Dr inż. Edward Musiał Politechnika Gdańska Dobezpieczanie bezpiecznikami W większości zastosowań od zabezpieczeń nadprądowych wymaga się zdolności wyłączania wszelkich prądów przetężeniowych, od niedużego prądu przeciążeniowego do największego spodziewanego prądu zwarciowego. Jeżeli spełnienie tego wymagania przez pojedyncze urządzenie zabezpieczające jest niemożliwe lub nieracjonalne, to stosuje się dobezpieczanie. Urządzenie zabezpieczające o potrzebnej większej zdolności wyłączania dobezpiecza (wspomaga) urządzenie o mniejszej zdolności wyłączania, ale bywa też na odwrót. Technika dobezpieczania zaczęła się ponad pół wieku temu od bezpieczników i nadal są one ważnym i nieodzownym narzędziem tej procedury. 1. Dobezpieczanie indywidualne i grupowe Dobezpieczanie (ang. back-up protection, niem. Vorsicherung) polega na tym, że instaluje się urządzenie wyłączające, które nie jest w stanie wyłączyć określonych prądów (największych prądów zwarciowych) i obarcza się tym inne urządzenie, spełniające rolę dobezpieczenia, czyli zabezpieczenia wspomagającego (rys. 1). Rys. 1. Dobezpieczanie w tym samym obwodzie, bez uszczerbku dla wybiorczości: a) rozrusznik bezpośredni; b) wyłącznik z ogranicznikiem topikowym A urządzenie wyłączające o zdolności wyłączania mniejszej niż największy spodziewany prąd zwarciowy; D dobezpieczenie Zabezpieczenie wspomagające może być częścią tej samej konstrukcji zespolonej (np. w wyłączniku dobezpieczonym ogranicznikami topikowymi rys. 1b), a może być osobnym urządzeniem zainstalowanym w tym samym obwodzie (rys. 1a) lub w obwodzie poprzedzającym. W ostatnim przypadku dochodzi do niewybiorczego wyłączenia również obwodów, które nie są dotknięte uszkodzeniem. Dobezpieczenie grupowe, w obwodzie poprzedzającym, za pomocą bezpieczników uniemożliwia osiągnięcie wybiorczości całkowitej. Stosuje się do tego celu raczej wyłączniki, zwłaszcza wyłączniki odskokowe lub inne wyłączniki umożliwiające szybkie samoczynne ponowne załączenie. 2. Dobezpieczanie rozłączników Najczęściej spotykanym przypadkiem jest zestaw, w którym bezpiecznik i stycznik dzielą się rolami przy wyłączaniu przetężeń: rozrusznik bezpośredni złożony z bezpieczników, stycznika zestykowego i pierwotnego przekaźnika przeciążeniowego termobimetalowego. 1
Przekaźnik termobimetalowy pierwotny, nastawiony na prąd z zakresu (1,0 1,1) I nm powinien zadziałać w razie przeciążenia silnika (o prądzie znamionowym I nm i prądzie rozruchowym I LR ) oraz w razie jego zahamowania (utknięcia wirującego silnika albo załączenia silnika o zakleszczonym wirniku). Oznacza to, że w razie jakichkolwiek stanów zakłóceniowych, których przyczyną nie jest uszkodzenie izolacji (zwarcie), wyłączenie obwodu powinien inicjować przekaźnik przeciążeniowy, a nie bezpiecznik. Rys. 2. Charakterystyka działania (1) i charakterystyka obciążalności cieplnej (2) pierwotnego przekaźnika termobimetalowego (przekaźnik jest self-protecting w zakresie prądów mniejszych niż I a ) Rys. 3. Charakterystyka działania bezpiecznika niepełnozakresowego am o najmniejszym prądzie wyłączalnym I nmin (bezpiecznik jest self-protecting w zakresie prądów większych niż I nmin ) Przekaźnik pierwotny (o termobimetalach w obwodzie głównym) podczas zwarcia jest poddany tej samej całce Joule'a, co i inne elementy obwodu, a ponieważ ma szczególnie dużą rezystancję (grzejników i/lub termobimetali) jest