Dr inż. Edward Musiał Politechnika Gdańska Współdziałanie bezpieczników i ograniczników przepięć Dla poprawnego funkcjonowania instalacji i urządzeń elektrycznych ważne jest skoordynowanie rozmaitych systemów zabezpieczenia i ochrony, działających na różnej zasadzie i wykorzystujących odmienne kryteria działania. Dotyczy to między innymi współdziałania zabezpieczeń nadprądowych z zabezpieczeniami podnapięciowymi i różnicowoprądowymi oraz odgromnikami bądź ogranicznikami przepięć. Odgromniki bądź ograniczniki przepięć mogą wymagać dobezpieczenia za pomocą bezpieczników. Dobór bezpieczników i miejsca ich zainstalowania powinien uwzględniać nie tylko skuteczność dobezpieczenia, ale również konsekwencje wprowadzenia w instalacji kolejnego zabezpieczenia nadprądowego, które powinno współdziałać wybiorczo z innymi. Ograniczniki przepięć wchodzące w skład układu ochrony przeciwprzepięciowej instalacji elektrycznej mogą wymagać koordynacji z zabezpieczeniami nadprądowymi, które dobezpieczają ograniczniki i/lub zabezpieczają urządzenia i ich obsługę przed skutkami zwarcia w ogranicznikach. W instalacjach narażonych na wnikanie prądu piorunowego z zasilającej linii napowietrznej i/lub z piorunochronu, pierwszy stopień ochrony, na granicy stref ochronnych 0 i 1, wymaga ograniczników przepięć klasy I. Są to ograniczniki wyładowcze o nieciągłej charakterystyce napięciowo-prądowej, ucinające przepięcie, zdolne odprowadzać prądy piorunowe o kształcie udaru 10/350 µs. Instaluje się je w złączu lub w głównej rozdzielnicy i zarazem w pobliżu głównej szyny wyrównawczej obiektu. Można wyróżnić trzy stany ich działania: 1. Stan izolowania przy napięciu roboczym, nieprzekraczającym największego napięcia trwałej pracy ogranicznika U C, kiedy rezystancja między jego zaciskami jest rzędu gigaoma. 2. Przewodzenie prądu wyładowczego po zapłonie ogranicznika. Między jego zaciskami przepięcie narasta do poziomu udarowego napięcia zapłonu, wywołuje zapłon, po czym napięcie maleje do wartości napięcia obniżonego U res (spadku napięcia na łuku, na ogół 10 50 V). Odprowadzany przez ogranicznik prąd piorunowy pochodzi z fikcyjnego źródła o właściwościach zbliżonych do idealnego źródła prądu. Jest zatem wymuszeniem prądowym, którego wartość szczytowa i przebieg w czasie nie zależą od zjawisk zachodzących w ograniczniku, w bezpieczniku i w innych elementach znajdujących się na drodze jego przepływu. Co najwyżej, stwarzając równoległe drogi przepływu i odpowiednio dobierając ich impedancje udarowe można wpływać na wartość cząstkowego prądu płynącego określonym torem. Zdolność przewodzenia przez ogranicznik określoną liczbę razy prądu wyładowczego charakteryzuje znamionowy prąd wyładowczy oraz największy (graniczny) prąd wyładowczy o umownym kształcie udaru T 1 /T 2 (czas czoła/czas grzbietu). 3. Wyłączanie prądu następczego, który w przestrzeni międzyelektrodowej, uprzednio zjonizowanej przez prąd wyładowczy, płynie pod działaniem napięcia roboczego. Prąd następczy jest równy spodziewanemu prądowi zwarciowemu w miejscu zainstalowania ogranicznika (przy rodzaju zwarcia odpowiadającym zwarciu biegunów, między którymi są włączone ograniczniki). Prąd następczy powinien być wyłączony przez sam ogranicznik przy pierwszym naturalnym przejściu przez zero, zatem czas jego przepływu w sieci 50 Hz nie powinien przekraczać 10 ms. Zdolność 1
