Selektywna praca wyłączników instalacyjnych podczas zwarć
Miniature circuit breaker short-circuit coordination
arch. redakcji
Wyłączniki nadmiarowoprądowe, zwane również instalacyjnymi, znajdują obecnie zastosowanie jako aparatyzabezpieczające 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 artykule §183.1 rozporządzenia, który mówi, że do zabezpieczenia obwodów odbiorczych instalacji elektrycznych należy stosować wyłączniki instalacyjne [1].
Zobacz także
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...
dr inż. Karol Kuczyński Ograniczenie strat w transformatorach rozdzielczych – co możemy jeszcze zrobić?
Straty w sieci energetycznej różnią się znacznie w poszczególnych krajach na całym świecie. Liczby wahają się od mniej niż 4% do ponad 20%. W większości krajów daje to możliwość znacznych oszczędności....
Straty w sieci energetycznej różnią się znacznie w poszczególnych krajach na całym świecie. Liczby wahają się od mniej niż 4% do ponad 20%. W większości krajów daje to możliwość znacznych oszczędności. Transformatory rozdzielcze są wykorzystywane do przekształcania energii elektrycznej ze średniego napięcia – poziomu, na którym energia jest przesyłana lokalnie i dostarczana do wielu odbiorców przemysłowych – do poziomu niskiego napięcia – zazwyczaj wykorzystywanego przez konsumentów indywidualnych...
dr inż. Waldemar Chmielak Opatentowana metoda ultraszybkiego wykrywania zwarć w liniach SN z wykorzystaniem fal wielokrotnie odbitych
Dystrybucja energii elektrycznej realizowana jest w wielu przypadkach rozległymi i rozproszonymi liniami napowietrznymi wysokiego i średniego napięcia. Dość powszechne w tego typu liniach zasilających...
Dystrybucja energii elektrycznej realizowana jest w wielu przypadkach rozległymi i rozproszonymi liniami napowietrznymi wysokiego i średniego napięcia. Dość powszechne w tego typu liniach zasilających są zwarcia doziemne, które – z uwagi na stosunkowo niską wartość prądów zwarciowych, wynikającą zarówno z izolowanego punktu neutralnego sieci średnich napięć oraz często wysokich rezystancji zwarcia – mogą trwać względnie długo.
Wyłącznik wyposażony jest, między innymi, w dwa rodzaje wyzwalaczy: termiczny oraz elektromagnetyczny (rys. 1.).
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.
Wyróżnia się trzy podstawowe typy wyłączników instalacyjnych, różniące się charakterystykami czasowo-prądowymi. Charakterystyki te oznaczone są jako B, C oraz D (rys. 2.). Różnią się one między sobą krotnością prądu znamionowego roboczego zabezpieczenia, przy której nastąpi jego bezzwłoczne zadziałanie.
Dla wyłączników o charakterystyce B wyłączenie bezzwłoczne może nastąpić przy pojawieniu się prądu 3 In, musi natomiast wystąpić przy prądzie 5 In. Dla zabezpieczeń typu C oraz D wartości te są odpowiednio: 5÷10 In oraz 10÷20 In. Przez wyłączenie bezzwłoczne należy rozumieć zadziałanie o czasie nie dłuższym niż 0,1 s.
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.
Selektywność zabezpieczeń
Przez pracę selektywną zabezpieczeń należy rozumieć takie ich działanie, zmierzające do odłączenia obwodu, w którym nastąpiło uszkodzenie, bez wpływu na pozostałe obwody [3]. Wyróżnić można następujące rodzaje selektywności:
- prądową,
- czasową,
- logiczną,
- energetyczną.
Selektywność prądowa występuje wtedy, kiedy możliwe jest nastawienie wartości prądu działania danego zabezpieczenia. Im niżej znajdujemy się w hierarchii instalacji (bliżej odbioru), 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.
Selektywność czasowa możliwa jest do uzyskania dla aparatów, które mają regulację czasu zadziałania. Przy nastawianiu prądu zadziałania oraz czasu zwłoki urządzenie to czeka, aż zadziała zabezpieczenie w uszkodzonym obwodzie.
Jeżeli w nastawionym czasie nie wystąpi przerwa w przepływie prądu zwarciowego, to wtedy dany aparat zabezpieczający zadziała, wyłączając zarówno obwód uszkodzony, jak również część obwodów sprawnych.
Jeżeli natomiast wyłączy właściwe zabezpieczenie niesprawnego obwodu, wtedy taki wyłącznik nie wyzwoli i selektywność będzie zachowana.
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 powyższej 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.
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.
Selektywna praca w układzie bezpiecznik–wyłącznik
Często spotykany sposób projektowania instalacji elektrycznej niskiego napięcia wykorzystuje układ zabezpieczeń bezpiecznik-wyłącznik (rys. 3.).
