Aparatura łączeniowa w instalacjach elektrycznych nn
Wypalony zestyk w rozłączniku nn Fot. JT
Przewody i kable elektroenergetyczne oraz niektóre złożone układy zasilania powinny być, w celu ich ochrony, wyposażone w skutecznie działające zabezpieczenia przetężeniowe i zwarciowe oraz inne, powodujące samoczynne wyłączenie zasilania w przypadkach zwarć i przeciążeń oraz nieprawidłowej pracy innych urządzeń przy zachowaniu właściwych warunków chłodzenia. Urządzenia zabezpieczające przed cieplnymi skutkami przepływu prądów zwarciowych powinny być tak dobrane, aby przerwanie prądu zwarciowego w obwodzie elektrycznym następowało wcześniej niż wystąpi niebezpieczeństwo uszkodzeń cieplnych i mechanicznych w przewodach oraz ich połączeniach. Zabezpieczenia zwarciowe przewodów instalacyjnych mogą być wykonane z zastosowaniem: bezpieczników lub wyłączników samoczynnych z wyzwalaczami zwarciowymi.
Zobacz także
WAGO ELWAG Sp. z o.o. Optymalny rozdział potencjałów dzięki nowym złączkom TOPJOB® S
Rodzina złączek listwowych TOPJOB® S poszerzyła się ostatnio o nowe rozwiązanie – kompaktowe bloki rozdzielcze, które pozwalają na wydajny rozdział potencjałów za pomocą jednej tylko złączki – bez żadnych...
Rodzina złączek listwowych TOPJOB® S poszerzyła się ostatnio o nowe rozwiązanie – kompaktowe bloki rozdzielcze, które pozwalają na wydajny rozdział potencjałów za pomocą jednej tylko złączki – bez żadnych dodatkowych elementów.
Farnell Projekty w trudnych warunkach przemysłowych
Zastosowanie skomplikowanych urządzeń elektronicznych i czujników do ulepszania i rozszerzania procesów produkcji, obróbki skrawaniem i procesów produkcyjnych w zastosowaniach przemysłowych jest możliwe...
Zastosowanie skomplikowanych urządzeń elektronicznych i czujników do ulepszania i rozszerzania procesów produkcji, obróbki skrawaniem i procesów produkcyjnych w zastosowaniach przemysłowych jest możliwe tylko wtedy, gdy wszystkie komponenty przetrwają w trudnym środowisku. Systemy muszą wytrzymywać gorące, wilgotne i trudne warunki oraz niszczące pola elektryczne i magnetyczne. Specyficzne warunki środowiskowe, w których produkt jest używany, wpływają na jego specyfikacje. Takie specyfikacje należy...
mł. bryg. mgr inż. Piotr Musielak Odporność zwarciowa urządzeń przeciwpożarowych i jej wpływ na zapewnienie bezpieczeństwa ekip ratowniczych oraz użytkowników budynku
W artykule zostały omówione zagadnienia dotyczące zapewnienia odporności zwarciowej wybranych urządzeń przeciwpożarowych i jej wpływu na bezpieczeństwo ekip ratowniczych podczas prowadzonych działań ratowniczych...
W artykule zostały omówione zagadnienia dotyczące zapewnienia odporności zwarciowej wybranych urządzeń przeciwpożarowych i jej wpływu na bezpieczeństwo ekip ratowniczych podczas prowadzonych działań ratowniczych w obiektach budowlanych oraz na zapewnienie bezpiecznej ewakuacji użytkowników przebywających w budynku.
W artykule:• Rodzaje zabezpieczeń• Bezpieczniki topikowe nn • Klasa bezpiecznika topikowego • Wyłączniki nadmiarowoprądowe • Elementy gaszące łuk |
Dla każdego zabezpieczenia zwarciowego jego znamionowa zdolność wyłączania nie powinna być mniejsza niż spodziewany maksymalny prąd zwarciowy w miejscu zainstalowania urządzenia. Dopuszcza się mniejszą dopuszczalną znamionową zdolność wyłączania, jeżeli po stronie zasilania jest zainstalowane inne urządzenie zabezpieczające, mające niezbędną zdolność wyłączania oraz pod warunkiem, że charakterystyki urządzeń będą skoordynowane tak, że energia przepływająca przez urządzenia nie przekracza energii, jaką mogą wytrzymać bez uszkodzenia zarówno urządzenie po stronie obciążenia, jak i przewody chronione przez to urządzenie zabezpieczające [1, 6].
