Fakulteta za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani
Avtor: Izr. prof. dr. Marko Jankovec
Po krajšem premoru se spet vračamo v skorajda redno rubriko vaše priljubljene revije, v kateri smo že podrobno predstavili področje in ukrepe za doseganje elektromagnetne združljivosti, filtriranje in stabilizacijo napajanja z blokirnimi kondenzatorji.
Navedene ukrepe zahteva evropska direktiva o elektromagnetni združljivosti – EMC direktiva. Druga pomembna EU direktiva pa je direktiva o varnosti električnih naprav, t.i. nizkonapetostna oziroma LV (ang. Low Voltage) direktiva [1].
Zakaj nizkonapetostna?
Kaj sploh pojmujemo pod nizko napetostjo? Za elektronike je nizka napetost 5 V ali manj in nas 9-voltna baterija že dobro speče v jezik, medtem ko energetikom srce poskoči šele, ko se pogovarjajo o 400 kV daljnovodih. Nizkonapetostna direktiva se uporablja za električno opremo, zasnovano za uporabo z nazivno vhodno ali izhodno napetostjo med 50 in 1000 V AC oziroma med 75 in 1500 V DC, razen za opremo, ki je iz njenega področja uporabe izrecno izključena. Izdelki pod temi napetostnimi mejami niso nujno brez zakonskih varnostnih zahtev. Zanje lahko velja druga sektorska zakonodaja ali Uredba (EU) 2023/988 o splošni varnosti proizvodov [2].
Nizkonapetostna direktiva torej govori o varnosti električnih naprav in glede na ime si predstavljamo, da to pomeni predvsem varnost pred električnim udarom. V direktivi med drugim piše: »Električna oprema je lahko dostopna na trgu Unije le, če je bila načrtovana v skladu z varnostnimi pravili stroke, ki veljajo v Uniji, in ki, kadar je primerno vgrajena, vzdrževana in uporabljena za predvideni namen, ne ogroža zdravja in varnosti ljudi ter domačih živali ali premoženja.«
Dikcija direktive torej ne izpostavlja posameznih nevarnosti, temveč se na splošno sklicuje na zdravje in varnost ljudi, domačih živali in premoženja. Tako poleg zaščite pred nevarnostjo poškodbe, ki jo lahko povzroči neposreden ali posreden dotik nevarnih delov pod napetostjo, direktiva pokriva tudi druge nevarnosti električnega, mehanskega in okoljskega izvora.
Nevarne temperature lahko na primer povzročijo opekline ob dotiku pregretega hladilnega telesa ali vžig plastičnega ohišja zaradi preobremenjene komponente. Električni oblok lahko nastane ob prekinitvi velikega električnega tokokroga, pri kratkem stiku ali na nezanesljivem priključku ter povzroči opekline, požar ali poškodbe vida. Med nevarna sevanja sodijo na primer premočno lasersko, ultravijolično ali infrardeče sevanje, pa tudi močno elektromagnetno polje.
Električna oprema lahko povzroča tudi mehanske nevarnosti. Uporabnik se lahko poškoduje na nezaščitenem ventilatorju, vrtečem se pogonskem mehanizmu, ostrem robu ohišja ali zaradi prevrnitve težke in nestabilne naprave. Nevarnosti zaradi zunanjih vplivov se pojavijo, kadar naprava ni ustrezno zaščitena pred vlago, prahom, kondenzacijo, mehanskimi udarci, vibracijami ali previsoko temperaturo okolice. Značilen primer je vdor vode v napravo, namenjeno uporabi na prostem, zaradi katerega lahko nastane električni stik med deli pod napetostjo in ohišjem.
