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
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
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 150-200 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
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 = 24 630 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
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 = 10300 A 2 s --------------------- Wtedy: I 2 t S = 24000A 2 s > I 2 t A = 18000 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
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. 06-100 Pu tusk ul. Solna 3 tel. (23) 691 91 00 fax (23) 692 32 12 e-mail: etipolam@etipolam.com.pl www.etipolam.com.pl