Wdalszej czíúci artyku u przedstawione

Transkrypt

1 38 firmy, ludzie, produkty Bezpieczniki topikowe i wyłączniki nadprądowe niskiego napięcia Roman Kłopocki Celem niniejszego artyku u, ktûry jest pierwszπ czíúciπ cyklu publikacji, jest przedswienie w prosty sposûb fizycznego t a dzia ania bezpiecznikûw topikowych i wy πcznikûw nadprπdowych niskiego napiícia w warunkach duøych prπdûw zwarciowych. W dalszej czíúci zos y wyprowadzone wnioski ze szczegûlnych w aúciwoúci dzia ania tych aparatûw, ktûre znaczπco wp ywajπ na praktyczne zastosowanie bezpiecznikûw i wy πcznikûw nadprπdowych w ochronie inslacji elektroenergetycznych. Wdalszej czíúci artyku u przedswione zos y bezpieczniki topikowe i wy πczniki nadprπdowe niskiego napiícia jako najwaøniejsze i najczíúciej stosowane aparaty zabezpieczajπce w elektrotechnice i inslacjach elektroenergetycznych. Opisane zos y podswowe procesy fizyczne i elektryczne w warunkach wy πczania zwarê. Artyku z jednej strony prûbuje pokazaê zalety i wady obu aparatûw zabezpieczajπcych, z drugiej zaú strony pokazuje sposûb ich wspû dzia ania w warunkach wysokich prπdûw zwarciowych. Przy wyborze elementûw zabezpieczajπcych naleøy kierowaê sií przede wszystkim nastípujπcymi kryteriami: ï bezpieczeòstwo, ï niezawodnoúê (pewnoúê dzia ania), ï jakoúê (trwa oúê), ï rûønorodnoúê (wielkoúê, szereg prπdûw znamionowych), ï gospodarnoúê (efektywnoúê). Inslacja elektroenergetyczna powinna byê k zaprojektowana, aby urzπdzenie zabezpieczajπce przerwa o w sposûb niezawodny obwûd elektryczny tylko wtedy, gdy jest to rzeczywiúcie potrzebne (przy wystπpieniu zwarcia lub przeciπøenia). Ponadto, urzπdzenie zabezpieczajπce nie moøe traciê swoich parametrûw w ciπgu d ugiego czasu uøytkowania. Zalety i wady bezpiecznikûw topikowych Jak zos o wczeúniej przedswione, przy ocenie zalet i wad aparatu zabezpieczajπcego naleøy wziπê pod uwagí z gûry okreúlone kryteria: ï bezpieczeòstwo ñ wysoki stopieò ograniczenia prπdu, niskie wartoúci ca ek Joule'a, brak wytwarzania gazûw jonizujπcych, niskie straty mocy, ï niezawodnoúê (pewnoúê dzia ania) ñ po wy πczeniu wk adkí topikowπ sií wymienia, nowa oferuje swoje pe ne w aúciwoúci, odpornoúê na srzenie, proste uøytkowanie. Rys. 1. Charakterystyka czasowo-prπdowa t-i wk adki topikowej 38 Rys. 2. PrzewÍøone miejsca elementu topikowego grudzieò 2005