Direktiva zahteva tudi zaščito pred posledicami predvidljivih preobremenitev. Kratek stik na izhodu napajalnika, blokiran elektromotor, preobremenjena vtičnica ali odpoved ventilatorja ne smejo povzročiti nevarnega pregrevanja, požara ali porušitve izolacije. Zato se uporabljajo varovalke, temperaturne varovalke, tokovne omejitve, termostati, zaščitni odklopniki in drugi ukrepi, ki napravo ob nevarnem stanju izključijo ali omejijo njeno moč. Pri preverjanju zaščite ob okvari se simulirajo razumno predvidljive posamezne okvare, na primer prekinitev zaščitnega vodnika, kratek stik ali prekinitev komponente, odpoved ventilatorja, blokiranje odprtin za hlajenje ali preobremenitev izhoda. Naprava tudi v takem stanju ne sme povzročiti električnega udara, požara ali druge nesprejemljive nevarnosti.
V tej seriji prispevkov se bomo osredotočili na zaščito pred električnim udarom. Nizkonapetostna direktiva določa bistvene varnostne cilje, ne določa pa konkretnih debelin izolacije, zračnih razdalj ali preskusnih napetosti. Te zahteve določajo harmonizirani in drugi tehnični standardi. Uporaba harmoniziranega standarda, katerega sklic je objavljen v Uradnem listu EU, proizvajalcu omogoča domnevo o skladnosti z ustreznimi varnostnimi cilji direktive. Za konkreten izdelek je zato najprej treba poiskati ustrezen produktni standard, kot npr.
EN 62368-1 za avdio-, video- in informacijsko-komunikacijsko opremo,
EN 61010-1 za merilno, krmilno in laboratorijsko opremo,
EN 60335-1 za gospodinjske in podobne električne aparate,
EN 61558 za transformatorje in napajalne enote,
standard EN 60664-1 pa se uporablja kot horizontalna osnova za koordinacijo izolacije, na podlagi katerih se določijo zračne, plazilne razdalje in zahteve za trdno izolacijo, tako kot kaže slika 1.
Izolacija
Pri načrtovanju izolacije razlikujemo funkcionalno, osnovno, dodatno, dvojno in ojačeno izolacijo. Standard IEC 60664-1 določa predvsem načela koordinacije izolacije ter zahteve za zračne in plazilne razdalje in trdno izolacijo [3]:
Funkcionalna izolacija je potrebna za pravilno delovanje naprave, vendar sama po sebi ni namenjena zaščiti uporabnika pred električnim udarom, saj ni projektirana z ustreznimi varnostnimi faktorji. Primeri so lak na navitju transformatorja med ovoji, dielektrik med ploščama kondenzatorja ali razdalja med linijami na tiskanem vezju, ki so v območju iste napajalne domene.
Osnovna izolacija je minimalnavarnostna zahteva in zagotavlja osnovno zaščito pred električnim udarom pri normalnem delovanju naprave pri predvidenih pogojih. Preprečuje dotik nevarnih delov pod napetostjo pri normalnem delovanju, vendar njena odpoved sama po sebi še ni obravnavana kot varno stanje. Če osnovna izolacija odpove, lahko namreč uporabnik pride v stik z nevarno napetostjo. Primeri osnovne izolacije so izolacija omrežnega vodnika v notranjosti naprave razreda I, izolacija med delom pod omrežno napetostjo in zaščitno ozemljenim kovinskim ohišjem, ustrezna razdalja na tiskanem vezju med omrežnim vodnikom in zaščitno ozemljenim prevodnim delom.
Dodatna izolacija je neodvisna izolacija, dodana osnovni izolaciji, da zagotovi zaščito ob odpovedi osnovne izolacije.
Dvojno izolacijo dobimo, ko osnovni izolaciji dodamo dodatno izolacijo tako, da zagotovi zaščito ob odpovedi osnovne izolacije. Primer: plastično ohišje, ki nima dotakljivih kovinskih delov in predstavlja dodatno izolacijo glede na vanj vgrajeno tiskano vezje in izolirane kable.
Ojačena izolacija je enoten izolacijski sistem, ki zagotavlja enakovredno stopnjo zaščite kot dvojna izolacija. Ni nujno sestavljena iz enega samega homogenega sloja, temveč lahko vključuje več slojev, pregrad ali razdalj, ki so kot celota dimenzionirani in preskušeni kot ojačena izolacija. Primer je izolacijski sistem med omrežnim primarjem in dostopnim SELV-izhodom napajalnika razreda II ali povečana razdalja med linijami na tiskanem vezju glede na razdaljo osnovne izolacije.