Czas od momentu powstania zwarcia w dowolnym punkcie obwodu elektrycznego do przerwania przepływu prądu zwarciowego powinien być na tyle krótki, aby temperatura żył przewodów nie przekroczyła wartości granicznej dopuszczalnej przy zwarciu dla danego typu przewodów. Czas ten nie powinien przekroczyć wartości granicznej dopuszczalnej wyznaczonej zależnością [1, 6]:
gdzie:
Tk – czas trwania zwarcia (0,1 s ≤ Tk ≤ 5 s), w [s],
S – przekrój przewodu, w [mm2],
Ith – prąd zwarciowy zastępczy cieplny, w [A],
k – dopuszczalna jednosekundowa gęstość prądu zwarciowego, w [A/mm2].
Rodzaje zabezpieczeń
Zgodnie z normą PN-HD 60364-4-43:2012 P Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-43: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed prądem przetężeniowym wyróżnia się trzy rodzaje urządzeń zabezpieczających [1, 6]:
- urządzenia zabezpieczające tylko przed skutkami prądu przeciążeniowego, które mają zdolność przerywania prądu o wartości niższej niż wartość spodziewanego prądu zwarciowego w miejscu ich zainstalowania. Zabezpieczenie przed prądem przeciążeniowym realizują zasadniczo urządzenia z opóźnionym czasem działania, przy zastosowaniu: wyłączników wyposażonych w wyzwalacze termobimetalowe lub bezpieczników topikowych ogólnego przeznaczenia z pełnozakresową charakterystyką wyłączenia;
- urządzenia zabezpieczające przed prądem zwarciowym, które są przeznaczone tylko do ochrony przed prądem zwarciowym, powinny być zdolne wyłączyć, a w przypadku wyłącznika włączyć, prąd zwarciowy aż do spodziewanej jego wartości włącznie, przy zastosowaniu: wyłączników wyposażonych w wyzwalacze zwarciowe lub bezpieczników z wkładkami topikowymi typu gM, aM;
- urządzenia zabezpieczające jednocześnie przed prądem przeciążeniowym i prądem-zwarciowym – powinny wyłączyć, a w przypadku wyłącznika włączyć, każdy prąd przeciążeniowy aż do spodziewanego prądu zwarciowego w punkcie zainstalowania urządzenia, przy zastosowaniu: wyłączników wyposażonych w wyzwalacze przeciążeniowe i wyzwalacze zwarciowe lub wyłączników współpracujących z bezpiecznikami lub bezpieczników z wkładką topikową o charakterystyce gG.
Bezpieczniki topikowe nn
Na działanie, parametry i jakość bezpiecznika wpływają wszystkie jego części składowe, ale wpływ decydujący mają topik, gasiwo i korpus. Bezpieczniki topikowe charakteryzują się następującymi parametrami [6]:
- napięcie znamionowe bezpiecznika Un,
- prąd znamionowy ciągły In,
- prąd znamionowy wyłączalny wkładki topikowej Icn,
- znamionowy prąd załączalny Icm,
- prąd ograniczony Io określający obciążenia elektrodynamiczne,
- całkę joule’a określająca obciążenie cieplne.
Materiał i ukształtowanie topika oraz rodzaj gasiwa decydują o przebiegu charakterystyki czasowo-prądowej, całki przedłukowej Joule’a I2tp i całki Joule’a wyłączania I2tw oraz zdolności wyłączania [2]. Najbardziej znaną charakterystyką bezpiecznika jest charakterystyka czasowo-prądowa, przedstawiająca czas działania t w funkcji prądu I. Jest to charakterystyka zależna, typowa dla aparatów o cieplnej zasadzie działania: im większy prąd, tym krótszy czas działania. Pełna, pasmowa charakterystyka czasowo-prądowa jest ograniczona dwiema krzywymi: od dołu linią najmniejszych czasów przedłukowych tp, a od góry − linią największych czasów wyłączania tw. Na osi odciętych podaje się wartości skuteczne prądu – wartość skuteczną składowej okresowej prądu spodziewanego (zwarciowego), tzn. bez uwzględnienia ewentualnego efektu ograniczającego w wyniku zadziałania bezpiecznika [2, 3].