na nią szczególnie wrażliwy. Przekaźnik zabezpiecza sam siebie (ang. self-protecting, niem. eigenfest), inicjuje wyłączenie prądu przetężeniowego zanim on go uszkodzi, ale dzieje się tak (rys. 2) tylko do pewnej wartości prądu I a z przedziału (8 20) I nm, przy czym I nm jest górnym prądem nastawczym przekaźnika. Przy prądzie większym przekaźnik zostaje pobudzony, termobimetale zaczynają się wyginać, ale zanim dojdzie do otwarcia zestyku przekaźnika i wyłączenia prądu przez stycznik (o czasie wyłączania rzędu kilkudziesięciu milisekund) w przekaźniku następują nieodwracalne uszkodzenia: nadtopienie grzejnika, upalenie lutowanych lub zgrzewanych połączeń czy chociażby trwałe odkształcenie termobimetali nagrzanych powyżej temperatury granicznej dopuszczalnej przy zwarciu. Takie zagrożenie występuje w zakresie prądów, w którym charakterystyka t-i obciążalności cieplnej przekaźnika leży poniżej jego charakterystyki działania (rys. 2). W tym zakresie poniżej charakterystyki obciążalności cieplnej przekaźnika powinna się znaleźć charakterystyka t-i wyłączania bezpiecznika albo inaczej całka Joule'a I 2 t wyłączania bezpiecznika powinna być mniejsza niż całka Joule'a I 2 t wytrzymywana przez przekaźnik. Jeżeli nie jest to możliwe, bo bezpiecznik ma zbyt duży prąd znamionowy ze względu na przetrzymywanie prądów rozruchowych, to do zabezpieczenia przeciążeniowego trzeba użyć aparatu, który nie stawia podobnych ograniczeń: przekaźnika termobimetalowego wtórnego, o termobimetalach w obwodzie wtórnym przekładników prądowych szybko nasycających się albo przekaźnika nadprądowego elektronicznego, albo czujników temperatury. 2
Bezpiecznik powinien mieć prąd znamionowy I nb jak najmniejszy, ale wystarczający do przetrzymywania wszelkich prądów normalnego użytkowania i w zasadzie powinien interweniować tylko w razie zwarcia. Można przyjąć, że bezpiecznik ogólnego przeznaczenia (g) jest self-protecting przy każdym prądzie wywołującym zadziałanie, natomiast bezpiecznik o niepełnozakresowej zdolności wyłączania ( a) tylko przy prądzie niemniejszym niż najmniejszy prąd wyłączalny I nmin (rys. 3). Jeżeli w obwodzie wystąpi prąd przetężeniowy mniejszy, powinien być wyłączony przez stycznik pobudzony przekaźnikiem przeciążeniowym zanim dojdzie do przepalenia topika. Innymi słowy, przy prądzie I < I nmin czas działania przekaźnika powiększony o czas wyłączania stycznika powinien być mniejszy niż czas przedłukowy bezpiecznika. W obwodzie silnikowym trzeba postawić ostrzejsze wymaganie: najmniejszy prąd wyłączalny bezpiecznika powinien być mniejszy niż prąd zahamowanego silnika I LR, i to przy napięciu obniżonym do 0,85 U n, aby bezpiecznik mógł wyłączyć ten prąd, gdyby zawiódł przekaźnik przeciążeniowy. Punkt przecięcia liniowych (średnich) charakterystyk t-i przekaźnika przeciążeniowego i bezpiecznika (rys. 4) wyznacza na osi odciętych I prąd przełomowy I c (ang. take-over current). Przy prądzie o wartości zbliżonej do I c mogą zadziałać oba zabezpieczenia, przy prądzie wyraźnie mniejszym (I<=L 0,75 I c ) powinien zadziałać tylko przekaźnik przeciążeniowy, a przy prądzie wyraźnie większym (I>=1,25 I c ) - tylko bezpiecznik. Jeżeli w obwodzie jest pierwotny przekaźnik termobimetalowy, to bezpiecznik powinien dobezpieczać go przy większych prądach przetężeniowych. W tym celu prąd przełomowy I c powinien być mniejszy niż prąd, powyżej