Izolacijo dimenzioniramo glede na nazivno in delovno napetost naprave, pričakovane prenapetosti, prenapetostno kategorijo, stopnjo onesnaženja, materialno skupino izolanta, nadmorsko višino ter zahtevano zračno in plazilno razdaljo. Ta pravila tudi obravnava standard IEC 60664-1 in si jih bomo podrobno pogledali v nadaljevanju.
Varnost električnih naprav pred električnim udarom temelji na načelu dvojnega varovanja: nevarni deli pod napetostjo ne smejo biti dostopni, dostopni prevodni deli pa ne smejo postati nevarni niti ob predvidljivi okvari enega zaščitnega ukrepa. Dostopnost nevarnih delov se preverja s standardiziranimi preskusnimi sondami, med katerimi je najbolj znan členkasti preskusni prst. Ohišje mora tudi po predvidenih mehanskih obremenitvah in odstranitvi delov, ki jih lahko uporabnik odstrani brez orodja oziroma skladno z navodili za uporabo, preprečevati dotik nevarnih delov pod napetostjo. Za servisno osebje lahko produktni standard določa drugačne pogoje dostopa, opozorila in zaščitne ukrepe. Nevarnost električnega udara pa ni prisotna samo med delovanjem naprave, saj lahko kondenzatorji ostanejo napolnjeni tudi po odklopu napajanja. Standardi zato omejujejo dovoljeno napetost oziroma energijo na dostopnih priključkih po določenem času od izklopa ter zahtevajo ustrezne praznilne upore, zaščitne pokrove ali opozorila.
Standard IEC 61140 razlikuje med osnovno zaščito, ki preprečuje dotik delov pod nevarno napetostjo pri normalnem delovanju, in zaščito ob okvari, ki mora preprečiti nastanek nevarnega stanja tudi v primeru odpovedi enega zaščitnega ukrepa [4]. Standard definira več razredov zaščite pred električnim udarom. V starejših klasifikacijah se pojavlja tudi razred 0, pri katerem ima oprema samo osnovno izolacijo in nima priključka za zaščitni vodnik. Tak koncept za sodobno omrežno opremo praviloma ni sprejemljiv, številni standardi za izdelke pa ga ne dovoljujejo.
Razred I: oprema ima osnovno izolacijo, dotakljivi prevodni deli pa so povezani z zaščitnim vodnikom PE (ang. Protective Earth). Če osnovna izolacija odpove, steče okvarni tok po zaščitnem vodniku, instalacijska zaščita pa mora napajanje odklopiti. Primer take naprave je pralni stroj.
Razred II: oprema nima zaščitnega ozemljitvenega priključka, zato mora biti zaščita zagotovljena z dvojno ali ojačeno izolacijo. Primer je večina majhnih omrežnih napajalnikov oziroma USB polnilnikov.
Razred III: oprema je napajana iz vira SELV (ang. Safety Extra-Low Voltage), torej iz vira ločene varnostne male napetosti, pri kateri v normalnem delovanju in ob eni okvari ne nastopijo nevarne napetosti. Primer je 12-voltna LED svetilka, namenjena priključitvi na ustrezen varnostni izolacijski transformator oziroma napajalnik.
Varnost naprav razreda I je odvisna tudi od pravilno izvedenega zaščitnega vodnika PE in samodejnega odklopa napajanja, ki mora v primeru okvarnega toka po PE vodniku izklopiti vod. Odklop lahko glede na ozemljitveni sistem in velikost okvarnega toka zagotovi varovalka, nadtokovni odklopnik ali naprava na diferenčni tok RCD, pogovorno imenovana tudi FID. RCD meri vsoto tokov v vseh aktivnih vodnikih, ki potekajo skozi njegovo merilno jedro. Če del toka steče po drugi poti, na primer skozi zaščitni vodnik ali človeka v zemljo, je vsota tokov različna od nič in RCD ob prekoračitvi določene vrednosti odklopi tokokrog. RCD lahko glede na zasnovo inštalacije zagotavlja samodejni odklop ob okvari. RCD z nazivnim diferenčnim tokom največ 30 mA se v določenih tokokrogih uporablja tudi kot dodatna zaščita oseb. RCD ne nadomešča osnovne zaščite in praviloma tudi ne zaščitnega vodnika PE, kadar je ta zahtevan.