Rys. 3. Uproszczony schemat instalacji w układzie bezpiecznik–wyłącznik, gdzie: F1 – bezpiecznik topikowy, F2 – wyłącznik instalacyjny
W układzie tym zabezpieczenia poszczególnych odpływów zrealizowane są za pomocą wyłączników instalacyjnych, natomiast zabezpieczenie główne obiektu lub rozdzielnicy oddziałowej, wykonane jest za pomocą bezpiecznika topikowego.
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 zostanie, w pewnym sensie, „przepuszczone” przez wkładkę, zanim nastąpi wyłączenie zabezpieczanego obwodu.
Dla wyłączników instalacyjnych podawane są tylko wartości tzw. energii przenoszonej lub całki Joule’a wyłączania. W układzie przedstawionym na rys. 3., w przypadku wystąpienia zwarcia w obwodzie zabezpieczonym wyłącznikiem nadmiarowoprądowym F2 popłynie prąd zwarciowy, wielokrotnie większy od prądu znamionowego tego zabezpieczenia. Ten sam prąd przepłynie również przez wkładkę topikową F1. Aby zachować selektywność działania tych zabezpieczeń, należy je tak dobrać, aby wyłącznik F2 zadziałał, zanim przepali się wkładka topikowa F1. Aby tak się stało, musi być spełniony warunek:
gdzie:
Spełnienie tego warunku zapewni nam selektywne działanie zabezpieczeń.
Gdyby dopuścić do sytuacji, w której energia wydzielona w czasie trwania zwarcia byłaby większa niż
wtedy rozpocznie się proces wyłączania prądu również przez bezpiecznik. Proces ten spowoduje przepalenie topika i ostatecznie wyłączenie spod napięcia pozostałych, sprawnych obwodów instalacji.
Producenci podają tabele doboru zabezpieczeń w układzie bezpiecznik–wyłącznik. W tabelach tych podawane są maksymalne wartości spodziewanego prądu zwarciowego, dla którego zachowane zostaną warunki ich selektywnej współpracy.
Tab. 1. Tabela doboru wkładek topikowych do wyłączników ETIMAT 10 (charakterystyka B) w celu zapewnienia ich selektywnej współpracy; wyłącznik 1p z bezpiecznikiem WT‑00/gG [4]
W tab. 1. przedstawiono przykładowe wartości granicznego prądu zwarciowego dla selektywnej współpracy bezpiecznika WT-00/gG oraz wyłącznika jednobiegunowego o charakterystyce B.
Pomierzona, na przykład podczas prób eksploatacyjnych instalacji, lub wyliczona wartość spodziewanego prądu zwarciowego większa niż przedstawione w tab. 1., dla konkretnej pary zabezpieczeń, będzie prowadzić do utraty selektywności w części lub w pełnym zakresie.
Selektywna praca w układzie wyłącznik–wyłącznik
Rys. 4. Uproszczony schemat instalacji w układzie wyłącznik–wyłącznik, gdzie: F1, F2 – wyłącznik instalacyjny
W instalacjach elektrycznych spotykana jest także praca zabezpieczeń w układzie wyłącznik instalacyjny – wyłącznik instalacyjny (rys. 4.). Wyłączniki te nie mają możliwości regulacji ani prądu wyzwalania, ani czasu opóźnienia. Wystąpienie zwarcia w linii zabezpieczonej wyłącznikiem F2 spowoduje przepływ identycznego prądu zwarciowego w linii głównej, zabezpieczonej wyłącznikiem F1. Aby zadziałał właściwy wyłącznik, czyli F2, spodziewany prąd zwarciowy musi być, w zależności od zastosowanego zabezpieczenia, nie większy niż przedstawiony w tab. 2.
Często w instalacjach można spodziewać się większych prądów zwarciowych. Przepływ prądu zwarciowego o większej wartości może spowodować, że zadziała zabezpieczenie F1 lub F2, a także oba aparaty równocześnie. W takiej sytuacji nie ma możliwości zapewnienia selektywnej współpracy w takim układzie.
Rozważmy następujący układ zabezpieczeń. Jako zabezpieczenie główne (F1) zastosowano wyłącznik C63, a zabezpieczenie odbioru (F2) stanowi wyłącznik B10. Zadziałanie zabezpieczenia F2 w czasie krótszym niż 0,1 s możliwe jest już przy prądzie 50 A. Bezzwłoczne zadziałanie zabezpieczenia C63 będzie miało miejsce przy prądzie 630 A, a zwłoczne przy wartości 315 A.
