Hvad er et HPFI-relæ godt for?

HPFI-relæet er en fejlstrøms­afbryder, en beskyttelses­kompo­nent i det elektriske system, som er påkrævet i fx bolig­installationer nu om dage.

Generelt er det sådan, at en el-installation er fuldt ud lovlig, hvis installationen var i overensstemmelse med lovgivningen på det tidspunkt, hvor den blev lavet.

I en pressemeddelelse fra Sikkerhedsstyrelsen fra den 12. september 2006 forlød det, at alle bygninger i Dan­mark senest den 1. juli 2008 skulle have HPFI-afbrydere installeret i elinstallationerne (eksisterende virksomme HFI-afbrydere krævedes dog ikke udskiftet til fejlstrømsafbrydere af HPFI-typen). Det nye krav gjaldt både boliger og erhverv. Kravet var et brud med hidtidig praksis, der som nævnt har været, at en elinstallation er lovlig, hvis den var lovlig på udførelses­tidspunktet.

• Hvordan virker HPFI-relæet?
• Elektrisk strøm igennem en person
• Hvad er forskellen på et HFI- og et HPFI-relæ?
• Andre egenskaber ved en fejlstrømsafbryder
• Når fejlstrømsafbryderen kobler ud
• Opsummering

Hvordan virker HPFI-relæet?

Elektriske fejlsituationer vil ofte skabe en ubalance i dette forhold, fx en person, der rører ved en spændings­førende del og får elektrisk chok. En del af strømmen vil i dette tilfælde, i stedet for at returnere gennem ledningerne, blive afledt til jord. Et i instal­lationen siddende HPFI-relæ vil koble elektriciteten fra, såfremt fejlstrømmen er tilstrækkelig stor i relation til fejlstrømsrelæets mærkeudløsestrøm.

Spændingsførende dele og deres evne til at give elektrisk stød

SB-A6 § 213.1 Spændingsførende del.

Leder eller ledende del, som er beregnet til at være under spænding ved normal brug. Nullederen betragtes som spændingsførende del. PEN-lederen betragtes ikke som spændingsførende del.

Et elektrisk stød kan opleves ved udlad­ning af statisk elektri­citet, fx fra en fingerspids til lågen i kølemon­tren i su­per­mar­kedet. Elek­tricitets­mæng­den er dog sædvanligvis så lille, at det blot føles som et kort­varigt stik. Ener­gien i den elektriske gnist er imidlertid stor nok til at kunne antænde eksplosive dampe, som det ses på oven­stående billedserie, hvor en billist, der havde sat sig ind i bilen under den automatiske optankning (og derved, efter alt at døm­me, var blevet opladet med statisk elek­tricitet), skal til at fjerne benzinstanderens pistol, da der springer en gnist. Havde der været en varig kontakt mellem hånd og pistol under op­tank­ningen, var der ikke opstået den potentiale­forskel, som forår­sagede den springende gnist. Efter sigende skulle denne risiko være årsagen til, at der på tank­stationer uden bemand­ing ikke kan tankes automatisk.

Elektricitetskommissionen tillod ligefrem, da elektro­teknikken i Danmark endnu var ganske ung, anvendelse af føringsrør af stål (Peschel­rør­systemet) eller det metal­liske hylster på så­kaldt rørtråd, som strømførende (og altså umiddelbart berørings­tilgængelig) nulleder, som det fremgår af neden­stående ud­drag fra en lærebog fra 1916, en bog til brug for elinstal­latører, der ville tage den stats­autoriserede eksa­men:

Komm. tillader - Kbhn. derimod ikke - at Rørene ved Anlæg med jordforbunden Nulleder er strømførende i almindelige, fuldstændig tørre Rum, hvor ingen særlige Forhold gør sig gældende; altsaa f. Eks ikke i Rum med letantændelige Stoffer, Teatre o. s. v. Man maa naturligvis i dette Tilfælde sørge for en god ledende Forbindelse ved Rørsamlingerne, hvorfor Lakken omhyggelig maa fjernes fra Rørenderne, forinden disse, efter at være indfedtede med en særlig »Kontaktpasta«, anbringes i Muffer m. m.

[E. v. Holstein Rathlou: Stærkstrøms­elektroteknik, 1916]

En teknisk forklaring på en fejlstrømsafbryder

Skitse over et HPFI-relæs konstruktion.