Izolacijo iz stališča varnosti ne dimenzioniramo zgolj na podlagi napajalne napetosti, temveč na podlagi možnih prenapetostnih dogodkov, ki se lahko zgodijo v omrežju. V ta namen so definirane različne prenapetostne kategorije (CAT I – IV), kot jih navaja standard IEC 60664-1 [3].
V CAT I spada oprema, ki je priključena na tokokroge, v katerih so prehodne prenapetosti posebej omejene na nizko raven. Primer so sekundarni elektronski tokokrogi v napravah, ki so od omrežja galvansko ločeni in zaščiteni pred prenapetostmi.
V CAT II spadajo porabniki, priključeni na fiksno električno inštalacijo, na primer gospodinjski aparati, prenosno orodje in druga oprema.
V CAT III spada oprema, ki je del fiksne inštalacije ali razdelilnega sistema, na primer razdelilne omarice, odklopniki, fiksno ožičenje, stikala in vtičnice.
V CAT IV pa spada oprema na vstopni točki hišne električne inštalacije, na primer števci električne energije, glavne zaščitne naprave in oprema na priključku na distribucijsko omrežje.
Razlike med prenapetostnimi kategorijami so v pričakovanih nivojih in pogostosti neželenih napetostnih sunkov, ki v omrežju nastanejo zaradi udara strele ali drugih hitrih prehodnih pojavov. Kategorija opisuje mesto uporabe in pričakovano prenapetostno okolje na določenem mestu električne inštalacije. Obvladovanje ravni napetostnih sunkov v posamezni prenapetostni kategoriji praviloma zahteva verigo zaščitnih elementov SPD (ang. Surge Protection Devices) od transformatorske postaje, glavne elektro omarice na objektu, notranje razdelilne omarice z varovalkami do prenapetostne zaščite v vtičnici. Če na enem od teh nivojev prenapetostna zaščita ni ustrezna, se lahko ob udaru strele na naslednjem nižjem nivoju pojavi previsok napetostni sunek in posledično odpove zaščita in tudi naprave, ki so priključene za njo. Podaljšek z vgrajenim varistorjem zato ne more nadomestiti ustrezno načrtovane prenapetostne zaščite na izvoru in v razdelilnih omaricah.
Pri dimenzioniranju izolacije moramo upoštevati tudi okolje, v katerem bo naprava delovala, kar standard IEC 60664-1 opisuje s stopnjo onesnaženja – PD 1-4 (ang. pollution degree). Onesnaženje na površini izolacijskih materialov lahko skupaj z vlago omogoči nastanek plazilnih tokov po površinah in električnega preboja. Standard razlikuje štiri stopnje onesnaženja.
PD 1 onesnaženja praktično ni oziroma je prisotno le suho in neprevodno onesnaženje, na primer v hermetično zaprtem sklopu, kot je notranjost hermetično zaprtega releja.
PD 2 je značilna za večino elektronskih naprav v stanovanjskih, pisarniških in laboratorijskih prostorih, kjer je onesnaženje praviloma neprevodno, vendar lahko zaradi občasne kondenzacije začasno postane prevodno.
PD 3 predstavlja industrijske prostore, delavnice in druga okolja, kjer se pojavljata prevoden prah ali pogosta kondenzacija.
PD 4 pa pomeni trajno prevodnost zaradi prahu, dežja, snega ali drugih mokrih razmer, kakršne se lahko pojavijo pri nezaščiteni opremi na prostem.