wyłączania prądu następczego I f jest związana z przebiegiem spodziewanego napięcia powrotnego TRV. Zwykłe ograniczniki przepięć, wtrącając do obwodu rezystancję łuku, nieznacznie zmniejszają wartość prądu następczego i jego skutek cieplny I 2 t. Przed rokiem 2000 zaczęły pojawiać się konstrukcje coraz silniej ograniczające prąd następczy oraz jego skutek cieplny i wykazujące bardzo dużą zdolność wyłączania prądu następczego I f. Tablica 1. Obliczeniowe parametry prądu piorunowego 10/350 µs w zależności od poziomu ochrony Poziom ochrony I II III i IV Wartość szczytowa prądu I G ka 200 150 100 Całka Joule'a P G ka 2 s 10000 5600 2500 Znamionowy i graniczny prąd wyładowczy ogranicznika tak się dobiera zależnie od stopnia ochrony (tabl. 1), aby prawdopodobieństwo ich przekroczenia było dostatecznie małe, ale ze względu na rozkład losowy parametrów piorunów i znikome, ale niezerowe prawdopodobieństwo wystąpienia wartości większych, wykluczyć tego nie można. Trzeba się liczyć z możliwością uszkodzenia ogranicznika, również ze zwarciem elektrod, na co powinno zareagować poprzedzające zabezpieczenie nadprądowe. Do zwarcia elektrod może też dojść w następstwie stopniowego ich zużywania się, po wielokrotnym przepływie prądu wyładowczego o wartości zbliżonej do znamionowej. 2
Rys. 1. Rozpływ prądu piorunowego przy bezpośrednim uderzeniu pioruna w chroniony budynek z instalacją o układzie TN Największe narażenia ograniczników w budowlach z piorunochronem występują przy bezpośrednim uderzeniu pioruna (rys. 1). Prąd piorunowy I G dzieli się na część (1- ) I G odpływającą bezpośrednio do ziemi i część I Z = I G odprowadzaną przewodami zasilającej sieci elektroenergetycznej. Zakłada się, że wszystkie przewody doprowadzone do złącza w liczbie m w jednakowym stopniu w tym uczestniczą, a więc każdy odprowadza prąd Jest to zarazem największy prąd obliczeniowy, jaki może przepływać przez pojedynczy ogranicznik i pojedynczy bezpiecznik. Jak widać, z tego punktu widzenia korzystne są przyłącza trójfazowe (m = 4). Korzystna jest też mała wartość współczynnika ( < 0,5), czemu sprzyja mała udarowa rezystancja uziemienia układu uziomu piorunochronowego. Zdolność wyłączania prądu następczego I f zwykłych ograniczników (nieograniczających prądu następczego) jest nieduża, nie przekracza 4 ka. Jeśli spodziewany prąd zwarciowy jest od niej większy, to ogranicznik wymaga dobezpieczenia, a tę rolę zwykle spełnia bezpiecznik klasy gg. Jego rolą jest przetrzymać prąd następczy przynajmniej do chwili pierwszego przejścia przez zero, by mógł go wyłączyć ogranicznik wyładowczy, a gdyby to się nie stało - samemu go wyłączyć. W tym celu bezpiecznik powinien przetrzymywać bez nadwerężenia sumaryczną całkę Joule'a najpierw prądu piorunowego, a zaraz potem - prądu następczego I f przepuszczaną przez ogranicznik w przeciągu 10 ms. Rys. 2. Usytuowanie ograniczników wyładowczych pierwszego stopnia ochrony względem bezpieczników złącza (F1.F3) i ewentualnych bezpieczników gałęzi poprzecznej (F4.F6) przy zasilaniu z sieci o układzie TN-C Wytwórca podaje największy dopuszczalny prąd znamionowy I nmax bezpiecznika klasy gg, który jest w stanie dobezpieczyć ogranicznik i zarazem podaje prąd zwarciowy wytrzymywany przez ogranicznik wespół z tym bezpiecznikiem. Jeśli bezpiecznik dobezpieczający jest potrzebny, nie musi być on umieszczony w gałęzi ochrony (rys. 2a, b); równie dobrze rolę dobezpieczenia może pełnić bezpiecznik w torze zasilania (rys. 2c), np. bezpiecznik w złączu, jeśli jego prąd znamionowy nie jest większy niż wymagana wartość I nmax. Zadziałanie bezpiecznika w gałęzi ochrony (rys. 2a, b) odcina ogranicznik od chronionej instalacji, a bezpiecznika w torze zasilania (rys. 2c) - zakłóca 3