Klasa bezpiecznika topikowego
Klasa bezpiecznika opisuje typ charakterystyki czasowo-prądowej wkładki bezpiecznikowej. W przypadku bezpieczników niskonapięciowych jest ona scharakteryzowana dwiema literami, z których pierwsza oznacza zakres zdolności wyłączania [2, 3]:
- g − wkładka ogólnego zastosowania, której zdolność wyłączania jest gwarantowana poczynając od prądu przetapiającego topik w ciągu 1 h, do znamionowego prądu wyłączalnego,
- a − wkładka o niepełnozakresowej zdolności wyłączania, tzn. wkładka, która wyłącza poprawnie prąd zawarty między najmniejszym prądem wyłączalnym Ibmin (np. 4⋅In) a znamionowym prądem wyłączalnym Ibn; nie gwarantuje poprawnego wyłączania małych prądów przeciążeniowych i w zasadzie powinien jej towarzyszyć w obwodzie aparat (samoczynny rozłącznik, wyłącznik) przejmujący to zadanie.
Druga litera symbolu oznacza kategorię użytkowania [2, 6]:
- G − wkładka ogólnego przeznaczenia, o charakterystyce czasowo-prądowej odpowiadającej dawnym wkładkom zwłocznym,
- F − wkładka o charakterystyce szybkiej, wycofana z normalizacji międzynarodowej IEC oraz europejskiej EN, traktowana jako wykonanie przejściowe (w Polsce wkładki o charakterystyce szybkiej są nadal produkowane w oparciu o Polską Normę PN-87/E-93100/05 lub zakładowe warunki techniczne),L − wkładka do zabezpieczania kabli i przewodów,
- M − wkładka do zabezpieczania silników i urządzeń rozdzielczych,
- R − wkładka do zabezpieczania urządzeń półprzewodnikowych,
- Tr − wkładka do zabezpieczania transformatorów,
- B – wkładka do zabezpieczania urządzeń w podziemiach kopalń.
Dobierając klasę bezpiecznika trzeba się kierować informacjami, jakie niosą oba człony oznaczenia. Wkładkę o niepełno zakresowej charakterystyce w zasadzie używa się tylko w obwodzie, w którym jest łącznik z zabezpieczeniem przeciążeniowym i prądy mniejsze niż najmniejszy prąd wyłączalny wkładki wyłącza on zanim dojdzie do przetopienia topika. Wkładkę a stosuje się w takim obwodzie, aby uzyskać określoną korzyść, np. mniejszy gabaryt, mniejsze straty mocy. Jeśli wspomniane warunki nie występują, to stosuje się wkładkę ogólnego zastosowania typu g [2, 6].
Nie jest też trudna decyzja co do wyboru kategorii użytkowania. Jeśli nie ma powodów, by postąpić inaczej, wybiera się wkładkę ogólnego przeznaczenia G. I tak, do zabezpieczania przewodów w instalacjach i sieciach stosuje się wkładki gG. Jeśli najmniejszy prąd zwarciowy wyłączają one po czasie zbyt długim z punktu widzenia wymagań ochrony przeciwporażeniowej, to w przypadkach koniecznych można zastąpić je wkładkami o działaniu szybkim gF. Obwody silnikowe ze stycznikami i przekaźnikami przeciążeniowymi zabezpiecza się wkładkami aM, gM lub gG, przekształtniki energoelektroniczne – wkładkami aR lub gR, transformatory – wkładkami gTr, a urządzenia dołowe w kopalniach – wkładkami gB.
Ciekawym rozwiązaniem są bezpieczniki klasy gM, zwłoczne, o pełnozakresowej zdolności wyłączania, którym przypisuje się dwie wartości prądu – mniejszy, prąd znamionowy In, oznaczający obciążalność długotrwałą wkładki i podstawy zespolonej oraz większy, prąd charakterystyczny Ich, określający przebieg charakterystyki czasowo-prądowej, charakterystyki prądów ograniczonych oraz wartości całki Joule’a [2, 6].
Wyłączniki nadmiarowoprądowe
Wyłączniki nadmiarowopradowe zwane też nadprądowymi stosuje się do zabezpieczania [6]:
- pojedynczych obwodów odbiorników małej mocy,
- obwodów rozdzielczych, wyposażonych w nastawialne lub nienastawialne wyzwalacze zwarciowe, lub przeciążeniowe, a niekiedy w wyzwalacze różnicowoprądowe.