Višja stopnja onesnaženja praviloma zahteva večje plazilne razdalje in primernejše izolacijske materiale. Pri stopnji onesnaženja 4 je treba praviloma uporabiti dodatne ukrepe, ki zmanjšajo onesnaženje neposredno ob izolaciji, na primer ustrezno ohišje, hermetično zapiranje, zalivanje ali drug preverjen zaščitni sistem.
Naslednja z okoljem povezana lastnost naprave je stopnja zaščite, ki jo zagotavlja ohišje, označena s kodo IP (ang. Ingress Protection). Stopnja onesnaženja opisuje mikrookolje neposredno ob izolaciji, medtem ko koda IP opisuje zaščito, ki jo ohišje zagotavlja pred dostopom do nevarnih delov, vdorom trdnih tujkov in škodljivim vdorom vode. Koda IP je določena v standardu EN 60529 [5].
Prva števka oznake IP označuje zaščito oseb pred dostopom do nevarnih delov in zaščito opreme pred vdorom trdnih tujkov, druga pa zaščito pred škodljivim vdorom vode. Ustrezno zaprto ohišje lahko izboljša mikrookolje v notranjosti naprave, vendar sama oznaka IP še ne določa stopnje onesnaženja, saj je treba upoštevati tudi kondenzacijo, temperaturne spremembe, prezračevanje, staranje tesnil in druge pogoje uporabe. Ni nujno, da ima vsaka naprava, ki spada pod nizkonapetostno direktivo, navedeno stopnjo IP. Naprava za uporabo v suhem notranjem prostoru mora na primer preprečevati dostop s prstom do nevarnih delov, ni pa nujno zaščitena pred vodo. Pri zunanji svetilki, črpalki ali napravi za vlažen prostor pa produktni standard praviloma zahteva ustrezno zaščito pred vodo in pogosto tudi pred prahom.
Izpolnjevanje tehničnih zahtev je samo del postopka ugotavljanja skladnosti. Proizvajalec mora opraviti oceno tveganja, pripraviti tehnično dokumentacijo, izvesti ali zagotoviti potrebne preskuse, izdati izjavo EU o skladnosti in na izdelek namestiti oznako CE. Nizkonapetostna direktiva sama po sebi ne zahteva obveznega zunanjega certificiranja vsakega izdelka, odgovornost za skladnost pa praviloma nosi proizvajalec.
Zaključek
Toliko za tokratno številko. V naslednjem prispevku se bomo podrobneje lotili določanja in načrtovanja zračnih in plazilnih razdalj v elektronskih napravah. Videli bomo, da pri določanju razdalj napetost sama predstavlja le enega od vhodnih podatkov. Enako pomembni so prenapetostna kategorija, stopnja onesnaženja, material izolacije in celo nadmorska višina.
Seznam literature
[1] »Direktiva 2014/35/EU Evropskega parlamenta in Sveta z dne 26. februarja 2014 o harmonizaciji zakonodaj držav članic v zvezi z omogočanjem dostopnosti na trgu električne opreme, ki je načrtovana za uporabo znotraj določenih napetostnih mej«.
[2] »UREDBA (EU) 2023/988 o splošni varnosti proizvodov«. Pridobljeno: 10. julij 2026. [Na spletu]. Dostopno na: https://eur-lex.europa.eu/eli/reg/2023/988/oj/eng
[3] »IEC 60664-1:2020 | IEC«. Pridobljeno: 10. julij 2026. [Na spletu]. Dostopno na: https://webstore.iec.ch/en/publication/59671
[4] »IEC 61140:2016«. Pridobljeno: 9. julij 2026. [Na spletu]. Dostopno na: https://webstore.iec.ch/en/publication/23997
[5] »Ingress Protection (IP) ratings«. Pridobljeno: 12. julij 2026. [Na spletu]. Dostopno na: https://www.iec.ch/ip-ratings
[6] »IP Zaščita – Kaj pomenijo stopnje zaščite IP (IP44, IPX7…)«, Chameleon. Pridobljeno: 12. julij 2026. [Na spletu]. Dostopno na: https://www.chameleon.si/blog/ip-zascita-kaj-pomenijo-stopnje-zascite-ip-ip44-ipx7.html
