Wkładki topikowe NH informacje praktyczne dla projektantów, aspekty ich doboru i stosowania ZALETY WKŁADEK TYPU NH Wkładki topikowe NH należą do najpopularniejszych wkładek bezpiecznikowych przemysłowych w Polsce i są przede wszystkim stosowane w energetyce zawodowej. W niniejszej prezentacji, mającej za zadanie przedstawić przede wszystkim istotne informacje praktyczne, zostaną przedstawione różne rodzaje i wykonania wkładek NH wraz z rozłącznikami i podstawami bezpiecznikowymi na przykładzie oferty firmy JEAN MUELLER POLSKA. Wkładki topikowe NH zwane są popularnie także BM-ami (od bezpieczniki mocy) czy WT. Wg norm bezpiecznik to wkładka topikowa wraz z podstawą, chociaż zdecydowana większość osób posługuje się zamiennie pojęciem wkładka i bezpiecznik. Podstawowe zalety wkładek topikowych NH to: 1. Niezawodność działania Wkładki topikowe są tak skonstruowane, że w przypadku właściwego doboru wkładki do warunków pracy istnieje pewność zadziałania wkładki i tym samym przerwania obwodu prądowego. Alternatywą dla wkładek są różnego rodzaju wyłączniki nadprądowe i kompaktowe, które są wygodne w użyciu, mają jednak kilka wad: - prawie każde przetężenie powoduje drobne wypalenia na stykach wyłącznika i może się zdarzyć, że taki automatyczny wyłącznik nie zadziała przy którymś kolejnym zwarciu czy przeciążeniu. Przy dużych prądach zwarciowych występują dodatkowo odkształcenia części metalowych i plastikowych w wyłącznikach kompaktowych. Po kilku zwarciach powinno się wyłącznik wymienić, jednak w Polsce się tego nie robi. - pod wpływem starzenia się (utlenianie styków), wilgoci i pyłów zmienia się z czasem charakterystyka zadziałania wyłączników. Przy bezpiecznikach nie ma takiego problemu po wymianie wkładki mamy system zabezpieczający jak nowy. - im większy prąd zwarciowy, tym wkładka szybciej działa przy wyłącznikach czas zadziałania jest stały i taki aparat przepuści większy prąd zwarciowy. 2. Różnorodność W zakresie wkładek topikowych mamy bardzo szeroką gamę wyrobów i duże możliwości doboru bezpiecznika właściwego do potrzeb, w szczególności dzięki różnym charakterystykom 3. Bezpieczeństwo Wkładki NH w wysokim stopniu ograniczają prąd zwarciowy, są to wartości do 120 ka. Zapewniają tłumienie nadmiernej siły elektrodynamicznej i redukują wydzielania się ciepła w przypadku zwarcia i przeciążenia. 4. Trwałość Wkładki dobrych producentów są wykonywane z wysokiej jakości materiałów, mogą być w użyciu przez wiele lat (nie dotyczy to wszystkich wkładek dostępnych na rynku więcej o tym w części o budowie wkładek) 5. Ekonomiczność Przy wkładkach na większe prądy znamionowe jest to wraz z np. rozłącznikiem najtańszy sposób zabezpieczenia obwodu elektrycznego (wyłączniki są droższe) 6. Selektywność Stosując szeregowo zainstalowane wkładki topikowe w obwodzie elektrycznym możemy osiągnąć dobrą selektywność zadziałania np. bezpieczniki NH firm JEAN MÜLLER i FERRAZ pracując w tych samych warunkach atmosferycznych mają selektywność 1:1,25. 7. Czas zadziałania Wkładki topikowe w przypadku zwarcia przepalają się szybciej niż zadziała wyłącznik.
