétes (így mágneses terük eredője éppen nulla).
Amennyiben valamilyen hiba esetén az L vezetőből a földpotenciál felé áram folyik, az így elfolyó áram nagyságával az N vezetőben a visszatérő áram nagysága kisebb lesz. A különbség miatt a mágnesezések nem egyenlítik ki egymást, és a vas felmágneseződik. A vasmagon lévő 2 szekunder tekercsben ettől feszültség indukálódik, de mivel zárt kört képez, áram is folyik. Az 1 elektronika észleli az áramot, és ha az meghaladja a küszöbértéket, a főérintkezőket bontja, így a fogyasztók felé menő hálózatot leválasztja a bejövő hálózatról. A lekapcsolás olyan gyors (25–40 ms), hogy gyakorlatilag azonnal megszakításra kerül, és így az áramütött személy szinte fel sem fogja, hogy „megrázta az áram”.
Lényeges szempont, hogy a védővezetőt (földelés) nem szabad átvezetni az áramváltón, hiszen akkor az azon visszatérő árammal együtt már nincs különbség. Ezért az igen elterjedt TN-C-S rendszereknél a védővezető és a nullavezető összekötése (föld nullázása) csakis a FI relé előtt megengedett, utána szigorúan tilos, azaz onnantól a fázis (L), nulla (N) és föld (PE) vezetékeket csakis elkülönítve, egyértelműen megjelölve kell vezetni.[3][4] Korszerűbb FI relé típusok már hibaként érzékelik a relé utáni szabálytalan nullázást is, aminek eredményeként azonnal leoldanak és visszakapcsolásuk nem is lehetséges a hibás kötés kijavitásáig.
Hangsúlyozni szükséges, hogy fázis-nulla közötti rövidzárlat, túlmelegedés stb. ellen az érintésvédelmi relé semmilyen védelmet nem ad, hiszen akkor a visszatérő ágban is ugyanakkora áram folyik, vagyis nem lép fel aszimmetria.
A világ első hibaáram-védelmi rendszerét Henri Rubin fejlesztette ki Dél-Afrikában. Az elektromos árammal kapcsolatos balesetek komoly kockázatot jelentettek a dél-afrikai aranybányákban, ezért Henri Rubin az F.W.J. Electrical Industries cég mérnökeként 1955-ben kifejlesztett egy harmonikus mágneses erősítésű egyensúlyi rendszert[* 21] a probléma megoldására.
A korai hideg katódos kivitel működési feszültsége 525 V, érzékenysége pedig 250 mA volt, míg ezt megelőzően a hasonló szerkezetek életvédelem szempontjából semmiképpen nem megfelelő 10 A-es „érzékenységűek” voltak. Az érzékenyebb változatot több aranybányában is telepítették, ahol megbízhatóan működött. Rubin eközben elkezdett egy teljesen új megoldáson is dolgozni, amelynek segítségével nagyban növelni tudta az érzékenységet. 1956-ban Harmonikus mágneses erősítésű egyensúlyi rendszer néven be is nyújtotta rá a szabadalmat.[* 22] A prototípus működési feszültsége 220 V, a névleges árama 60 A, míg az érzékenysége állítható volt 12,5 és 17,5 mA között. Az újszerű kialakításának köszönhetően nagyon gyors leoldási sebesség volt rá jellemző. Ezek az értékek együttesen már bőven az emberi szív és keringési rendszer által elviselni képes határokon belül voltak.[* 23] A rendszer megszakítóval, biztosítóval és rövidzár-védelemmel is el volt látva, amelyek együttesen a mostani FI relék elődjévé tették. Rubin készüléke az eredeti prototípus kiegészítéseként később már azzal a képességgel is rendelkezett, hogy le tudott kapcsolni a megszakadt nullavezető esetében is. Ez különösen fontos volt az elektromos tüzek elleni védekezésben. Egy aranybányákhoz közeli faluban[* 24] élő nőt ért áramütéses háztartási balesetet követően néhány száz otthonban F.W.J. gyártmányú 20 mA érzékenységű eszközöket szereltek fel az 1957 és 1958 közötti időszakban. Az F.W.J. Electrical Industries nevű cég[* 25] a későbbiekben is folytatta a 20 mA-es egyfázisú és háromfázisú magamp eszközök gyártását. Miközben Rubin a magamp-on dolgozott, megpróbálkozott a tranzisztoros megoldással is, de a korai tranzisztorok még túl megbízhatatlannak bizonyultak. Később, amikor már fejlődött a félvezetőgyártás, Rubin cége, illetve más cégek is elkezdtek tranzisztor alapú hibaáram-védelmi készülékeket gyártani.
1961-ben Charles Dalziel a Rucker Manufacturing cégnél kifejlesztett egy tranzisztor alapú megoldást,[14] amit Ground Fault Circuit Interrupter (GFCI)-nek neveztek. Ez nyers fordításban Földzárlati Áramköri Megszakító-t jelent. Néha rövidítették GFI-nek (Ground Fault Interrupter, Földzárlati megszakító) is. Ez a megnevezés a nagyérzékenységű érintésvédelmi eszközökkel kapcsolatosan még mindig használatban van az USA-ban.
Az 1970-es évek elején az észak-amerikai GFCI eszközök voltak a legelterjedtebb megszakító típusok, majd a fali csatlakozó aljzatba beépített változat vált általánossá a 80-as években. Az elosztó panelbe (kismegszakító dobozba) telepített változatok gyakori lekapcsolását a gyenge vagy nem megfelelő szigetelések okozták. De gyakoriak voltak a hibás leoldások akkor is, amikor túlságosan hosszú vezetékezésű áramköröket szereltek. Ezeknél már alaphelyzetben annyi szivárgóáram volt jelen, hogy egészen kis további hibaáramra azonnal leoldott a védelem. Az észak-Amerikában elterjedt megoldásként a fali csatlakozóaljzatba szerelt változat mérsékelte ezt a problémát. Könnyen belátható, hogy ezzel a megoldással tulajdonképpen csak kényelmesen elfedték a teljes hálózaton jelentkező hibaáramokat, miközben védelmet biztosítottak a végpontokon, amelynek szükségessége nedves környezetben (pl. fürdőszoba) különösen fontos volt.
Az európai szerelési gyakorlatban inkább a betáplálási oldali megoldásokat részesítették és részesítik ma is előnyben, amellyel az egész hálózatnak lehet védelmet biztosítani, ideértve a teljes vezetékezést is. Ennek hátránya, hogy egy fogyasztói hiba esetén az egész hálózat lekapcsolásra kerül, vagyis nem szelektív a leoldás. A fali csatlakozóaljzat kivitelű felhasználás Európában nem terjedt el