2 Dzia anie wk adek topikowych w czasie wy πczania przetíøenia atwo analizuje sií na podswie charakterystyki czasowo-prπdowej t-i. Przy przetíøeniu od prπdu znamionowego In do 4-8 krotnoúci prπdu znamionowego mûwimy o przeciπøeniu. W zakresie wyøszych prπdûw mûwimy o zwarciu (rys. 1). Do stopienia przewíøonych miejsc elementu topikowego (rys. 2) potrzebny jest odpowiednio duøy prπd, ktûry w czasie (wed ug charakterystyki) dosrczy doúê duøπ energií potrzebnπ do stopienia i wyparowania melu w tych os abionych, specjalnie obliczonych miejscach. Symbol Ip oznacza spodziewany prπd zwarciowy, tzn. ten prπd (wartoúê skuteczna), ktûry p ynπ by przez obwûd elektryczny, gdyby bezpiecznik by zastπpiony po- πczeniem o ma ej impedancji. Bardzo waønym parametrem dla kaødego bezpiecznika jest jego zwarciowa zdolnoúê wy πczania. Jest to zdolnoúê bezpiecznika do przerwania obwodu elektrycznego w czasie zwarcia, ktûry odpofirmy, ludzie, produkty ï jakoúê (trwa oúê) ñ dzisiejsza produkcja bezpiecznikûw jest wysoko zautomatyzowana, co zapewnia niewielkie odstípstwa w ich technicznych w aúciwoúciach w masowej produkcji, ï rûønorodnoúê (wielkoúê, szereg prπdûw znamionowych) ñ zastosowanie w obwodach nisko i wysokonapiíciowych, zabezpieczenie przewodûw, aparatûw i urzπdzeò, zabezpieczenia urzπdzeò elektronicznych, ï gospodarnoúê (efektywnoúê) ñ porûwnujπc techniczne w aúciwoúci bezpiecznika, wymiary oraz cení, jest to najoszczídniejsze rozwiπzanie. S abe strony wk adek topikowych ï Wk adkí po zadzia aniu trzeba wymieniê, a przedtem znaleüê powûd jej zadzia ania, co wiπøe sií z przerwπ w doswie energii elektrycznej, ï brak moøliwoúci pe nego zabezpieczenia obwodu przed przeciπøeniem. Zalety i wady wy πcznikûw nadprπdowych PorÛwnanie wy πcznikûw wed ug tych samych kryteriûw: ï bezpieczeòstwo ñ moøliwoúê dok adnego uswienia charakterystyki czasowo- -prπdowej, duøa zdolnoúê ograniczenia prπdu zwarciowego, jednak kosztem efektywnoúci zabezpieczenia, brak moøliwoúci Ñwatowaniaî wy πcznika przez osoby niekompetentne. ï niezawodnoúê ñ nowoczesne rozwiπzania konstrukcyjne zapewniajπ wysoki stopieò niezawodnoúci, jednak kaødy wy πcznik z czasem traci swoje w aúciwoúci (zaleøy od czístotliwoúci wy πczeò), ï jakoúê ñ to samo dotyczy jakoúci, ï rûønorodnoúê ñ bardzo szerokie moøliwoúci zastosowaò, rozwûj elektroniki zwiíksza zakres zastosowaò. ï gospodarnoúê (efektywnoúê) ñ krûtki czas ponownego za πczenia (krûtka przerwa w zasilaniu), duøe koszty produkcji wy πcznikûw trûjfazowych. Wady wy πcznikûw ï przy wy πczeniu wystípuje wydzielanie gazûw jonizujπcych, ktûre mogπ spowodowaê w rozdzielnicy wiele skutkûw ubocznych, ï w przypadku czístych wy πczeò zwarê wy πcznik traci swoje techniczne w aúciwoúci. Dzia anie wk adek topikowych w czasie zwarcia

