Dobezpieczanie wyłączników różnicowopr ądowych bez wbudowanego zabezpieczenia nadprądowego

Transkrypt

1 dr hab. inż. Stanisław Czapp Politechnika Gdańska Dobezpieczanie wyłączników różnicowopr ądowych bez wbudowanego zabezpieczenia nadprądowego Streszczenie: W artykule przedstawiono problematykę dobezpieczania wyłączników różnicowoprądowych. Rozpatrywano dobezpieczanie bezpiecznikami oraz dobezpieczanie wyłącznikami nadprądowymi. Omówiono narażenia cieplne i elektrodynamiczne. Zwrócono uwagę na ryzyko niewłaściwego dobezpieczenia wyłączników różnicowoprądowych, gdy urządzeniem dobezpieczającym jest wyłącznik nadprądowy. 1. Wstęp Wyłączniki różnicowoprądowe bez wbudowanego zabezpieczenia nadprądowego (RCCB ang. residual current operated circuit-breakers without integral overcurrent protection) mają niewielką zdolność wyłączania prądu różnicowego. Najmniejsza wymagana jej wartość to zaledwie 1-krotny prąd znamionowy ciągły (jednak nie mniej niż 5 A), więc w praktyce z zasady wymagają dobezpieczenia. Dobezpieczenie ma również zapewnić, że w stanie zamkniętym wyłącznik różnicowoprądowy wytrzyma cieplne i elektrodynamiczne skutki przepływu prądu przy zwarciu między przewodami czynnymi (L L, L N). Norma przedmiotowa [1] wymaga, aby wyłączniki różnicowoprądowe RCCB w stanie zamkniętym wytrzymywały prąd szczytowy i s oraz całkę Joule a I 2 t o wartościach podanych w tablicy 1. Wytrzymywana całka Joule a powinna być nie mniejsza niż całka wyłączania I 2 t w bezpiecznika bądź wyłącznika nadprądowego stanowiącego dobezpieczenie wyłącznika różnicowoprądowego. Wytrzymywany prąd szczytowy i s natomiast powinien być nie mniejszy niż prąd ograniczony i o wspomnianego bezpiecznika bądź wyłącznika nadprądowego [4, 5, 6, 8]. Tablica 1. Wytrzymywane przez wyłącznik różnicowoprądowy RCCB wartości całki Joule a I 2 t i prądu szczytowego i s [1] I nc, I Δc [A] 5 I n [A] i s [ka],45,47,5,57 I 2 t [ka 2 s],4,45,53,68 1 i s [ka],65,75,9 1,18 I 2 t [ka 2 s],5,9 1,5 2,7 15 i s [ka] 1,2 1,1 1,25 1,5 1,9 2,1 I 2 t [ka 2 s] 1 1,5 2,4 4,1 9, i s [ka] 1,1 1,2 1,4 1,85 2,35 3,3 3,5 3,8 3,95 I 2 t [ka 2 s] 1,2 1,8 2,7 4,5 8,7 22, ,5 Nr