BUDOWA WKŁADKI NH Wkładki NH mają charakterystyczną budowę z zewnątrz widać sześcioboczny korpus z porcelany technicznej (zwykle ze statytu), kontakty z obu stron zwane nożami oraz w większości wypadków czujnik zadziałania. Wewnątrz znajduje się topik i piasek kwarcowy jako gasiwo. Norma IEC EN 60269-1 i 60269-2 określa wymiary obudowy oraz noży wkładek i właściwie wszyscy producenci europejscy stosują się do tego, dlatego wkładki można kupować od dowolnego wytwórcy (jedynym wyjątkiem znanym autorowi są wkładki o pofałdowanych nożach czeskiego producenta). We wkładkach NH kontakty są bardzo ważne powinny być wykonane z miedzi lub stopu miedzi (ale bez istotnej zawartości niklu) oraz posrebrzone. Na rynku polskim do niedawna dostępne były 2 rodzaje wkładek polskich producentów, które nie odpowiadały tym wymaganiom. Po pierwsze firma APENA do roku ok. 2000 produkowała wkładki z niklowanymi nożami. Normy dopuszczają takie wykonanie, ale tylko do zastosowań w agresywnej atmosferze (opary siarki, azoty itp.) i należy do nich stosować specjalne podstawy z niklowanymi kontaktami. Ponieważ jednak wkładki te były najtańsze na rynku, dlatego były też bardzo popularne. Zastosowanie tych wkładek w zwykłych podstawach ze srebrzonymi kontaktami powodowało nadmierne grzanie się styków, natomiast stosowanie tych wkładek w zamkniętych rozłącznikach bezpiecznikowych było jedną z przyczyn pożarów rozdzielnic i złącz kablowych. Drugim rodzajem wkładek NH o nożach nie srebrzonych były wkładki wykonane z kontaktami z mosiądzu (już nie są produkowane w Polsce). Noże tych wkładek NH były w kolorze srebrnym, ale nie miały żadnej powłoki i ich główną zaletą była niska cena. Wadą natomiast w niektórych przypadkach większe niż dopuszcza norma straty mocy, co podwyższało koszty eksploatacji, jak też mogło się nawet przyczyniać do samoistnego przepalania się wkładek przy prądzie znamionowym. Korpus wkładki jest zamknięty z obu stron pokrywami z aluminium (jedynie dla górnictwa stosuje się pokrywy ze stali) z chwytakami służącymi do montażu wkładek. Chwytaki te podczas pracy są pod napięciem, co powoduje niebezpieczeństwo porażenia w przypadku prac pod napięciem. W ofercie niektórych producentów są wkładki z przekładkami izolującymi (JEAN MÜLLER wykonanie ISM), aby chwytaki wystające do przodu nie były pod napięciem. Wkładki takie powinno się stosować w listwach bezpiecznikowych oraz podstawach z osłonami, gdyż wtedy byłby zapewniony stopień ochrony IP20. Niestety wkładki te są droższe (ok. 2 PLN przy najmniejszych wkładkach i do kilku złotych przy większych), dlatego na razie nie stosuje się ich w Polsce i również z tego powodu dochodzi co roku do wypadków wśród energetyków. Wkładki NH mają zwykle jeden z kilku rodzajów wskaźników zadziałania: wskaźnik środkowy w formie czerwonej wypadającej perełki (obecnie coraz rzadziej stosowany), wskaźnik górny (odskakująca blaszka przy nożu), wskaźnik KOMBI tzn. odskakująca blaszka u góry i jednocześnie połączony z nią wysuwany pasek od przodu, który po zadziałaniu pokazuje w otworze kolor czarny zamiast czerwonego, aż wreszcie wybijak na dole wkładki. Do każdego rodzaju wskaźników istnieją zakładane dodatkowo czujniki zadziałania (mikrostyki) w podstawach stosuje się zwykle czujnik zadziałania wkładki montowany do górnego chwytaka