3 40 firmy, ludzie, produkty Rys. 4. Poczπtek zwarcia Rys. 5. Chwilowa wartoúê prπdu zwarciowego wzras wiada dok adnie okreúlonym warunkom, bez skutkûw ubocznych. Te warunki sπ opisane nastípujπcymi wartoúciami granicznymi: ï najwyøszy i najniøszy spodziewany prπd zwarciowy ï ksz t prπdu i czístotliwoúê ï cosϕ (dla AC), s a czasowa L/R (dla DC) Ograniczanie prπdu Bezpiecznik spe nia swojπ funkcjí ograniczania prπdu wtedy, gdy w czasie powsnia zwarcia istotnie ograniczy prπd zwarciowy do wartoúci Ig, a wiíc, gdy przerwie obwûd zanim chwilowa wartoúê prπdu spodziewanego osiπgnie wartoúê maksymalnπ ñ krytycznπ. Graficznie jest to pokazane na rysunku 3. Efekt ograniczania prπdu zwarciowego wystπpi wûwczas, gdy napiície uku elektrycznego przekroczy napiície w sieci elektrycznej, przy czym chwilowa wartoúê prπdu zacznie szybko spadaê do zera. Najwyøszπ chwilowπ wartoúê prπdu nazywa sií prπdem ograniczonym Ig. Ca π fazí wy πczania bezpiecznika dzieli sií na: fazí topienia elementu topikowego i fazí uku. Rysunki od 4 do 8 przedswiajπ przebieg prπdu i napiícia od poczπtku wystπpienia zwarcia do koòcowego przerwania prπdu w obwodzie. Faza topienia ï Rysunek 4: poczπtek zwarcia, wartoúê prπdu jest przedswiona szerokoúciπ øû tej linii, ï rysunek 5: chwilowa wartoúê prπdu zwarciowego wzras, jednak doprowadzona energia jeszcze nie jest dostecznie duøa do przetopienia elementu topikowego w przewíøeniach (miejscach os abionych), ï rysunek 6: prπd osiπga wartoúê, przy ktûrej energia jest dostecznie duøa do przetopienia przewíøeò, faza topienia jest zakoòczona, zaczyna sií faza ukowa. Faza ukowa W aúciwoúciπ fazy ukowej jest szybki wzrost napiícia na elemencie topikowym (oznaczenie U ñ kolor niebieski), ktûre powsje na ukach czπstkowych w poszczegûlnych przewíøeniach. ï rysunek 7: faza ukowa w pe ni, poszczegûlne uki elektryczne ch odzπ sií w piasku kwarcowym, chwilowa wartoúê prπdu spada do zera, ï rysunek 8: prπd nie p ynie, uki gasnπ, powsje napiície zwrotne, rûwne napiíciu w sieci elektrycznej. Wyglπd przerwanego elementu topikowego pokazano na rysunku 9. Aby atwiej zrozumieê dzia anie bezpiecznika w czasie zwarcia, dobrze jest znaê dwie wartoúci prπdu: I 1 ñ maksymalna zdolnoúê zwarciowa (dla wk adek WT wynosi 120 ka), I 2 ñ prπd krytyczny (dla wk adki topikowej WT miídzy 1 ka a 5 ka). Wy πczenie przy prπdzie I1 Wszystkie przewíøenia elementu topikowego (os abione miejsca) sπ w jednym momencie przerwane. Pojawiajπ sií tzw. uki elektryczne czíúciowe, kaødy o d ugoúci przewíøenia. Na kaødym przewíøeniu istnieje napiície uku o wartoúci V. WartoúÊ napiícia uku elektrycznego jest zaleøna od: ï warunkûw odprowadzania ciep a poprzez piasek kwarcowy ñ im lepsze warunki (jakoúê piasku i wype nienia), tym mniejsza jest temperatura uku elektrycznego i wyøsze jego napiície, Rys. 6. Faza topienia jest zakoòczona, zaczyna sií faza ukowa Rys. 7. Faza ukowa 40 grudzieò 2005

4 firmy, ludzie, produkty Rys. 8. Prπd nie p ynie, uki gasnπ ï wielkoúci prπdu ñ im wyøszy prπd, tym wiíksze napiície uku elektrycznego, ï d ugoúci uku elektrycznego ñ im wiíksza d ugoúê, tym wyøsze napiície uku elektrycznego, ï przekroju poprzecznego uku elektrycznego ñ im mniejszy przekrûj, tym wiíksze napiície uku elektrycznego Oscylogram prπdu i napiícia w momencie wy πczenia przy I 1 przedswia rysunek 10. WartoúÊ ca ki wy πczania I 2 t = A 2 s (wartoúê ca kowi). Charakterystyczny jest bardzo krûtki czas topienia elementu topikowego i szybki wzrost napiícia uku elektrycznego. Wy πczenie przy prπdzie I 2 PrzewÍøenia przepalajπ sií pojedynczo i to tylko w jednym punkcie. W kaødym przewíøeniu powsje najpierw bardzo krûtki uk czíúciowy, ktûry potem pali sií w bezpieczniku pomiídzy elektrodami (noøami stykowymi). uk elektryczny wyd uøa sií ze s π szybkoúciπ. SzybkoúÊ topienia elementu topikowego Rys. 9. Przerwany element topikowy