Tilgangs- og afgangsterminaler

Sumstrømstransformeren og afbrydermekanismen

I et elektrisk kredsløb uden afledninger er det karakteristisk, at den vektorielle sum af strømmene i de invol­ve­rede forsyningsledninger, her 3 faser og nul, er lig med nul. Det betyder i praksis, at der i en fejlfri installation ikke induceres nogen spænding i sumstrømstransformeren, hvorfor der i transformerens sekundærviklinger heller ikke er nogen strøm at gøre godt med til at udløse udkoblingsmekanismen, som er skitseret ude til højre.

Det omvendte er tilfældet i en fejlramt installation, hvor fejlen består i en strøm­afledning. Den vektorielle sum af strøm­mene gennem relæet vil i denne situation være forskellig fra nul, og der vil induceres en spænding i sekun­dær­viklingen (sumstrøms­trans­formeren). Afhængig af fejlstrømmens størrelse vil den inducerede spænd­ing give tilstræk­kelig energi til at effektuere udkoblings­mekanismen og den tilsluttede strømkreds gøres strømløs.

På dette HFI-relæ fra 1970'erne ses tydeligt konstruktionsprin­cip­pet i en fejlstrømsafbryder. De kraftige strømførende ledninger, som er forbundet til tilslutningsterminalerne, føres gennem en sumstrømstransformer, hvor de selv udgør primærviklingen.

Prøvekredsløbet

Ovenstående oplysning ville der være brug for, hvis installatøren skulle finde på at anvende en fejlstrøms­afbryder beregnet til 3 faser og nul til fx en enfaset installation. I et sådan tilfælde måtte man lade de spændingsførende ledere anvende de terminaler, som testknappen er tilknyttet, for at testknappen skulle kunne anvendes til den løbende "motionering" af relæet. Om afbryderen kobler ud inden for fastsatte tidsgrænser og mærkefejlstrøm er testknappen ikke beregnet til at sige noget om.

Effektiviteten af en fejlstrømsafbryder kan efterprøves ude i installationen med en FI-tester, hvorved der fremtvinges en kontrolleret fejlstrømssituation.

Jordslutningsrelæet

Principdiagram for et jordslut­nings­relæ, der virker ved kort­slutning. Fra E. C. Eriksen mfl: Elektroteknik, 1945.

Kapslingen til et gammelt FU-relæ fra NES. Kompo­nenten kortsluttede en sik­ringsgruppes 3 faser og nul i tilfælde af afled­nings­fejl på stel på fx et komfur. Spo­lens mærke­strøm: 0,14 A.

På billedet til højre ses øverst en sikringsgruppe med tilgang af 3 faser R, S og T samt nul. Gruppen for­syner nederst en brugsgenstand, fx et komfur med kogeplader. Jordslut­nings­relæets spole S er forbundet mellem en jord­elektrode og stel på brugs­genstanden. Hvis der opstår en afledning til stel på komfuret vil det resultere i en spændings­forskel over spolen. Dette forårsager en strøm gennem samme og en magnetisk tiltrækning af ankeret A. Ankerets kort­slut­nings­flade kunne fx være et stykke kul.

Grænsen for, hvornår relæet senest skulle lade sig aktivere, var en spænding på 42 V AC på det fejlramte stel i forhold til jord. Motivet til at anvende jordslutnings­relæet, fremfor blot at forbinde steldelene direkte til jord, opstod ved problemer med at opnå en tilstrækkelig god jordforbindelse til at sikringerne ville springe i tilfælde af fejl. Den nødvendige strømstyrke skal som bekendt ligge væsentligt over sikringernes mærke­strøm for at der afbrydes inden­for kort tid. Der var krav om en over­gangs­modstand til jord ved direkte jording på kun 2 ohm, mens over­gangs­mod­standen ved anvendelse af et jord­slut­nings­relæ fint kunne være 100 ohm. Fejlstrømmen, der kunne udløse jord­slutnings­relæet, kunne fx være 50 mA. Relæet på billedet til venstre har en mærkestrøm på 140 mA, svarende til en tilladelig overgangsmodstand til jord på 300 ohm ved en maksimal berøringsspænding på 42 V.