2 I nc, I Δc I n [A] [A] i s [ka] 1,15 1,3 1,5 2,5 2,7 3,9 4,3 4,8 5,6 I 2 t [ka 2 s] 1,45 2,1 3,1 5, 9, , 6 i s [ka] 1,3 1,4 1,7 2,3 3 4,5 4,7 5,3 5,8 I 2 t [ka 2 s] 1,6 2,4 3,7 6, 11, , 1 i s [ka] 1,45 1,8 2,2 2,6 3,4 4,3 5,1 6 6,4 I 2 t [ka 2 s] 1,9 2,7 4 6, , I n prąd znamionowy ciągły wyłącznika różnicowoprądowego I nc prąd znamionowy zwarciowy umowny wyłącznika różnicowoprądowego I c prąd znamionowy różnicowy zwarciowy umowny wyłącznika różnicowoprądowego Rozpatrując wyłącznik różnicowoprądowy o prądzie znamionowym ciągłym I n = 4 A i prądzie znamionowym zwarciowym umownym 6 ka, na podstawie tablicy 1 można stwierdzić, że wyłącznik ten powinien wytrzymać prąd szczytowy do i s = 3 ka oraz całkę Joule a do I 2 t = 11,5 ka 2 s. Wartości wymagane przez normę [1] są nieduże i w obwodach, w których spodziewany prąd zwarciowy ma wartość zbliżoną do prądu znamionowego zwarciowego umownego wyłącznika różnicowoprądowego mogą być przekroczone, co zagraża uszkodzeniem wyłącznika różnicowoprądowego. Producenci mogą oferować wyłączniki różnicowoprądowe wytrzymujące większy prąd szczytowy i większą całkę Joule a niż podane w tablicy 1. Podają wtedy największy dopuszczalny prąd zwarciowy początkowy w miejscu zainstalowania wyłącznika różnicowoprądowego i dodają symbol graficzny bezpiecznika, jeśli dobezpieczenie jest konieczne (tabl. 2). Jeżeli największy dopuszczalny prąd znamionowy wkładki klasy gg jest większy niż 63 A, wartość jego jest podana przy symbolu bezpiecznika. Tablica 2. Przykładowe oznaczenia obciążalności zwarciowej wyłączników RCCB Oznaczenie graficzne Opis oznaczenia 58 6 Obciążalność zwarciowa 6 ka przy dobezpieczeniu wkładką topikową gg o prądzie znamionowym I nb 63 A 1 Obciążalność zwarciowa 6 ka przy dobezpieczeniu wkładką topikową gg 6 o prądzie znamionowym I nb 1 A 1 Obciążalność zwarciowa 1 ka przy dobezpieczeniu wkładką topikową gg o prądzie znamionowym I nb 63 A Jak wynika z tablicy 2, zakłada się, że wyłącznik różnicowoprądowy jest dobezpieczony bezpiecznikiem z wkładką topikową klasy gg. Obok wkładek tej klasy stosuje się wkładki gl lub gf (nieobjęte normami międzynarodowymi IEC ani europejskimi EN), wyłączniki nadprądowe instalacyjne, wyłączniki silnikowe bądź inne wyłączniki nadprądowe.

3 2. Dobezpieczanie bezpiecznikami Dostępne na rynku wyłączniki RCCB przeważnie mają obciążalność zwarciową większą niż wynikająca z tablicy 1. Jeżeli wyłącznik różnicowoprądowy ma oznaczenie 6, to znaczy, że producent gwarantuje obciążalność zwarciową 6 ka przy dobezpieczeniu wkładką gg o prądzie znamionowym I nb 63 A. Zatem największy dopuszczalny prąd znamionowy wkładki klasy gg w tym obwodzie to I nb = 63 A. Zgodnie z normą [9] jej całka Joule a wyłączania nie przekracza I 2 t w = 212 A 2 s. Na podstawie danych katalogowych [1] można stwierdzić, że przy spodziewanym prądzie zwarciowym I k = 6 ka (największym dopuszczalnym dla rozpatrywanego wyłącznika różnicowoprądowego) prąd ograniczony tej wkładki topikowej wynosi i o = 4,2 ka (rys. 1). Zatem wyłącznik różnicowoprądowy dobezpieczony bezpiecznikiem z wkładką gg63 wytrzymuje występujące w obwodzie narażenia cieplne (I 2 t w = 212 A 2 s) i elektrodynamiczne (i o = 4,2 ka). Rys. 1. Prąd ograniczony i o bezpieczników DO1 i DO2 z wkładką gg [1]; linia niebieska wyjaśnia sposób wyznaczania prądu ograniczonego wkładki gg63 dla I k = 6 ka Wkładkę topikową gg63 można zastąpić inną wkładką topikową pod warunkiem, że jej prąd ograniczony i całka Joule a wyłączania nie będą większe niż dla wkładki gg63. Tablica 3 zawiera porównanie charakterystycznych parametrów dla wybranych wkładek topikowych. Prądy ograniczone wkładek podano dla dwóch wartości spodziewanego prądu zwarciowego: 5 ka i 6 ka. Niebieskim tłem zaznaczono wartości większe niż dopuszczalne. Nr