zasilanie instalacji. Obydwa zdarzenia są niepożądane i dlatego bezpiecznik powinien zadziaływać tylko w razie konieczności, jeśli ogranicznik wyładowczy nie jest w stanie sam poprawnie wyłączyć prądu następczego. Bezpiecznik powinien więc z zasady mieć prąd znamionowy równy największemu dopuszczalnemu, podanemu przez wytwórcę. Rys. 3. Zachowanie się wkładek bezpiecznikowych gg o napięciu znamionowym 500 V poddanych przepływowi prądu piorunowego 10/350 m s o różnej wartości [1] Zachowanie się bezpieczników klasy gg, przez które przepływa prąd piorunowy 10/350 µs jest poglądowo przedstawione na rys. 3. Bezpiecznik przetrzymuje prądy mniejsze niż udarowy prąd zadziałania (tabl. 2). Jego wartości podane na rysunku w oparciu o wcześniejsze oszacowania są nieco zawyżone. Uwzględniają one wprawdzie, że przy dużej stromości prądu piorunowego naskórkowość silnie obniża całkę Joule'a przedłukową I 2 t p, ale nie uwzględniają marginesu na wielokrotne przetrzymywanie impulsów prądowych i nie uwzględniają skutku cieplnego prądu następczego [4]. Bardziej miarodajną informacją jest podana w tabl. 3 całka Joule'a wielokrotnie przetrzymywana przez bezpiecznik, którą należy porównywać z łączną całką Joule'a prądu piorunowego i prądu następczego. W razie przekroczenia udarowego prądu zadziałania dochodzi do rozpadu topika i zapłonu łuku, co jednak nie wpływa na przebieg prądu piorunowego (rys. 4), pochodzącego z fikcyjnego idealnego źródła prądu. Bezpiecznik nie jest w stanie przerwać przepływu tego prądu ani ograniczyć jego wartości szczytowej; zresztą topik na ogół rozpada się już po jej przeminięciu. Nie ma mowy o wybiorczym działaniu bezpieczników poddanych przepływowi prądu piorunowego, skoro bezpiecznik takiego prądu nie wyłącza. Wymaga się wprawdzie, aby bezpieczniki poprzedzające w torze zasilania F1.F3 (rys. 5a) miały prąd znamionowy co najmniej 1,6-krotnie większy niż bezpieczniki F4.F6 w gałęzi poprzecznej ograniczników, ale chodzi tylko o wybiorczość podczas przepływu prądu następczego, gdyby bezpieczniki miały go wyłączać. Tablica 2. Udarowy prąd zadziałania wkładek bezpiecznikowych klasy gg [3] Prąd znamionowy wkładki I n Całka Joule'a przedłukowa I 2 t p Prąd zadziałania [ka] przy udarze o kształcie 10/350 µs 8/20 µs A A 2 s ka ka 25 1210 2,2 9,3 4
32 2500 3,2 13,4 40 4000 4,0 16,9 50 5750 4,8 20,3 63 9000 6,0 25,4 80 13700 7,5 31,3 100 21200 9,3 38,9 125 36000 12,1 50,7 160 64000 16,1 67,6 200 104000 20,6 86,2 250 185000 27,5 115,0 Przy prądzie piorunowym kilkakrotnie większym niż udarowy prąd zadziałania bezpiecznika dochodzi do wybuchowego rozpadu topika i wzrostu ciśnienia we wkładce powodującego pękanie korpusu, a nawet jego eksplozyjne rozerwanie. Progowa wartość prądu piorunowego zagrażającego eksplozją wkładki bezpiecznikowej jest tym większa, im większy jest jej prąd znamionowy (rys. 3). To kolejny powód, aby ograniczniki dobezpieczać bezpiecznikami o prądzie znamionowym równym największemu dopuszczalnemu I nmax. Tablica 3. Całka Joule'a prądu piorunowego wielokrotnie przetrzymywana przez zabezpieczenia nadprądowe o różnym prądzie znamionowym [2] Prąd znamionowy A 40 50 63 80 100 125 160 200 250 I 2 t bezpiecznika ka 2 s 1,3 2,0 3,2 5 8 12 22 39 69 I 2 t wyłącznika SHU ka 2 s 33 38 50 50 55 Nie można wyeliminować obciążeń, jakim ograniczniki wyładowcze i bezpieczniki podlegają przy prądach wyładowczych, ale można zmniejszać obciążenia, które są wynikiem prądów następczych. Ograniczniki przepięć ograniczające prąd następczy wykorzystują technikę wymuszonego gaszenia łuku stosowaną w wyłącznikach, co pozwala uzyskać efekt ograniczający i dużą zdolność wyłączania. Ograniczniki o łuku dzielonym wyłączają samodzielnie prądy następcze o wartości do 25 ka, a ograniczniki samowydmuchowe o łuku chłodzonym promieniowo i osiowo - do 50 ka. Te ostatnie spodziewany prąd następczy o wartości skutecznej 50 ka ograniczają do wartości szczytowej poniżej 2 ka, a skutek cieplny I 2 t każdego prądu następczego do poziomu pozwalającego go przetrzymać bezpiecznikowi gg 40 A. Zależnie od stopnia ograniczania prądu następczego (rys. 8) takie ograniczniki przepięć dopuszczają znacznie większy prąd I nmax albo nawet żadnych wymagań w tym względzie nie stawiają. Przydają się w miejscach, gdzie prądy zwarciowe są duże, przy złączach instalacji odbiorczych zasilanych bezpośrednio ze stacji o dużej mocy. 5