En komponent, der virker ved en magnetspole indskudt mellem en brugsgenstands stel og en jordelektrode, kaldes nu om dage for et fejlspændingsrelæ.

Elektrisk strøm igennem en person

Den faktiske udløsestrøm i et HPFI-relæ kan sagtens være lavere end de 30 mA, eftersom tolerancen nedefter, på fejlstrømsafbryderes mærkeudløsestrøm, er 50 % (opefter er tolerancen 0 %).

Faktorer, der spiller ind på strømstyrken gennem en person ved en el-ulykke, er fx hudens tørhed, arealet af kropsberøringen og den påførte spænd­ings­forskels størrelse og art (AC/DC).

Stort set hvert år hører man om elulykker i forbindelse med ureglementeret nærhed til højspændingsledninger, fx personer der er kravlet op på taget af et tog eller op i en elmast. Elektriske tog forsynes fx ved 25.000 volt. Ved så høje spænd­inger er en egentlig berøring af den elektriske ledning ikke nødvendig før ulykken kan ske. Blot en tilstræk­ke­lig nærhed til det høje potentiale gør, at en lysbue kan springe fra den elektriske ledning til den nærværende per­son. Ved den slags installationer sidder der ikke nogen beskyttende HPFI-afbryder foran.

Varigheden af strømgennemgangen er en vigtig faktor mht ulykkens alvorlighed. Selvom et HPFI-relæ har en mær­ke­udløsestrøm på 30 mA, er der dybest set ikke noget i relæet, som begrænser fejlstrømmens størrelse i den brøk­del af et sekund der går inden relæet kobler fra. Minimeringen af de eventuelle skader ligger i den lynhurtige udkobling. I artiklen omkring test af fejlstrømsrelæer blev der målt udkob­lings­tider på omkring 20 ms (0,02 s).

Stærkstrømsbekendtgørelsen Afsnit 2, Udførelse af elfor­synings­anlæg, beskæftiger sig med emnet med henblik på fastlæggelse af tilladelige berøringsspændinger ved fejl på forsyningsanlæg (trans­former­stationer). Med baggrund i standarden IEC 60479-1, menes en person med god sandsynlighed at slippe hel­skindet fra en strøm på 900 mA fra hånd til fødder, hvis strømgennem­gangen varer i højst 0,05 sekunder (50 ms). Dette skulle svare til en tilladelig berørings­spænding på næsten 800 volt. 220 volt skulle kunne udholdes i 0,5 sekunder med en forventelig strøm gennem kroppen på 200 mA. Tankegangen er altså, at jo højere berørings­spænding en person udsættes for, jo hurtigere skal sikker­heds­udstyret koble fra.

Fra samme kilde kan det erfares, at kroppens impedans (modstand) er forskellig, alt efter hvilken spændings­forskel den påtrykkes. Jo større spændingsforskellen er, jo mindre bliver kroppens modstand. Ved en spændings­forskel på 25 volt mellem en hånd og en fod skulle der være ca 3250 ohm, mens der ved en påtrykt spænding på 1000 volt kun er 1050 ohm mellem de to legemsdele.

Harold P. Brown, som man på denne hjemmeside kan stifte nærmere bekendt­skab med i artiklerne omkring den elektriske stol, skrev i et amerikansk måneds­magasin i november 1889 blandt andet følgende omkring emnet:

En mediciner fra New York fortalte for nylig om en person, hvis elektriske modstand skulle være 500.000 ohm, hvilket er et overordentlig højt isolationsniveau. I nævnte tilfælde må målingen være foretaget med en let berøring af elektroderne med de spidse ender af lange kinesiske fingernegle. 1000 ohm ville repræsentere modstanden i kroppen, resten selve berøringsmodstanden og fingerneglene. For at afgøre spørgsmålet lavede hr Edison nogle modstandsmålinger på mellem 400 og 500 personer, og med hans karakteristiske originalitet udviklede han midler, hvormed der blev opnået ensartede testbetingelser. To krukker fyldtes med en svag opløsning af kaustisk potaske og blev forbundet til måleapparaturet. Hver person dyp­pede sine udstrakte hænder i væsken indtil enderne af langfingrene ramte bunden. Hænderne var nedsænket i 30 sekunder før et måleresultat blev noteret. Denne forsinkelse tillod potasken at reagere med olien i huden, idet denne blev omdannet til en sæbeopløsning i vandet, hvorved berøringsmodstand og modstand i overhuden blev praktisk talt elimineret.