4 Tablica 3. Porównanie charakterystycznych parametrów wybranych wkładek topikowych gg i gf [2, 9] Prąd znamionowy wkładki [A] 6 Całka Joule a wyłączania [A 2 s] gg gf gg Prąd ograniczony [ka] I k = 5 ka I k = 6 ka I k = 5 ka I k = 6 ka , 2,1 1,6 1, ,3 2,4 2,1 2, , 3,2 2,3 2, ,2 3,4 2,5 2, ,7 4,2 3,2 3, ,2 4,4 4, 4,3 3. Dobezpieczanie wyłącznikami nadprądowymi 3.1. Wyłączniki nadprądowe instalacyjne Dobór wyłącznika nadprądowego instalacyjnego do dobezpieczenia wyłącznika różnicowoprądowego jest bardziej kłopotliwy niż dobór bezpiecznika. W przeciwieństwie do bezpieczników, wraz ze wzrostem prądu zwarciowego zwiększa się całka Joule a wyłączania wyłączników instalacyjnych, a więc zwiększają się narażenia cieplne. Dodatkową trudnością jest to, że niewielu producentów wyłączników instalacyjnych podaje dane dotyczące ich prądów ograniczonych. Aby sprawdzić przydatność wyłączników nadprądowych do dobezpieczania wyłączników różnicowoprądowych RCCB, przeprowadzono badania laboratoryjne prądów ograniczonych i całek Joule a wyłączania wybranych wyłączników nadprądowych instalacyjnych [3]. Przebadano wyłączniki nadprądowe o charakterystykach typu B, C i D. Rejestrowano charakterystyczne parametry przy prądzie zwarciowym spodziewanym od 1 do 5 ka. Dla każdego wyłącznika przeprowadzono po trzy próby wyłączania prądu zwarciowego o wartości nastawionej w trakcie kalibracji układu. Podczas próby rejestrowano przebiegi prądu wyłączanego przez wyłącznik oraz napięcia u na jego zaciskach (tego samego bieguna). Na podstawie otrzymanych rejestracji wyznaczono prąd ograniczony i o i całkę Joule a wyłączania I 2 t w. Przykładowe przebiegi wyłączania prądu zwarciowego przez wyłączniki nadprądowe instalacyjne zamieszczono na rysunkach 2 i 3. Pole pod przebiegiem i 2 (zakreskowany obszar) jest równe całce Joule a wyłączania I 2 t w. Na podstawie tych badań opracowano wykresy przedstawiające wartości prądu ograniczonego i o i całki Joule a wyłączania I 2 t w w funkcji spodziewanego prądu zwarciowego I k (przykładowe wykresy zaprezentowano na rys. 4). Każdy wykres zawiera linię poziomą przedstawiającą, zgodnie z tablicą 1, największą wartość prądu szczytowego i s i całki Joule a I 2 t, które wytrzymuje wyłącznik różnicowoprądowy o określonym prądzie znamionowym ciągłym. gf

5 8 6 5 i 2 [ka 2 ] 2.5 i [ka] i p i k 4 i o t [s] u [V] I 2 t w t [s] Rys. 2. Oscylogramy wyłączania prądu zwarciowego przez wyłącznik nadprądowy instalacyjny C16: I k = 3,1 ka, i p = 4,5 ka, i o = 1,8 ka, I 2 t w = 4,8 ka 2 s [3] 1 8 i 2 [ka 2 ] 2 1 i [ka] i o = i p t [s] u [V] I 2 t w Nr t [s] Rys. 3. Oscylogramy wyłączania prądu zwarciowego przez wyłącznik nadprądowy instalacyjny C4: I k = 1, ka, i p = 1,7 ka, i o = 1,7 ka, I 2 t w = 31,3 ka 2 s [3] brak efektu ograniczającego 61