i przylegający do górnego wskaźnika (odskakującej blaszki), natomiast w rozłącznikach skrzynkowych LTL stosuje się czujniki zadziałania reagujące na wysuwanie się wybijaka. Warto zauważyć, że w Europie są 2 systemy wybijaków niemiecki, który jest standardem w Polsce, oraz francuski. Systemy te różnią się między sobą umiejscowieniem wybijaka. Wewnętrzna budowa topika nie ma specjalnego znaczenia dla użytkownika (są to miedziane paski z otworami, czasami z naniesionymi kropelkami lutu), warto tylko zapamiętać, że nie wolno doprowadzić do zamoczenia wkładek, gdyż przebicie spowoduje natychmiast gwałtowne przepalenie się wkładki. WIELKOŚCI WKŁADEK Norma dzieli wkładki na kilka wielkości, chociaż producenci w celu obniżenia kosztów i cen wprowadzili pewne wielkości dodatkowe. W zakresie najpopularniejszej charakterystyki gg prądy zaczynają się od 2A i podział ten wygląda następująco: NH000 lub 00C do 100 lub 125A (powszechny standard producentów, nie wynika z normy) NH00 do 160A (zwykle stosuje się tylko 125 i 160A, mniejsze prądy to NH000) NH0 do 200A (występują bardzo rzadko, nie ma obecnie rozłączników o tej wielkości) NH1 do 250A (wykonania poza normą do 315A, ponadto są często 1 i odchudzone 1C) NH2 do 400A (wykonania poza normą do 500A, ponadto są często 2 i odchudzone 2C)) NH3 do 630A (wykonania poza normą do 800A, ponadto są często 3 i odchudzone 3C), NH4a do 1600A NH4 do 1250A (te wkładki mają styki przykręcane do podstaw) Warto wiedzieć, że w zakresie wkładek NH ultraszybkich w poszczególnych wielkościach występują dużo wyższe prądy niż podane powyżej. O ile dla wielkości od NH1 do NH3 nie ma żadnego znaczenia, czy w danym typoszeregu jest to wartość np. NH2C (do 160A) czy NH2 (200-250A), o tyle w zakresie najmniejszych wkładek trzeba zachować czujność. Do wszystkich podstaw i aparatów o wielkości NH00 pasują wkładki NH000 i NH00, natomiast na rynku są też urządzenia i rozłączniki skrzynkowe o wielkości NH000, do których pasują wyłącznie mniejsze wkładki. Warto też wiedzieć, że w zakresie listew bezpiecznikowych i rozłączników listwowych wielu producentów tak montuje kontakty i stosuje jednolitą grubość szyn, że można w nich stosować wkładki NH1 i NH2 (często są to te same aparaty o wielkości NH2, różnią się tylko tabliczką znamionową). Należy zwrócić uwagę, że obok wkładek nożowych NH w zakresie wkładek szybkich do ochrony półprzewodników występują też inne wykonania bezpieczników NH (norma IEC 60269-4). Mianowicie do korpusu o wymiarach NH wg norm mogą być przyczepione kontakty z otworami do przykręcenia wkładek do szyn lub podstaw (najpopularniejsze są tzw. DIN80 o rozstawie otworów 80 mm i DIN110 o rozstawie otworów 110 mm). Wkładki G NH nie mają wyprowadzonych kontaktów, tylko do korpusu przykręca się bezpośrednio kontakty gwintowe. W ofercie występują też serwisowe wkładki NH do nałożenia na nie przekładnikami prądowymi. NAPIĘCIE ROBOCZE WKŁADEK NH Najpopularniejsze na rynku wkładki topikowe NH są na 500V AC, stosuje się je powszechnie w sieciach 400V AC, gdyż są najtańsze. Drugim w miarę popularnym standardem są wkładki na 690V AC, które znajdują zastosowanie w przemyśle. Firma JEAN MÜLLER ma w ofercie także wkładki na 400V AC charakteryzują się one niższymi stratami niż wkładki na 500V. W przypadku wkładki NH2 400A wkładka na 500V AC może mieć straty mocy do 34W, natomiast wkładka na 400V AC do 25 W. Rozważając hipotetycznie: w ciągu 1 godziny pracy z prądem znamionowym wkładka na 400V daje oszczędność 9 Wh, w ciągu doby ponad 200 Wh, po 5 dniach mamy już oszczędność 1 kwh. Jeżeli wkładka na 400V kosztuje nawet kilka PLN więcej niż wkładka na 500V, to po całym miesiącu koszt się zwróci, w ciągu 1 roku da ta wkładka oszczędności kilkadziesiąt PLN a przecież taka wkładka może działać nawet kilkadziesiąt lat.