Rys. 4. Przebieg prądu i napięcia między zaciskami bezpiecznika gg 25A poddanego przepływowi prądu piorunowego Bezpiecznikom poprzedzającym wszelkie ograniczniki przepięć przypada jeszcze jedno zadanie - zwarciowe zabezpieczenie przewodów gałęzi ochrony. Przewody te, sporadycznie obciążane, nie wymagają żadnych zabezpieczeń przeciążeniowych. Ich największe narażenia cieplne występują podczas zwarcia w ogranicznikach, a nie podczas przepływu prądu piorunowego. Na przykład prąd piorunowy 50 ka 10/350 µs wywołuje w przybliżeniu taki skutek cieplny, jak impuls piłokształtny o wartości szczytowej I m = 50 ka i czasie trwania t u = 10+2 (350-10) = 690 µs, czyli równy Takie obciążenie cieplne wytrzymuje z dużym zapasem przewód miedziany o izolacji polwinitowej, o przekroju 10 mm 2, co wynika ze wzoru W przypadku ogranicznika wyładowczego należałoby dodać skutek cieplny prądu następczego. Na przykład, jeśli nie występuje ograniczanie prądu następczego 5 ka, to w ciągu 10 ms jego skutek cieplny osiąga wartość W n = 5000 2 0,010 = 250000 A 2 s. Przewód o przekroju 10 mm 2 nadal wystarcza, co wynika z obliczenia Wstępnie dobrany przewód 10 mm 2 w warunkach nagrzewania adiabatycznego dopuszcza skutek cieplny prądu (k s ) 2 1 = (115 10) 2 1 = 1322500 A 2 s. Przy czasie wyłączania zwarcia 5 s ten przekrój wystarczyłby tylko wtedy, gdyby poprzedzający bezpiecznik miał prąd znamionowy 80 A (o całce Joule'a wyłączania przy 5 s równej I 2 t w5 = 1021520 A 2 s) albo mniejszy. Reasumując, bezpieczniki poprzedzające ograniczniki przepięć mogą spełniać różnorodne funkcje: 6
wspomagają wyłączanie prądu następczego, jeżeli spodziewany prąd zwarciowy przekracza zdolność wyłączania ogranicznika wyładowczego, zabezpieczają ogranicznik przed przekroczeniem jego obciążalności zwarciowej, dokonują samoczynnego wyłączenia zasilania dla celów ochrony przeciwporażeniowej w razie trwałego zwarcia L-PE w układzie ograniczników, zabezpieczają przed skutkami zwarć przewody gałęzi poprzecznej ogranicznika. Wszystkie te funkcje bierze się pod uwagę decydując o umiejscowieniu bezpieczników i doborze ich prądu znamionowego. Wypada też zdawać sobie sprawę, że określenie "bezpieczniki poprzedzające" jest umowne, bo kierunek propagacji fali przepięciowej nie musi się pokrywać z kierunkiem przesyłania energii. Po uderzeniu pioruna w zasilającą linię napowietrzną część prądu piorunowego z tej linii wnika do instalacji odbiorcy i jej uziemień. Po uderzeniu pioruna w budynek, część prądu piorunowego poprzez główną szynę wyrównawczą i ograniczniki wpływa do sieci zasilającej. Przykład. W sytuacji, jak na rys. 1, w trójfazowym czteroprzewodowym złączu instalacji TN-C o napięciu 400 V z bezpiecznikami gg 100 A spodziewany prąd zwarciowy wynosi Do budynku z uziomem fundamentowym są doprowadzone i przyłączone do głównej szyny wyrównawczej metalowe rurociągi oraz przewody sygnałowe o metalowej powłoce bądź żyle zewnętrznej. Obowiązuje poziom ochrony przeciwprzepięciowej III i przewiduje się zainstalowanie trzech ograniczników. Należy sprawdzić czy bezpieczniki w złączu można traktować jako należyte dobezpieczenie tych ograniczników. Przy poziomie ochrony III i IV należy liczyć się z całkowitym prądem piorunowym o