Tab. 2. Graniczne wartości prądu zwarciowego, przy których zostanie zapewniona selektywność pracy wyłącznika F1, w [A]
Przy spodziewanym prądzie zwarciowym większym niż 630 A zadziałać mogą oba zabezpieczenia lub tylko jedno z nich, brakuje selektywności. Przy spodziewanym prądzie zwarciowym do 315 A powinna zostać zachowana selektywność, czas zadziałania zabezpieczenia F2 jest krótszy niż 0,1 s, a zabezpieczenia F1 dłuższy niż 0,1 s. W przypadku, kiedy wystąpi zwarcie tuż przed wyłącznikiem F2, o prądzie niewiele przekraczającym 315 A, to zabezpieczenie F1 może zadziałać z czasem dłuższym niż 0,1 s. W przypadku złego dobrania przewodów zasilających linię F2 może powadzić to do groźnych skutków dla instalacji.
Z powyższych rozważań wynika, że układ z dwoma wyłącznikami instalacyjny jest niewłaściwym rozwiązaniem i nie należy go stosować ze względu na selektywność zabezpieczeń.
Rzeczywiste przebiegi prądu zwarciowego
Przeprowadzone zostały próby wyłączania prądu zwarciowego w obwodzie zabezpieczonym wyłącznikami B16, C16 oraz D16, a także bezpiecznikiem gG 16. Spodziewana wartość prądu zwarciowego nastawiana była na ok. 320 A (ip = 453 A). Przebiegi prądu zwarciowego dla zastosowanych zabezpieczeń przedstawiono na rys. 5.
Próby zostały wykonane przy załączaniu obwodu zwarciowego w zerze napięcia. Obwód ten miał charakter rezystancyjny (cos φ = 0,99).
Parametr ten jest istotny, ponieważ zarówno czasy zadziałania, jak i całka Joule’a wyłączania jest zależna od kąta fazowego napięcia w chwili wystąpienia zwarcia [5, 7].
Na podstawie przedstawionych przebiegów można zauważyć, że rzeczywisty czas zadziałania w przypadku każdego z zastosowanych aparatów zabezpieczających był krótszy niż 10 ms. Również inne badania potwierdziły, że czas ten często nie przekracza jednego półokresu sinusoidy napięcia zasilającego [6]. Przeważnie wyłączenie następuje w czasie nie dłuższym niż 15 ms [5, 7].
W tab. 3. przedstawiono całki Joule’a wyłączenia oraz wartości prądu szczytowego dla każdej próby.
Dostrzegalna jest prawidłowość, że całka Joule’a wyłączania dla wyłączników osiąga większe wartości niż dla bezpiecznika. Dodatkowo wartość ta rośnie w zależności od zastosowanej charakterystyki wyłącznika, w kolejności od najmniejszej do największej: B – C – D. Różnice te występują, mimo że czas wyłączania zwarcia dla każdego z nich jest zbliżony. Znajomość prawdziwych czasów zadziałania oraz energii wyłączania może być pomocna przy doborze zabezpieczeń, zarówno ze względu na selektywność, jak i ze względu na ochronę urządzeń i instalacji przed skutkami działania prądów zwarciowych.
Podsumowanie
Wyłączniki instalacyjne są powszechnie stosowanymi aparatami zabezpieczającymi obwody przed skutkami zwarć. Prawidłowy ich dobór ze względu na selektywność działania zabezpieczeń jest konieczny dla prawidłowego funkcjonowania instalacji. Stosowanie układów bezpiecznik–wyłącznik, przy właściwym ich doborze, może zapewnić pełną wybiórczość działania tych aparatów, zarówno w zakresie prądów zwarciowych, jak i prądów przeciążeniowych.
Spotykane w instalacjach układy, gdzie występują dwa wyłączniki instalacyjne połączone szeregowo, nie zapewniają wybiórczego działania. W praktyce niemożliwy jest taki ich dobór, aby zapewnić selektywność działania w przypadku pojawienia się zwarcia. Zastosowanie zabezpieczenia o innej charakterystyce nie wpływa na rzeczywisty czas wyłączania prądu zwarciowego. W przypadku wyłączników o charakterystyce C lub D nie występuje żadna zwłoka czasowa w ich działaniu przy przerywaniu zwarć.
Literatura
- Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75, poz. 690, z późn. zm.).
- Schnider Electric, Electrical Installation Guide 2009.
- B. Lejdy, Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2005.
- ETI Polam, http://www.etipolam.com.pl, katalog ASTI, 2015.
- A. Książkiewicz, Joule’s heat generated during a short-circuit current flow in function of phase angle, Computer Applications In Electrical Engineering, Poznań 2014.
- A. Książkiewicz, Finding short-circuit current time based on raw data, Poznan University of Technology Academic Journals. Electrical Engineering, 82/2015, s. 213–218
- A. Książkiewicz, Let-through energy of miniature circuit breaker in function of phase angle of short-circuit current, Poznan University of Technology Academic Journals. Electrical Engineering, 78/2014, s. 59–64.