Wyłączniki nadmiarowoprądowe, zwane również instalacyjnymi, znajdują obecnie zastosowanie jako aparaty zabezpieczające każdy rodzaj obwodu. Produkowane są na prądy znamionowe w zakresie od 0,5 do 125 A. Stosowanie ich w instalacjach elektrycznych niskiego napięcia, do zabezpieczania obwodów odbiorczych, podyktowane jest zapisem w §183 pkt 1 ust. 4 i 5 Rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (tekst jednolity obwieszczenie Ministra Inwestycji i Rozwoju z dnia 8 kwietnia 2019 r. DzU z 2019r. poz. 1065), który mówi, że do zabezpieczenia obwodów odbiorczych instalacji elektrycznych należy stosować wyłączniki nadprądowe oraz selektywność zabezpieczeń [5].
Wyłącznik wyposażony jest, między innymi, w dwa rodzaje wyzwalaczy: termiczny oraz elektromagnetyczny. Rolę wyzwalacza termicznego spełnia bimetal. Jego zadaniem jest wyłączenie zabezpieczanego obwodu na skutek nadmiernego nagrzewania, spowodowanego przepływem prądu większego niż znamionowy prąd roboczy aparatu. Zadaniem wyzwalacza elektromagnetycznego jest wyłączenie obwodu, w którym wystąpił przepływ prądu zwarciowego. Zadziałanie to powinno być bezzwłoczne. Przez wyłączenie bezzwłoczne należy rozumieć zadziałanie o czasie nie dłuższym niż 0,1 s. Wyróżnia się trzy podstawowe typy wyłączników instalacyjnych, różniące się charakterystykami czasowo-prądowymi. Charakterystyki te oznaczone są jako B, C oraz D i różnią się one między sobą krotnością prądu znamionowego roboczego zabezpieczenia, przy której nastąpi jego bezzwłoczne zadziałanie [5].
Wybór wyłącznika z właściwą charakterystyką zależy od rodzaju obwodu zabezpieczanego, a mianowicie od spodziewanych prądów przeciążeniowych, które mogą się pojawić w chwili załączania danego obwodu lub odbiornika. Znajomość charakterystyk czasowo-prądowych wyłączników instalacyjnych jest niezbędna do prawidłowego doboru tych urządzeń do pracy selektywnej.
Wyłączniki w zależności od typu charakterystyki mają różne przeznaczenie [1, 5]:
- B – zabezpieczanie przewodów i odbiorników w obwodach oświetleniowych, gniazd wtyczkowych i sterowania, jeżeli przyłączane do instalacji urządzenia charakteryzują się prądem rozruchowym nie większym niż 3·In, gdzie In – prąd znamionowy wyłącznika,
- C – zabezpieczanie przed skutkami zwarć i przeciążeń w instalacji, w której zastosowano urządzenia o prądzie rozruchowym do 5·In,
- D – zabezpieczanie przed skutkami zwarć i przeciążeń w instalacji, w której zastosowano urządzenia o prądzie rozruchowym do 10·In.
Elementy gaszące łuk
Gaszenie łuku elektrycznego prądu przemiennego polega na intensywnym odbiorze ciepła z kanału łukowego przed przejściem prądu łuku przez zero, a następnie po przejściu tego prądu przez zero zapewnić warunki możliwie najszybszej dejonizacji plazmy połukowej w celu zapewnienia dostatecznie szybkiego przyrostu wytrzymałości powrotnej (napięcia zapłonowego) [4].
Łuk prądu wyłączeniowego zostanie ostatecznie przerwany, jeśli po ustaniu jego przepływu przerwa międzystykowa wytrzymuje bez ponownego zapłonu narastające na niej napięcie powrotne (przejściowe) będące wypadkową napięcia źródła i zanikającej składowej swobodnej napięcia powrotnego przejściowego. Aby przerwa wytrzymała to napięcie bez zapłonu, jej wytrzymałość (zapłonowa) musi być wyższa od napięcia powrotnego dla całego przedziału czasowego odzyskiwania przez przerwę pełnej wytrzymałości dielektrycznej po ustaniu przepływu prądu łuku. Elementami gaszącymi łuk elektryczny w aparaturze modułowej są najczęściej płytki gaszeniowe z tworzywa sztucznego lub komory gaszeniowe z płytkami metalowymi, które mogą być wspomagane odpowiednim prowadzeniem noży kontaktowych [4].