wartości do I G = 100 ka (tabl. 1). Uziom fundamentowy i liczne uziomy naturalne odprowadzą ponad połowę prądu piorunowego i można szacować, że do przewodów elektroenergetycznych przedostanie się prąd I Z niewiększy niż 40 % ( = 0,4) podanej wartości I Z = I G = 0,4 100 = 40 ka Przyłącze jest czteroprzewodowe (m = 4), wobec czego pojedynczym przewodem popłynie prąd cząstkowy około Jak wynika z rys. 3 i tabl. 2 cząstkowy prąd piorunowy 10 ka nie spowoduje eksplozji bezpiecznika gg 100 A w złączu, ale przekracza jego udarowy prąd zadziałania (9,3 ka). Nowsze dane liczbowe dotyczące koordynacji ogranicznika z bezpiecznikiem pozwalają sprawdzić dokładniej, jaki należałoby zastosować bezpiecznik, aby uniknąć zbędnych zadziałań. Prądowi piorunowemu 100 ka 10/350 µs przypisuje się całkę Joule'a P G = 2500 ka 2 s (tabl. 1), wobec czego prądowi cząstkowemu odpowiada całka Joule'a P ZZ mniejsza, proporcjonalna do kwadratu stosunku wartości prądów 7
Całka Joule'a prądu następczego dla dobranych ograniczników przy spodziewanym prądzie zwarciowym 2 ka i przy napięciu 230 V według danych wytwórcy nie przekracza wartości P F = 10 ka 2 s. Łączna całka Joule'a prądu piorunowego i prądu następczego przepuszczona przez ogranicznik wynosi P R = P ZZ + P F = 25 + 10 = 35 ka 2 s Tę całkę Joule'a powinny przetrzymywać poprzedzające zabezpieczenia nadprądowe, aby nie powodowały zbędnych wyłączeń. Bezpiecznik w złączu gg 100 A ma przy prądzie piorunowym całkę Joule'a przetrzymywania tylko 8 ka 2 s, czyli dalece niewystarczającą. Obliczoną całkę P R =35 ka 2 s przetrzymuje bezpiecznik 200 A. Projektantowi pozostaje wybrać jedną z następujących możliwości: układ połączeń jak na rys. 2c z bezpiecznikami w złączu gg 100 A i ryzyko ich zbędnych zadziałań, co jest bardzo niepożądane, układ połączeń jak na rys. 2c z bezpiecznikami w złączu gg 200 A, jeśli takie zwiększenie ich prądu znamionowego jest dopuszczalne z innych powodów, układ połączeń jak na rys. 2c ale z użyciem selektywnego wyłącznika SHU zamiast bezpiecznika, układ połączeń jak na rys. 2d z bezpiecznikami w złączu gg 100 A, jeśli można akceptować interwencję poprzedzających bezpieczników (I n >=200 A) w sieci rozdzielczej w razie uszkodzenia ogranicznika przepięć w złączu. Wypada dodać, że przed rokiem 2000 koordynację ograniczników z bezpiecznikami opierano na bardzo uproszczonym rozumowaniu. W niniejszym przykładzie wyglądałoby ono następująco: przy spodziewanym prądzie zwarciowym przy napięciu 230 V ogranicznik przepuszcza prąd następczy 1 ka (katalog firmowy), co w przeciągu półokresu (0,01 s) odpowiada całce Joule'a P F = 1000 2 0,01 = 10000 A 2 s = 10 ka 2 s. W rzeczywistości całka P F będzie przeważnie mniejsza, bo prawidłowo wyłączany prąd następczy tylko wyjątkowo płynie przez cały półokres. Wystarczy zatem bezpiecznik gg 63 A o całce Joule'a przedłukowej 9 ka 2 s i takie wartości pojawiały się w piśmiennictwie fachowym i w katalogach. Niesłusznie pomijano skutek cieplny uprzednio płynącego prądu piorunowego P ZZ oraz wpływ naskórkowości i innych zjawisk towarzyszących przepływowi prądu piorunowego na wartość całki Joule'a przedłukowej bezpiecznika. Literatura Hasse P., Noack F.: Neue Blitzschutznormen in der Praxis. Elektromeister + Deutsches Elektrohandwerk, 1998, nr 1-2, s. 41-47, nr 3, s. 140-142. Hering E.: Blitzstoßstromableiter und Überstrom-Schutzeinrichtungen. Elektropraktiker, 1999, nr 7, s. 630-634. Raab V.: Blitz- und Überspannungsschutz-Maßnahmen in NS-Anlagen. Elektropraktiker, 1996, nr 11, s. 944-950, nr 12, s. 1043-1046. Schönau J., Noack F.: Blitzstromverhalten von Niederspannungs-Hochleistungs-(NH)- Sicherungen. etz 2004, nr 1, s. 24-27. 8