którego przekaźnik przestaje być self-protecting (I c < I a ). Rys. 4. Zasady koordynacji elementów rozrusznika bezpośredniego: stycznika, przekaźnika termobimetalowego i bezpiecznika niepełnozakresowego: 1-charakterystyka prądu obciążenia, 2-charakterystyka przekaźnika termobimetalowego, 3-charakterystyka bezpiecznika, 4-charakterystyka przekaźnika różnicowoprądowego. Warunki koordynacji: I nmin < I c < I a oraz I nmin < I LR Wymagany prąd wyłączalny stycznika co najmniej I c (co najmniej I d, jeśli występuje przekaźnik o charakterystyce 4). Stycznik o znamionowym prądzie łączeniowym I e powinien mieć zdolność przewodzenia prądu i zdolność łączenia w odpowiedniej kategorii 3
użytkowania dobraną do odbiornika i jego trybu pracy. Podawane dalej informacje dotyczą kategorii AC-3 (rozruch bezpośredni, wyłączanie silnika wirującego). W przypadku zwarcia oporowego stycznik może być narażony na wyłączanie prądu większego, osiągającego wartość prądu przełomowego I c, a nawet prądu jeszcze większego (I d na rys. 4), jeśli jest w obwodzie bezzwłoczny lub krótkozwłoczny przekaźnik reagujący przy niektórych przetężeniach. Może to być przekaźnik różnicowoprądowy, w układzie TN pobudzany przy wielkoprądowych zwarciach doziemnych. Analizując zestawienie charakterystyk t-i poszczególnych zabezpieczeń obwodu można wskazać wymagany prąd wyłączalny stycznika. W razie przepływu prądu zwarciowego przez tory główne stycznika najbardziej narażone są miejsca styczności styków. O tym, czy nastąpi ich uszkodzenie (sczepienie, wypalenie) decyduje jak w każdym łączniku zestykowym złożona gra zjawisk cieplnych i elektrodynamicznych. Tylko w uproszczeniu określa się to podając wytrzymywane wartości całki Joule'a I 2 t i prądu szczytowego i ns, które powinny być niemniejsze niż całka Joule'a wyłączania I 2 t w i prąd ograniczony i o zastosowanego bezpiecznika. Jeśli wytwórca określił największy dopuszczalny prąd znamionowy bezpiecznika określonej klasy, to wolno zastosować inny bezpiecznik, którego obydwa wspomniane parametry są niewiększe. Podobnie należy rozumować wymieniając w starym urządzeniu niegdysiejsze bezpieczniki na nowe, nawet pochodzące od tego samego wytwórcy, bo od czasu dostawy wytwórca mógł zmienić konstrukcję i parametry wkładek bezpiecznikowych. W przypadku stycznika elektromagnesowego dochodzi kolejna komplikacja, jeśli obwód sterowniczy jest zasilany bezpośrednio z obwodu głównego i nie ma żadnych (np. kondensatorowych) zasobników energii. Zwarciu towarzyszy obniżenie napięcia, zmniejszenie siły przyciągania elektromagnesu napędowego i ew. zmniejszenie docisku zestykowego, co wzmaga narażenia styków. Tymczasem wyniki badań obciążalności zwarciowej styczników i koordynacji z zabezpieczeniami zwarciowymi pochodzą z prób, w których napięcie sterownicze pochodzi z obcego źródła i ma wartość znamionową niezależnie od obciążenia torów głównych. Spełnienie przedstawionych wymagań, warunkujących należytą koordynację części składowych rozrusznika, powinno być sprawdzone doświadczalnie. Tylko wyniki eksperymentu mogą być podstawą doboru elementów zestawu i szacowania obciążalności zwarciowej w innych, podobnych warunkach. Kompletne badania koordynacji obejmują trzy próby: 1) Próba przy prądach o wartości zbliżonej do prądu przełomowego I c : przy 0,75 I c aby sprawdzić, że wyłączenie powoduje przekaźnik przeciążeniowy bez udziału bezpiecznika oraz przy 1,25 I c, aby upewnić się, że wyłącza bezpiecznik przed zadziałaniem stycznika pobudzonego przekaźnikiem przeciążeniowym. W następstwie próby nie powinna nastąpić zmiana charakterystyki działania przekaźnika przeciążeniowego. 