Den gennemsnitlige modstand blev bestemt til 1000 ohm. Det højeste måleresultat var blot 1970 ohm. Variationen skyldtes uden tvivl arealet af hudoverfladen, der var i kontakt med væsken, eftersom antallet af ohm pr kvadrat­centimeter overflade var praktisk talt det samme i alle de tilfælde, hvor arealet blev målt. Rapporten udarbejdet af hr Edisons ledende elektriker, hr A. E. Kennelly, er yderst overbevisende. I mere hverdagsagtige tilfælde, hvor huden ikke med hr Edisons metode er blevet specielt forberedt til at modtage strømmen, viser det sig, at strømpassagen hurtigt reducerer modstanden i overhuden ved at bringe mere saltholdige væsker dertil. Jo større spænding strømmen har, jo hurtigere falder modstanden.

[Oversættelse fra The North American Review, november 1889]

Omkring 1908 blev der i Selskabet for Naturlærens Udbredelse afholdt et foredrag af elektroingeniøren William Rung [1873-1939]. Omkring den personlige fare ved elektriske strømme fortaltes blandt andet følgende...

Jeg skal her først omtale den personlige Fare og maa her først og fremmest besvare Spørgsmaalet: Hvilken Spænding er farlig, og hvor er Grænsen? Dette spørgsmål lader sig imidlertid ikke besvare direkte; det afhænger altfor meget af de tilfældige Omstændigheder og af vedkommende Persons Konstitution i det Øjeblik, han er i Berøring med Led­ning­erne. Man kan som Regel sige, at Spændingen er farlig, saasnart Lammelsen af Musklerne er saa stærk, at man ikke selv er i Stand til at frigøre sig fra Berøringen. Hvornaar dette indtræffer, er hovedsagelig afhængig af den Strøm­styrke, som passerer vedkommende Persons Legeme; efter de af Prof. H. F. Weber foretagne Forsøg, er en Lam­mel­se af Musklerne fuldstændig ved en Strømstyrke på 0,03 Amp. Dette er imidlertid ikke Tilfældet med alle Per­soner, nogle kan taale betydeligt mere, ja endog indtil 0,1 Amp., og andre er allerede fuldstændig lammede ved be­tydelig lavere strømstyrke. Efter stærk Nydelse af Alkohol skal man være særlig følsom. Den Strømstyrke, som gen­nemstrømmer Legemet, er nu afhængig af to Faktorer, nemlig Spændingen og Legemets Modstand. Det menneskelige Legemes Modstand er gennemsnitlig 500 Ohm, maalt fra Haand til Haand og Hudens Modstand ikke iberegnet. Hudens modstand er pr. cm.² Berøringsflade ca. 50000 Ohm. Omfattes nu Ledningerne med hele Haanden, hvis indvendige Flade er ca. 100 cm.², saa er altsaa Haandens Modstand 500 Ohm; berøres Ledningen kun med en Finger, bliver Overgangsmodstanden derimod 50000 Ohm. Det ses altsaa, at den Strøm, som passerer det menne­skelige Legeme, i høj Grad afhænger af den Maade, hvorpaa Berøringen foregaar, og dette forklarer tildels ogsaa, at Personer er komne i Berøring med flere Tusind volt, uden at blive dræbt, medens i andre Tilfælde 100 Volt Veksel­strøm har været tilstrækkelig til at medføre Døden.

Det er endvidere i høj Grad forskelligt, om man berører begge Ledninger eller kun den ene. Berører man begge Poler, er det udelukkende ens egen Modstand, som spiller en Rolle, berører man derimod kun den ene Pol, er det ikke alene ens egen Modstand, men ogsaa ens Overgangsmodstand til Jord, som er afgørende for Strømstyrken; staar man f. Eks. helt isoleret fra Jorden, kan man uden mindste Fare berøre den ene Pol af en Elektricitetskilde med den stær­keste Spænding. Dette forekommer f. Eks. med Fuglen, som kan sætte sig paa Højspændingsledninger uden at tage Skade. Ganske vist vil der i det Øjeblik, man berører Ledningen, strømme en vis Ladestrøm over i En, men da det menneskelige Legemes Evne til at optage Elektricitet er overordentlig lille, vil denne Strøm være ganske umærkelig.