Drugi istotny aspekt w złączach kablowych lub rozdzielnicach zastosowanie wkładek na 400V zamiast na 500V może dać oszczędności w zakresie strat mocy (czyli grzania się) kilkadziesiąt W. W ofercie JEAN MÜLLER znajdują się też normalne wkładki NH na prąd stały dla telekomunikacji NH00 80C DC do 800A, wkładki na 440, 750 i 900V DC. Niektóre z wkładek na napięcie AC można stosować wg wskazówek producenta w sieciach DC. Istnieją też wkładki zaliczane do grupy NH o przedłużonym korpusie (nie są one w ogóle wyspecyfikowane w normie) np. na 1200V AC czy 900 i 1100V DC CHARAKTERYSTYKI WKŁADEK Zgodnie z normą PN-EN 60269-1 wkładki topikowe mogą mieć charakterystykę pełnozakresową (na zwarcia i przeciążenia) i oznacza się je literką g oraz dobezpieczające (tylko na zwarcia) z oznaczeniem a. Najpopularniejsze są wkładki do ochrony kabli i przewodów o charakterystyce gg, chociaż na rynku funkcjonują także oznaczenia poza normą, mianowicie dawne oznaczenie gl oraz gf w odniesieniu do wkładek o nieco szybszym działaniu (nie należy mylić z bezpiecznikami bardzo szybkimi do ochrony półprzewodników). Wkładki NH gf są sprzedawane prawie wyłącznie w Polsce (cała Europa stosuje gg), są droższe od gg i w większości przypadków ich stosowanie nie ma większego sensu. Kolejną grupą są wkładki do ochrony silników o charakterystyce am (wytrzymują przeciążenia w związku z rozruchem motoru), a zabezpieczają jedynie przed zwarciem. Trzecia grupą wkładek zwłocznych są coraz popularniejsze bezpieczniki o charakterystyce gtr do zabezpieczania transformatorów charakteryzują się one dłuższym czasem zadziałania przy niewielkim przeciążeniu niż wkładki gg. Na przykład wkładki gl/gg firmy JEAN MÜLLER przy przeciążeniu 1,3 In zadziałają po ok. 4 godzinach, natomiast odpowiednie wkładki o charakterystyce gtr wytrzymają minimum 10 godzin czas zadziałania wkładek gtr jest dopasowany do bezwładności cieplnej transformatorów olejowych i dzięki temu rzadziej się przepalają w związku z kilkugodzinnymi wzrostami zapotrzebowania na energię np. wieczorami. Na wkładkach gtr podaje się zamiast prądu znamionowego informacje o mocy zabezpieczanego transformatora w kva. Zgodnie z normą istnieje jeszcze charakterystyka gb do zastosowań w górnictwie. W zakresie wkładek szybkich mamy obecnie cztery charakterystyki. Charakterystyka gr zabezpiecza przed przeciążeniami i zwarciami elementy elektroniczne (diody, tyrystory, triaki), natomiast wkładki o charakterystyce ar zabezpieczają tylko przed zwarciami. Są to najszybsze w działaniu wkładki topikowe. W ostatnich latach wprowadzono 2 nowe charakterystyki: gpv do ochrony paneli fotowoltaicznych (zwykle wkładki są na 900-1200V DC) oraz uniwersalne gs. Pomysł z charakterystyka gs był ciekawy ponieważ do sieci elektrycznej jest podłączonych coraz więcej delikatnych urządzeń elektronicznych, to wkładki gs powinny zabezpieczać zarówno przewody, jak i te urządzenia i zastąpić w przyszłości wkładki gg. Jak na razie wkładki te nie są popularne ze względu na wysoką cenę. Obie te grupy tj. gpv i gs powstały z zaadaptowania produkowanych wcześniej najwolniejszych wkładek gr. DOBÓR WKŁADEK I WSPÓŁCZYNNIKI KOREKCYJNE Właściwy dobór wkładek topikowych sprawia czasami kłopot projektantowi. Nie omawiając tu spraw podstawowych z tym związanych chciałbym zwrócić uwagę na pewne czynniki wpływające na optymalny dobór bezpieczników. 