2) Próba przy spodziewanym prądzie zwarciowym I r o wartości odpowiadającej przeciętnym warunkom instalowania (np. 5 ka dla rozruszników o znamionowym prądzie łączeniowym od 63 do 125 A), przy której można oczekiwać szczególnie ostrych narażeń cieplnych zestawu. Próbę wykonuje się dwukrotnie. Raz przy pojawieniu się prądu I r w obwodzie, w którym wszystkie łączniki są zamknięte, a drugi raz - przez załączenie stycznika na zwarcie. Każdorazowo poprawnego wyłączenia powinny dokonać bezpieczniki. 4
3) Próba przy znamionowym wytrzymywanym prądzie zwarciowym I q, deklarowanym przez wytwórcę, jeśli jest on większy od prądu I r. Z relacji I q > I r wynika, że prąd ograniczony przepuszczony przez bezpiecznik jest większy i że stromość prądu I q jest większa niż prądu I r, wobec czego ewentualny odrzut styków następuje wcześniej i przy większej wartości prądu. Próbę wykonuje się dwukrotnie, podobnym trybem jak poprzednią i podobnie interpretuje jej wynik. Bywają rozruszniki, również o małym prądzie łączeniowym I e, którym wytwórcy przypisują znamionowy wytrzymywany prąd zwarciowy I q na poziomie 100 ka, wystarczający w każdym zastosowaniu. W następstwie prób określa się zdolność działania rozrusznika w określonych warunkach zwarciowych przez przypisanie mu jednego z dwóch typów koordynacji. W obu wymaga się, aby w przypadku przetężenia nastąpiło skuteczne wyłączenie prądu bez zagrożenia dla ludzi lub urządzeń, np. w wyniku otwarcia drzwi lub pokrywy obudowy na skutek wydmuchu, bez uszkodzenia przewodów lub zacisków i bez pęknięcia lub złamania podstawy izolacyjnej; obudowa może ulec odkształceniu, ale powinna dać się otworzyć. Różnice są następujące: Typ 1 koordynacji dopuszcza, że po wyłączeniu zwarcia rozrusznik nie nadaje się do dalszej pracy, lecz wymaga wymiany stycznika i/lub przekaźnika przeciążeniowego. Powszechnie się to akceptuje, bo w należycie utrzymanych urządzeniach intensywność zwarć ocenia się na ok. 0,05 a -1, tzn. rozrusznik odczuwa bliskie zwarcie średnio raz na 20 lat. Tak wykonuje się większość sprzedawanych w świecie rozruszników poza USA i Kanadą, gdzie preferuje się typ 2 koordynacji. Typ 2 koordynacji wymaga, aby po wyłączeniu zwarcia rozrusznik nadawał się do dalszej eksploatacji. Dopuszcza się sczepienie styków pod warunkiem, że są one dostępne i dają się łatwo rozdzielić, np. wkrętakiem, a ich powierzchnie nie są zdeformowane w stopniu uniemożliwiającym dalszą pracę. Zapewnienie typu 2 koordynacji zwykle polega na zastosowaniu stycznika o większym znamionowym prądzie łączeniowym niż przy typie 1 koordynacji oraz zastąpieniu pierwotnego przekaźnika termobimetalowego przekaźnikiem wtórnym termobimetalowym albo elektronicznym i/lub na zastosowaniu bezpiecznika o mniejszym prądzie ograniczonym i mniejszej całce I 2 t wyłączania. W wyniku prób podaje się największy dopuszczalny prąd znamionowy bezpiecznika określonej klasy, stanowiącego poprawne dobezpieczenie rozrusznika. Powinno się też podawać największe dopuszczalne wartości prądu ograniczonego i całki Joule'a wyłączania, informacje przydatne w razie konieczności zastosowania bezpiecznika innej