Bezpieczniki jako podstawowa ochrona w instalacjach elektrycznych nn

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 każdego zwarcia w dowolnym punkcie obwodu do przerwania 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 [6]:

gdzie:

t – czas trwania zwarcia, w [s]¹,

S – przekrój przewodu, w [mm²],

I – wartość skuteczna prądu zwarcia, w [A],

k – jednosekundowa gęstość prądu zwarciowego, w [A/mm²].

1) W normalizacji definiuje się czasy trwania zwarcia nie dłuższe od 5 s.

Rodzaje zabezpieczeń

Zasady sprawdzania przekroju przewodów ze względu na skutki przepływu prądów przetężeniowych zostały określone w normie PN-HD 60364-4-43:2012 P Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-43: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed prądem przetężeniowym. Według tej normy wyróżnia się trzy rodzaje urządzeń zabezpieczających [1, 6]:

1) 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;

2) 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;

3) 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]:

a) napięcie znamionowe bezpiecznika Un,

b) prąd znamionowy ciągły In,

c) prąd znamionowy wyłączalny wkładki topikowej Icn,

d) znamionowy prąd załączalny Icm,

e) prąd ograniczony Io określający obciążenia elektrodynamiczne,

f) całką Joule’a określającą 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 dawną Polską Normę PN-87/E-93100/05 bądź 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 niepełnozakresowej 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, 3, 6].

Nie jest też trudną 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 [3, 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 (teks jednolity obwieszczenie Ministra Inwestycji i Rozwoju z dnia 8 kwietnia 2019 r. Dz.U. z 2019 r., poz. 1065 z późniejszymi zmianami), 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]:

A – zabezpieczenie przewodów, odbiorników elektronicznych i elementów sterowania, jeżeli urządzenia przyłączone do instalacji charakteryzują się prądem rozruchowym nie większym niż 2·In, gdzie In – prąd znamionowy wyłącznika,

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.

Na rynku pojawiają się wyłączniki nadprądowe selektywne o różnych oznaczeniach E, K, S, T, Z,…, które powinny być dobierane do danej instalacji na podstawie danych katalogowych podawanych przez producenta oraz schematu elektrycznego danego aparatu.

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].

Selektywność zabezpieczeń

Przez pracę selektywną zabezpieczeń rozumiemy odłączenia obwodu, w którym nastąpiło uszkodzenie, bez wpływu na pozostałe obwody. Wyróżnić można następujące rodzaje selektywności [5]:

• prądową,
• czasową,
• logiczną,
• energetyczną.

Selektywność prądowa występuj,e gdy możliwe jest nastawienie wartości prądu działania danego zabezpieczenia. Im bliżej odbiornika w instalacji, tym spodziewane prądy zwarciowe są mniejsze. Wraz ze zmniejszeniem się tych prądów zmniejszeniu ulegają nastawy prądowe aparatów zabezpieczających. W ten sposób można zapewnić tylko częściową selektywność zabezpieczeń [5].

Selektywność czasowa możliwa jest do uzyskania dla zabezpieczeń, które mają regulowany czas zadziałania. Przy nastawianiu prądu zadziałania oraz czasu zwłoki aparat czeka na zadziałanie zabezpieczenia w uszkodzonym obwodzie. Jeżeli w nastawionym czasie nie wystąpi przerwa w przepływie prądu zwarciowego, to wówczas dany aparat zabezpieczający zadziała, wyłączając zarówno obwód uszkodzony, jak również część obwodów sprawnych. Jeżeli natomiast wyłączy właściwe zabezpieczenie niesprawnego obwodu, wówczas taki wyłącznik nie wyzwoli i selektywność będzie zachowana [5].

Selektywność logiczna może być zastosowana tylko w sytuacji, jeżeli obydwa wyłączniki pochodzą z oferty tego samego producenta oraz ich wyzwalacze posiadają niezbędne funkcje komunikacyjne. Zastosowanie tej metody polega na przesyłaniu sygnału blokowania wyłączenia. Przy wystąpieniu zwarcia zabezpieczenie zainstalowane bliżej chronionego odbiornika wysyła do poprzedzającego go zabezpieczenia sygnał blokujący oraz sprawdza także, czy nie otrzymało sygnału blokującego od zabezpieczenia występującego za nim od strony zasilania. Selektywność logiczna jest zawsze całkowita [5].

Selektywność energetyczna polega na porównaniu wartości energii potrzebnej do zadziałania dwóch porównywanych zabezpieczeń. Jeżeli energia potrzebna do zadziałania wyłącznika lub bezpiecznika znajdującego się głębiej w instalacji jest mniejsza niż energia potrzebna do zadziałania urządzenia zabezpieczającego znajdującego się powyżej, wtedy zapewniona jest selektywność. Energię cieplną wydzielającą się podczas zwarcia określa się całką Joule’a [5].

Często spotykany sposób projektowania instalacji elektrycznej niskiego napięcia wykorzystuje układ zabezpieczeń bezpiecznik-wyłącznik. W układzie tym zabezpieczenia poszczególnych obwodów zrealizowane są za pomocą wyłączników instalacyjnych, natomiast zabezpieczenie główne obiektu lub rozdzielnicy nn, wykonane jest za pomocą bezpiecznika topikowego [5].

W takim układzie, aby zapewnić selektywną współpracę aparatów zabezpieczających, przy przepływie prądów zwarciowych, należy skorzystać z ich danych katalogowych. W odniesieniu do bezpieczników topikowych podawane są dwie istotne wartości dotyczące ich działania, a mianowicie całka Joule’a przedłukowa oraz całka Joule’a wyłączania. Pierwsza z nich informuje o tym, ile potrzebnej jest energii cieplnej, aby nastąpiło przepalenie topika i pojawił się łuk elektryczny wewnątrz wkładki, a tym samym rozpoczął się proces przerwania przepływu prądu. Druga z podanych wartości mówi o tym, ile energii cieplnej przepłynie przez wkładkę, zanim nastąpi wyłączenie zabezpieczanego obwodu. Dla wyłączników instalacyjnych podawane są tylko wartości tzw. energii przenoszonej lub całki Joule’a wyłączania [5]. Szczegółowa analiza selektywności będzie przedstawiona w kolejnym artykule w jednym z najbliższych numerów „elektro.info”.

 1) W normalizacji definiuje się czasy trwania zwarcia nie dłuższe od 5 s.

Literatura

1. J. Wiatr, Praktyczne aspekty obliczania zwarć w sieciach oraz instalacjach elektrycznych niskiego napięcia, Grupa MEDIUM Sp. z o.o. Sp.k., Warszawa 2021.

2. E. Musiał, Bezpieczniki w nowoczesnych układach zabezpieczeń urządzeń niskiego napięcia, Ogólnopolskie Szkolenie Techniczne „Zabezpieczenia niskonapięciowych instalacji i urządzeń elektrycznych” Poznań, październik 2001.

3. K. Kuczyński, Aparatura łączeniowa w instalacjach elektrycznych nn, „elektro.info” 10/2019.

4. J. Maksymiuk, Aparaty elektryczne, WNT 1997.

5. A. Książkiewicz, Selektywna praca wyłączników instalacyjnych podczas zwarć, „elektro.info”, nr 4, 2017.

6. www.bezel.com.pl

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!