Rozdzielnice nn
Rozdzielnica niskiego napięcia to zespół urządzeń elektroenergetycznych służących do rozdziału energii elektrycznej nn oraz łączenia i zabezpieczania obwodów odbiorczych. W skład rozdzielnicy wchodzą: aparatura rozdzielcza, zabezpieczeniowa, pomiarowa, sterownicza i sygnalizacyjna, a także szyny zbiorcze, elementy izolacyjne oraz konstrukcje mechaniczne i osłony. Pole rozdzielnicy to wydzielona funkcjonalnie część rozdzielnicy, przeznaczona do realizacji określonego zadania (pola zasilające, odbiorcze, pomiarowe, sprzęgłowe itp.). Rozdzielnica powinna spełniać określone wymagania konstrukcyjne i eksploatacyjne, do których zaliczyć można: prostotę konstrukcji i przejrzystość układu połączeń, bezpieczeństwo obsługi, dużą niezawodność, odporność na wpływy środowiskowe, wygodną i nieskomplikowaną obsługę, uniwersalność zastosowania, łatwą modernizację i rozbudowę, łatwy montaż, konserwacje i remonty, niewielki koszt, małe gabaryty. Powyższe wymagania są częściowo przeciwstawne i konstrukcja rozdzielnicy jest wynikiem kompromisu i wyboru określonego rozwiązania do zadanych warunków sieciowych, środowiskowych, eksploatacyjnych i inne [1, 7].
Na rynku kilkanaście typów prefabrykowanych rozdzielnic niskiego napięcia opartych na rozwiązaniach krajowych lub stanowiących wersje licencyjne rozdzielnic. Są to rozdzielnice oparte niejednokrotnie na porównywalnych zasadach budowy, ale różniące się szczegółami rozwiązań konstrukcyjnych oraz rodzajami i typami zastosowanej aparatury, decydującymi przede wszystkim o prądach znamionowych oraz przeznaczeniu do określonych warunków środowiskowych rozdzielnicy.
Parametry elektryczne rozdzielnic nn
Przy konfiguracji rozdzielnic nn ze względu na wytrzymałość zwarciową należy porównywać znamionowe parametry zwarciowe aparatury z prądami zwarciowymi sieci zasilającej. Rozdzielnice nn muszą być dostosowane do warunków zwarciowych, jakie mogą wystąpić. Szyny główne powinny wytrzymywać obciążenia termiczne i dynamiczne wywoływane przez prądy zwarciowe. Mogą być one ograniczane w czasie poprzez wyłącznik po stronie zasilania. Właściwy dobór wyposażenia rozdzielnicy, parametrów znamionowych aparatów, przekrojów szyn, kabli oraz przewodów zapewnia prawidłową pracę rozdzielnicy w warunkach normalnych, natomiast w warunkach wystąpienia określonych zakłóceń pozwala minimalizować ich skutki [1, 6]. W celu prawidłowego doboru urządzeń, szyn zasilających oraz kabli i przewodów należy określić wartości prądów roboczych, oraz zwarciowych, w miejscu sieci lub instalacji, w której ma być zainstalowana rozdzielnica. Przy szacowaniu prądów znamionowych należy uwzględnić spodziewane prądy robocze. Dobór parametrów znamionowych wyłącznika mocy, który ma być zainstalowany w rozdzielnicy powinien być poprzedzony obliczeniami wartości tych parametrów dla danej sieci lub instalacji, w której ma zostać zainstalowana rozdzielnica [1, 6].
Literatura
- J. Wiatr, M. Orzechowski, Poradnik projektanta elektryka, DW MEDIUM, Warszawa 2012.
- E. Musiał, Bezpieczniki w nowoczesnych układach zabezpieczeń urządzeń niskiego napięcia, Ogólnopolskie Szkolenie Techniczne „Zabezpieczenia niskonapięciowych instalacji i urządzeń elektrycznych” Poznań, październik 2001. Poznań: ENERGO-EKO-TECH.
- K. Kuczyński, Rozłączniki i bezpieczniki nn – zagadnienia wybrane, „elektro.info” 6/2012.
- J. Maksymiuk, Aparaty elektryczne, WNT 1997.
- A. Książkiewicz, Selektywna praca wyłączników instalacyjnych podczas zwarć, „elektro.info”, nr 4, 2017.
- www.bezel.com.pl
- Materiały dydaktyczne Politechniki Wrocławskiej.