klasy. Jeżeli stycznik ma przekaźnik termobimetalowy wtórny albo przekaźnik przeciążeniowy elektroniczny, to z powyższych rozważań znika prąd I a oraz krzywa 2 na rys. 2; nie ma obawy przekroczenia obciążalności zwarciowej termobimetali. Jeżeli stycznik nie współdziała z żadnym przekaźnikiem, to nie wyłącza samoczynnie przetężeń. Z powyższych rozważań znikają również prądy I c oraz I d i związane z nimi wymagania. Pozostaje problem koordynacji samego stycznika z bezpiecznikami, co sprawdza się badaniami przy prądach zwarciowych I r i ew. I < q. Z badań tych wynikają największe dopuszczalne wartości całki Joule'a wyłączania I 2 t w i prądu ograniczonego i o bezpiecznika. Przykład. 5
W rozrusznikach bezpośrednich produkcji USA do silników 500 V, 11 kw, I n = 16,5 A, zastosowano bezpieczniki 32 A. Wytwórca gwarantuje ich obciążalność zwarciową 5,2 ka i typ koordynacji 1 lub 2 zależnie od klasy użytych bezpieczników, zgodnie z poniższym zestawieniem. Klasa bezpieczników Prąd ograniczony ka I 2 t wyłączania A 2 s Typ koordynacji RK-5 2,7 16100 1 J 1,8 3040 2 Aby uniknąć zakupu oryginalnych wkładek bezpiecznikowych rozważa się możliwość zastąpienia ich dostępnymi w kraju wkładkami klasy gg. Wśród danych krajowych wkładek są istotne z punktu widzenia koordynacji zestawione niżej parametry wkładek gg o napięciu znamionowym 500 V: prąd ograniczony przy prądzie spodziewanym 5,2 ka oraz całka Joule'a wyłączania przy napięciu 500 V. Prąd znamionowy A Prąd ograniczony ka I 2 t wyłączania A 2 s Typ koordynacji 16 1,40 1090 2 20 1,60 1180 2 25 1,95 2600 1 35 2,50 6300 1 50 3,55 10500 - Koordynację typu 1 mogą zapewnić wkładki gg 35A, o prądzie znamionowym praktycznie takim samym, jak w fabrycznym wykonaniu rozrusznika. Natomiast dla osiągnięcia koordynacji typu 2 należałoby obniżyć prąd znamionowy wkładek gg do 20A. Można by dopuścić wkładki gg 25 A, gdyby obniżyć obciążalność zwarciową rozrusznika do 4 ka, co jest dopuszczalne; przy takim prądzie spodziewanym prąd ograniczony wkładek gg 25A nie przekracza 1,8 ka. 3. Dobezpieczanie wyłączników Używa się bezpieczników do indywidualnego, a rzadziej grupowego, dobezpieczenia wyłączników, co pozwala takiemu zestawowi przypisać zwarciową zdolność wyłączania 5 15-krotnie większą niż ma sam wyłącznik. Mogą być użyte osobno instalowane bezpieczniki standardowe (zwłaszcza klasy am), ale najlepiej nadają się do tego celu, stanowiące konstrukcję zespoloną z wyłącznikiem, specjalne małogabarytowe bezpieczniki ograniczające o stromej charakterystyce t-i, tzw. ograniczniki prądu zwarciowego (ang. limiter, amp-trap). W obu przypadkach mogą być użyte bezpieczniki niepełnozakresowe, bo wyłączanie prądów mniejszych niż ich najmniejszy prąd wyłączalny I nmin i tak przejmują wyłączniki. Bezpiecznik powinien pozostać nietknięty przy prądach mniejszych niż znamionowy prąd wyłączalny wyłącznika. Aby zachować pewien margines bezpieczeństwa punkt przecięcia 6