1. Producenci podają dane dotyczące wkładek dla temperatury otoczenia 25º lub 30º C, podczas gdy zamontowane wkładki działają zwykle w temperaturze znacznie wyższej ze względu na straty mocy, obecność w otoczeniu innych źródeł ciepła i słabą wentylację. Dobierając wkładki należy dlatego stosować współczynnik korekcyjny ze względu na temperaturę otoczenia. 2. Zdarza się, że kable lub zaciski kablowe są niewłaściwe dobrane dla przewodzonych prądów roboczych, co powoduje dodatkowy wzrost temperatury.
3. Dane dla bezpieczników podawane są zwykle dla 50 Hz przy większych częstotliwościach w związku z wpływem pola elektromagnetycznego zmienia się przepływ prądu we wkładce. 4. Dla trwałości bezpieczników nie jest obojętne, czy prąd płynie stale czy też jest wielokrotnie załączany i wyłączany oraz jak często występują przetężenia w sieci. 5. Równoległe stosowanie bezpieczników wymaga specjalnej konstrukcji takiego układu i czasami zastosowania współczynników korekcyjnych. 6. Dane wkładek NH am do ochrony silników są zwykle podawane dla prędkości obrotów 1500 na minutę. Przy znacznie wyższych lub niższych obrotach należy zastosować odpowiednią korekcję. Istotna jest też ilość załączeń silnika w ciągu doby. 7. Straty mocy we wkładkach tej samej grupy produktowej o tym sam prądzie są różne zależy to m.in. od technologii produkcji oraz wielkości wkładki. 8. Można stosować wkładki dostosowane do wyższych napięć w układach o niższym napięciu, ale nie odwrotnie (zwykle jest to ograniczone do +10%). 9. Przy zabezpieczaniu kondensatorów do korekcji współczynnika mocy należy dobierać wkładki NH na prądy 1,5-1,8 większe od prądu znamionowego kondensatora oraz ze względu na tzw. napięcie powrotne powinny być one na większe napięcie niż napięcie pracy. 10. Dobierając wkładki o charakterystykach szybkich (gr, ar, gs) należy brać pod uwagę przedłukową i całkowitą całkę Joul ea i dobierać ją odpowiednio do chronionych elementów półprzewodnikowych. 11. Wkładki do zabezpieczania półprzewodników (gr, ar, gs,) mają topik srebrny, a nie miedziany i w związku z tym mają często 2-3 razy większe straty mocy niż analogiczne wkładki gg. Rozłączniki bezpiecznikowe są dostosowane do wkładek gg i w związku z tym nie można instalować niektórych wkładek szybkich (te na większe prądy) w tych aparatach ze względu za zbyt duże wydzielanie przez wkładki ciepła. Rozwiązaniem bywa wzięcie do projektu wkładek większych (np. NH3 zamiast NH2) i odpowiednich do nich rozłączników dostosowanych do większych strat mocy). 12. Przy stosowaniu obok siebie listwowych rozłączników bezpiecznikowych na szyny należy zawsze pamiętać o współczynnikach korekcyjnych jednoczesności. Zbigniew Błażejewski