6 Rysunek 4 przedstawia wyniki badań wyłączników nadprądowych instalacyjnych B16, C16 i D2. Wyniki te porównano z największymi dopuszczalnymi wartościami prądu szczytowego i całki Joule a dla wyłączników różnicowoprądowych o prądach znamionowych ciągłych odpowiednio I n = 16, 25 i 4 A. Jeżeli porównać wyniki badań prądów ograniczonych wyłączników nadprądowych instalacyjnych B16 i C16 z największą dopuszczalną wartością prądu szczytowego wyłącznika różnicowoprądowego o I n = 16 A (rys. 4a), to okazuje się, że warunek koordynacji jest spełniony tylko dla spodziewanego prądu zwarciowego I k = 1 ka (prąd ograniczony wyłączników B16 i C16 nie przekracza wartości dopuszczalnej dla wyłącznika różnicowoprądowego). Niestety, nawet dla tego spodziewanego prądu zwarciowego (I k = 1 ka) jest przekroczona największa dopuszczalna wartość całki Joule a. Zatem wyłączniki B16 i C16 już przy prądzie I k = 1 ka nie dobezpieczają wyłącznika różnicowoprądowego o I n = 16 A, mimo że prądy znamionowe ciągłe tych wyłączników są takie same. Tylko nieznacznie lepiej jest w przypadku wyłącznika różnicowoprądowego o I n = 25 A. Wyłącznik różnicowoprądowy o I n = 4 A jest dobezpieczany przez wyłączniki B16 i C16 w całym badanym zakresie spodziewanych prądów zwarciowych. Wyłącznik D2 jest nieodpowiedni, jeżeli spodziewany prąd zwarciowy osiąga wartość I k = 5 ka lub większą. a) b) 4 i o [ka] 3 62 B16 C16 D2 4A 2 I 2 t w [ka 2 s] 16 B16 C16 D A 25A 16A A 16A I k [ka] I k [ka] Rys. 4. Zarejestrowane wartości prądu ograniczonego i o (a) i całki Joule a wyłączania I 2 t w (b) wyłączników B16, C16, D2 oraz największy dopuszczalny prąd szczytowy i całka Joule a dla wyłączników różnicowoprądowych o I n = 16, 25 i 4 A Większość dostępnych na rynku wyłączników różnicowoprądowych wytrzymuje większe wartości całki Joule a wyłączania i prądu ograniczonego niż wymagane przez normę (tablica 1). Jeżeli rozpatrywać wyłącznik różnicowoprądowy o oznaczeniu 6, to charakterystyczne parametry wyłącznika nadprądowego instalacyjnego należy odnosić do wartości tych samych parametrów bezpiecznika z wkładką gg. Na rysunku 5 przedstawiono wykres prądu ograniczonego i wykres całki Joule a wyłączania wyłączników nadprądowych instalacyjnych typu B (dane producenta), w funkcji spodziewanego prądu zwarciowego. Na wykresach naniesiono linię poziomą, przedstawiającą wspomniane parametry dla wkładki gg63.

7 a) b) Rys. 5. Całka Joule a wyłączania I 2 t w (a) i prąd ograniczony i o (b) wyłączników nadprądowych instalacyjnych typu B [11] a) b) Rys. 6. Całka Joule a wyłączania I 2 t w (a) i prąd ograniczony i o (b) wyłączników nadprądowych instalacyjnych typu C [11] Nr

8 Z wykresów na rysunku 5 wynika, że przy spodziewanym prądzie zwarciowym I k o wartości nieprzekraczającej około 4,2 ka w miejsce bezpiecznika z wkładką gg63 mogą być zastosowane wyłączniki instalacyjne typu B o prądzie znamionowym do 63 A. Powyżej spodziewanego prądu zwarciowego I k = 4,2 ka występują ograniczenia co do prądu znamionowego I n wyłączników instalacyjnych. Okazuje się, że przy prądzie zwarciowym I k = 5 ka w rachubę wchodzą wyłączniki typu B o I n 32 A, a przy prądzie I k = 6 ka wyłączniki o I n 2 A. Jeżeli wyłączniki te mają dobezpieczać wyłączniki różnicowoprądowe np. o I n = 63 A, to nie pozwolą na pełne wykorzystanie ich prądu znamionowego ciągłego. Jeszcze większe ograniczenia występują przy stosowaniu wyłączników instalacyjnych typu C (rys. 6). Zestawienie wartości całki Joule a i prądu ograniczonego, przy prądzie zwarciowym I k = 5 ka, dla wybranych wyłączników instalacyjnych typu B przedstawiono na rysunku 7. Właściwa koordynacja jest zachowana, jeżeli nie są przekroczone linie graniczne (212 A 2 s oraz 4,2 ka). a) b) I 2 t w [A 2 s] 3 25 i o [ka] 4 3 4,2 ka A 2 s B25 B32 B4 B5 B63 wyłączniki B25 B32 B4 B5 B63 wyłączniki Rys. 7. Całka Joule a wyłączania I 2 t w (a) i prąd ograniczony i o (b) wyłączników nadprądowych instalacyjnych typu B 3.2. Inne wyłączniki nadprądowe Analizując dobezpieczanie wyłączników różnicowoprądowych wyłącznikami innymi niż nadprądowe instalacyjne należy kierować się identycznymi zasadami. Konieczna jest znajomość charakterystyk całki Joule a wyłączania i prądu ograniczonego w funkcji spodziewanego prądu zwarciowego. Rysunek 8 przedstawia analizę tych charakterystyk dla przykładowych wyłączników DPX16 [6] o prądzie znamionowym ciągłym od 16 do 4 A. Mogą one dobezpieczać wyłączniki różnicowoprądowe o oznaczeniu 6 tylko przy prądzie zwarciowym nieprzekraczającym I k = 1,5 ka. Wprawdzie przy spodziewanym prądzie zwarciowym większym od I k = 1,5 ka i nie większym niż I k = 3,3 ka nie są przekroczone narażenia elektrodynamiczne (rys. 8b), ale za duża jest całka Joule a wyłączania (rys. 8a). Przy prądzie I k = 6 ka całka Joule a wyłączania wyłączników DPX16 o prądzie znamio-