charakterystyk liniowych obu aparatów, wyznaczający prąd przełomowy zestawu I c, powinien się znaleźć przy prądzie niewiększym niż 70 % znamionowego prądu wyłączalnego wyłącznika (rys. 5a). Powyżej tego punktu bezpiecznik przejmuje zadanie wyłączania prądu. Jednak wystarczy spojrzeć (rys. 5b) na pasmowe charakterystyki t-i bądź I 2 t-i, by zrozumieć, że w istocie chodzi o znaczny zakres wartości prądu, kiedy przecinają się pasmowe charakterystyki, pobudzone są i zwarcie mogą wyłączać jednocześnie oba aparaty. Rys. 5. Zestawienie charakterystyk t-i wyłącznika (1) oraz dobezpieczającego go bezpiecznika (2): a) charakterystyk liniowych; b) charakterystyk pasmowych I c punkt przecięcia charakterystyk t-i Mogłoby się wydawać, że wyłącznikowi dobezpieczonemu można przypisać, jako zwarciową zdolność wyłączania, taki prąd spodziewany, przy którym prąd ograniczony użytych bezpieczników nie przekracza szczytowej wartości pierwszej półfali prądu odpowiadającego zwarciowej zdolności wyłączania samego wyłącznika. Takie rozumowanie byłoby jednak zbyt ryzykowne. Wyobraźmy sobie wyłącznik o prądzie znamionowym I n = 100 A i zwarciowej zdolności wyłączania przy napięciu 380/415 V I cs = 16 ka, którą sprawdza się w obwodzie o współczynniku mocy cos = 0,3, co odpowiada współczynnikowi udaru k = 1,4 i szczytowej wartości pierwszej półfali Bezpiecznik gg 250 A o znamionowym prądzie wyłączalnym 100 ka gwarantuje prąd przełomowy I c 10 ka < 0,7 I cs, co wynika z przebiegu pasmowych charakterystyk t-i, a przy prądzie spodziewanym 63 ka ma prąd ograniczony 23 ka, czyli przepuszcza pojedynczy impuls o wartości szczytowej mniejszej niż wspomniana wartość pierwszej półfali. Wydawałoby się zatem, że zestawowi złożonemu ze wspomnianego wyłącznika z takimi bezpiecznikami można by przypisać zwarciową zdolność wyłączania 63 ka. Wniosek taki nie jest jednak zasadny z następujących powodów: Impuls prądu ograniczonego przepuszczony przez bezpiecznik ma większą stromość di/dt niż pierwsza półfala prądu przy badaniu samego wyłącznika, bo większa jest 7
wartość szczytowa prądu spodziewanego i odpowiada mu niższa znormalizowana wartość współczynnika mocy obwodu. Nawet w wyłącznikach, które nie są określane jako ograniczające, jeszcze przed zwolnieniem zapadki zamka przez wyzwalacz zwarciowy, przy dużym prądzie zwarciowym następuje elektrodynamiczny odrzut styków (po 1 3 ms) i występuje złożony rozkład mocy i energii łukowych przypadających na szeregowo połączone, zmienne w czasie rezystancje kolumn łukowych wyłącznika i bezpiecznika [1]. Wyłącznik może przejąć udział, który okaże się dlań niszczący. Największe narażenia wyłącznika nie muszą występować przy znamionowej zwarciowej zdolności łączenia zestawu, lecz - ze względu na większy czas przedłukowy bezpiecznika - przy prądzie nieco większym niż prąd przełomowy, np. (1,2 1,5) I c, co tylko doświadczalnie można i należy sprawdzić. Zatem wspomniane uproszczone rozumowanie może służyć co najwyżej za przesłankę wstępnego doboru elementów zestawu, który zostanie poddany badaniom. Co prawda, dzięki jednoczesnemu, kaskadowemu gaszeniu łuku w dwóch szeregowo połączonych aparatach, można osiągnąć bardzo dużą zdolność wyłączania, nawet większą niż suma zdolności wyłączania obu aparatów, ale tylko doświadczenie może to potwierdzić. W praktyce amerykańskiej dopuszczalne są tylko takie zestawy wyłączników i bezpieczników (ang. series rated systems), których pozytywne wyniki badań i przypisane przez Underwriters Laboratories parametry zostały opublikowane w stale uaktualnianym wydawnictwie " Yellow book" [2]. Literatura DiMarco B., Hansen S. R.: Interplay of energies in circuit breaker and fuse combinations. IEEE Trans. Ind. Applic., 1993, nr 3, s. 557-561. Recognized component directory. Underwriters Laboratories, Northbrook, IL, 2003 (TheYellow book). 8