[William Rung: Elektrisk Kraftoverføring ved højspændt Vekselstrøm (Fysisk Tidsskrift, 1909)]

Hvad er forskellen på et HFI- og et HPFI-relæ?

Et HPFI-relæ har ovenstående lighedspunkter, men herudover har komponenten også en egenskab, der gør den egnet i installationer, hvor der forekommer Pulserende jævnstrømme. Disse strømme er at finde i brugs­genstande med elek­troniske styringer som fx vaskemaskiner, lysdæmpere mv. Et HFI-relæ er konstrueret til at reagere på fejlstrømme, som er sinusformede. Et HPFI-relæ kan yderligere håndtere fejlstrømme af typen pulserende jævn­strømme. Dvs, at relæet også kobler ud ved denne type fejlstrømme, mens HFI-relæet ikke gør. Endelig kan der (typisk i industri­installa­tioner) opstå fejlstrømme, der har karakter af "jævn" jævnstrøm. Her må HPFI-relæet melde pas og i stedet anvendes relæer af en helt tredie type, der nedenfor ses benævnt som type B.

Neden­stående symbol kan ses påtegnet et HPFI-relæ. Symbolet viser både en sinusformet vekselstrøm og en pul­serende jævnstrøm.

I nye boliger i dag er der krav om en fejlstrømsafbryder af typen HPFI.

Fejlstrømsrelæer rubriceret som type AC, A, F eller B

• Type AC - følsom over for fejlstrømme af typen vekselstrøm (fx FI og HFI).
• Type A - som type AC plus følsomhed over for fejlstrømme af typen pulserende jævnstrøm (fx PFI og HPFI).
• Type F - som type A men herudover kan afbryderen også reagere overfor pulserende jævnstrøm overlejret på en glat jævnstrøm.
• Type B - som type F plus følsomhed over for fejlstrømme af typen vekselstrøm overlejret på en glat jævnstrøm samt en glat DC fejlstrøm.

Engelske betegnelser for en fejlstrømsafbryder

• GFCI - Ground Fault Circuit Interrupter
• ELCB - Earth Leakage Circuit Breaker
• RCD - Residual Current Device
• RCCB - Residual Current Circuit Breaker

Andre egenskaber ved en fejlstrømsafbryder

Stødstrømssikkerhed

En uforsinket fejlstrømsafbryder kan fx have en stødstrømssikkerhed på op til 250 A efter den standardiserede 8/20 impulsform. Denne impulsform afspejler den typiske transient ved omkoblinger i ledningsnettet. Tallene betyder sådan ca, at der går 8 µs indtil transienten når sit maksimum, mens der går 20 µs fra start indtil tran­sienten daler til et niveau af 50 procent af maksimum. Overstiger stødstrømmen den opgivne stødstrøms­sik­kerhed, eller er impulsformen afvig­ende fra den standardiserede udgave, er der ingen garanti for, at fejlstrøms­afbryderen forbliver indkoblet. Impuls­formen for et lyn ses fx opgivet som 10/350.

Selektive fejlstrømsafbrydere finder man stødstrømsfaste op til fx 5000 A. Endelig er der kort­tids­forsinkede fejl­strøms­afbrydere (indbygget forsinkelse på fx 10 ms), hvor upåvirkeligheden over for stødstrømme også forøges betragteligt i forhold de oven­for nævnte 250 A for uforsinkede fejlstrømsafbrydere, fx op til 3000 A.

Selektivitet

En elinstallation er gerne selektivt opbygget. Dvs at der ved fejl i en strømkreds kun sker udkobling i det umiddel­bart foransiddende beskyttelses­udstyr. Det ville fx være usmart, at mastesikringen sprang, fordi der skete en kort­slutning i en brugsgenstand i en bolig. Det bør kun være kortslutnings­beskyttelsen i gruppetavlen, foran den pågæld­ende strøm­kreds, der udkobler. Selektivitet opnås med sikringer umiddelbart ved at lade mindre sikringer sidde efter større sikrings­størrelser.