5 42 firmy, ludzie, produkty jest 10 do 1000 mniejsza niø przy wy πczaniu prπdu I 1. Oscylogram prπdu i napiícia w momencie wy πczenia bezpiecznika przy prπdzie I 2 przedswia rysunek 11. Maksymalne napiície uku elektrycznego jest wyøsze od wartoúci krytycznej napiícia elektrycznego w sieci, wzrost napiícia uku elektrycznego jest znacznie wolniejszy. WartoúÊ ca ki Joule'a I 2 t =62239 A 2 s. Czas topienia elementu topikowego oraz czas ukowy jest d uøszy. Rys. 10. Oscylogram prπdu i napiícia w momencie wy πczenia przy I 1 Rys. 11. Oscylogram prπdu i napiícia w momencie wy πczenia bezpiecznika przy prπdzie I 2 SelektywnoúÊ wk adek po πczonych szeregowo W celu przedswienia podswowych zasad selektywnej wspû pracy bezpiecznikûw po πczonych szeregowo przedswiony zosnie schemat inslacji elektrycznej (rys. 12) oraz wykresy energetyczne bezpiecznikûw I 2 t (rys. 13). Na wykresach tych zaznaczono ñ dla wk adki topikowej 1 ñ wartoúê jej ca ki przed ukowej I 2 t s ñ obszar koloru pomaraòczowego, a dla wk adki topikowej 2 ñ wartoúê jej ca ki wy πczania I 2 t A ñ obszar koloru niebieskiego. Selektywna wspû praca wk adki topikowej 1 i wk adki topikowej 2 jest zapewniona wtedy, kiedy obszar koloru pomaraòczowego jest wiíkszy od obszaru koloru niebieskiego. Tak wiíc wtedy, kiedy wartoúê ca ki przed ukowej (topienia) wk adki 1 jest wiíksza od ca ki wy πczania wk adki 2. Taka selektywna wspû praca jest zapewniona, jeúli prπdy znamionowe bezpiecznikûw sπ dobrane w stosunku wiíkszym niø 1: 1,6. Przyk ad: wk adka 1 ñ 100A wk adka 2 ñ 63A I 2 t S = 7700A 2 s I 2 t LB = A 2 s Wtedy: I 2 t S = 24000A 2 s > I 2 t A = A 2 s Energia wy πczania bezpiecznika Energia wy πczania bezpiecznika to energia elektryczna w obwodzie, ktûra w czasie palenia sií uku elektrycznego we wk adce zamienia sií w energií cieplnπ (ktûrπ przejmuje element topikowy i wype niajπcy wk adkí piasek kwarcowy). W a = u LB i d dt =W m + W c - ca kowi energia wydzielona w czasie palenia sií uku elektrycznego, Rys. 12. Schemat inslacji elektrycznej Rys. 13. Wykresy energetyczne bezpiecznikûw I 2 t 1/6 42 grudzieò 2005

6 firmy, ludzie, produkty Rys. 14. Bezpiecznik topikowy firmy Eti Polam gdzie: W m = 1 / 2 L c I 2 m I m ñ (energia elektromagnetyczna w obwodzie elektrycznym, L c ñ wartoúê prπdu w momencie wy πczenia indukcyjnoúê obwodu elektrycznego W c = u c i d dt ñ energia elektryczna pobrana ze ürûd a w czasie palenia sií uku elektrycznego Energia wy πczania jest rûwna co najmniej potencjalnej energii elektromagnetycznej. Roúnie wraz ze stosunkiem: czas uku / czas topienia. Ca ka wy πczania, ca ka przed ukowa (topienia), ca ka ukowa Ca ka przed ukowa (topienia) bezpiecznika jest to wartoúê podana przez jego producen i okreúla energií potrzebnπ do przetopienia os abionych miejsc elementu topikowego (przewíøeò) bezpiecznika: K m = i d dt 0 Ca ka ukowa bezpiecznika: K a = i 2 dt Ca ka wy πczania bezpiecznika: K m + K a = i 2 dt Ca ka wy πczania bezpiecznika okreúla ca kowitπ energií cieplnπ, oddanπ do obwodu elektrycznego. Jest sumπ ca ki ukowej i ca ki przed ukowej (topienia). inø. Roman K opocki Autor jest pracownikiem firmy ETI Polam w Pu tusku ETI-Polam Sp. z o.o Pu tusk ul. Solna 3 tel. (23) fax (23) etipolam@etipolam.com.pl