9 nowym ciągłym od 16 do 4 A wynosi ponad 1 A 2 s, co kilkakrotnie przekracza 212 A 2 s, wartość dopuszczalną dla powszechnie stosowanych wyłączników różnicowoprądowych (tablica 3). a) b) Rys. 8. Całka Joule a wyłączania I 2 t w (a) i prąd ograniczony i o (b) wyłączników nadprądowych typu DPX [7] Nr

10 4. Wnioski Wyłączniki różnicowoprądowe RCCB z zasady wymagają dobezpieczenia. Jako urządzenie dobezpieczające stosuje się bezpieczniki lub wyłączniki nadprądowe. Należy jednak zwrócić uwagę na to, że rezygnacja z bezpiecznika na korzyść wyłącznika nadprądowego może przyczynić się do zwiększenia narażeń cieplnych i/lub elektrodynamicznych wyłączników różnicowoprądowych. Szczególną ostrożność należy zachować w obwodach o ostrych narażeniach zwarciowych. 5. Bibliografia 1. Bezpieczniki topikowe małogabarytowe i osprzęt. ETI, katalog producenta. 2. Bezpieczniki topikowe kompaktowe nowej konstrukcji o charakterystyce szybkiej gf. Materiały firmy ETI. 3. Czapp S., Kowalak D., Borowski K.: Narażenia cieplne i elektrodynamiczne wyłączników różnicowoprądowych przy ich dobezpieczaniu wyłącznikami nadprądowymi instalacyjnymi referat konferencyjny. XVI Międzynarodowa Konferencja Naukowa Aktualne Problemy w Elektroenergetyce APE 13, Jurata , (Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej Nr 33), Wydaw. WEiA PG, Gdańsk 213, s Czapp S.: Problemy dobezpieczania wyłączników różnicowoprądowych. XIX Konferencja Naukowo-Techniczna Bezpieczeństwo Elektryczne i IX Szkoła Ochrony Przeciwporażeniowej ELSAF 213, Szklarska Poręba, , s IEC TR 6755:28 General requirements for residual current operated protective devices. 2 nd edition. 6. Instalacje elektryczne i teletechniczne. Poradnik montera i inżyniera elektryka, Verlag Dashöfer, Część 5. Zabezpieczenia w instalacjach elektrycznych (autor: E. Musiał). 7. Legrand, DPX16 Thermal magnetic and trip-free switches. Technical sheet: F136EN/1, Update: 17/1/ Musiał E., Czapp S.: Wyłączniki ochronne różnicowoprądowe. Przegląd i charakterystyka współczesnych konstrukcji (2). Miesięcznik SEP Informacje o Normach i Przepisach Elektrycznych, 28, nr 19, s PN-HD :21E Bezpieczniki topikowe niskonapięciowe Część 2: Wymagania dodatkowe dotyczące bezpieczników przeznaczonych do wymiany przez osoby wykwalifikowane (bezpieczniki głównie do stosowania w przemyśle) Przykłady znormalizowanych systemów bezpiecznikowych od A do J. 1. PN-EN 618-1:27P Wyłączniki różnicowoprądowe bez wbudowanego zabezpieczenia nadprądowego do użytku domowego i podobnego (RCCB) Część 1: Postanowienia ogólne. 11. Supplementary Protectors/Miniature Circuit Breakers. Technical Data Catalog, Numbers 1492-SP Series C, Rockwell Automation Publication 1492-TC1D- EN-P April