Selektivitet med fejlstrømsafbrydere opnås ikke nødvendigvis ved at lade et HPFI-relæ (30 mA) sidde efter et PFI-relæ (fx med en udløsemærkestrøm på 300 mA). Hvis en opstået fejlstrøm, ude i den yderste strømkreds beskyttet af HPFI-relæet, kun er på 40 mA så jo, så ville kun HPFI-relæet koble fra. Men hvad nu hvis fejl­strømmen nåede helt op på 500 mA? Hvilket relæ ville reagere hurtigst eller ville de mon begge falde ud? Ved at anvende et selektivt PFI-relæ, ville det kun være HPFI-relæet, der koblede ud.

Hvis fejlen opstod på strækningen mellem PFI- og HPFI-relæ ville PFI-relæet koble ud, men altså med en vis for­sinkelse (fx 0,5 sekunder ved en fejlstrøm svarende til udløsemærkestrømmen).

Et selektivt fejlstrømsrelæ kommer følgelig ind i billedet i installationer, hvor der sidder flere relæer efter hinanden.

Når fejlstrømsafbryderen kobler ud

En (tilsyneladende) periodisk fejl kan fx hænge sammen med en defekt i et varmelegeme i en vaskemaskine eller i en vand­varmer således, at strøm­afled­ningen, og dermed udkob­lingen af fejl­strøms­afbryderen, kun opstår når det pågæld­ende varmelegeme bliver strømførende på foranledning af programværket i maskinen eller en termostat. Hvis udkob­ling­en gentager sig med kortere tids­mellemrum, er det altså værd at overveje, hvilke brugsgen­stande, der har været til­sluttet når udkob­lingen sker.

Hvis fejlstrømsafbryderen kobler ud øjeblikkeligt når tavle­kompo­nentens kontaktarm forsøges koblet ind, så er der op­stå­et en ved­varende isolationsfejl i installationens kabling eller i en tilsluttet brugsgenstand. Hvis der er lavet en velstruk­tureret og opmær­ket opdeling af instal­lationens gruppeafbrydere (opmærk­ning er påkrævet jf SB-A6 § 514.1), kan man koble alle grupperne ud, koble fejlstrømsafbryderen til, og ved at genind­koble én gruppe ad gangen kan man opdage, hvor i installa­tionen fejlen skal søges. I denne afgrænsede del af instal­lationen kan man så koble alle brugsgenstande fra og ved efterfølgende at tilslutte dem én ad gangen opklares det, hvilken brugs­genstand, der får fejlstrøms­afbryderen til at slå fra. Er det kablingen den er gal med må en fagmand med en megger måle strømkredsene igennem for at finde og udbedre isolations­fejlen.

Afledningsfejl skal ofte findes i maskiner, der indeholder varmelegemer og vand samt i installationer og brugsgen­stande, der er placeret udendørs.

Opsummering

Et HPFI-relæ udmærker sig endvidere ved, i modsætning til HFI-relæerne man opsatte fra starten af 1970'erne, at kunne håndtere pulserende jævnfejlstrømme, der kan forekomme i brugsgenstande med elektroniske styringer.

Ved risiko for rene DC-fejlstrømme, som fx kan forekomme ved fejl i frekvens­omformere eller UPS-anlæg for­synet fra alle 3 faser, er det nødvendigt at anvende en fejlstrømsafbryder klasse B.

• Test af et fejlstrømsrelæ
• FI-tester
• Hvad betyder 'beskyttelse mod indirekte berøring'?
• Børn berører et elektrisk hegn (video)
• Hvad er nulling?
• Isolationsfejl på en lampeledning
• Isolationsfejl på et kabel
• En jordelektrodes overgangsmodstand til jord
• Statisk elektricitet og benzindampe

• Residual current devices in LV [Schneider Electric] (pdf)
• Think like a GFCI [Electrical Construction and Maintenance]
• The Basics of Electric Shock [Electrical Construction and Maintenance]
• Electric Shock [HyperPhysics]
• IEC/TS 60479-1 - Effects of current on human beings and livestock [IEC]
• The North American Review: The New Instrument of Execution, by Harold P. Brown [Making of America]
• Stærkstrømsbekendtgørelsen, afsnit 6 Elektriske installationer [Retsinfo]
• Stop Static [Petroleum Equipment Institute] (film fra tankstation)