Wybrane zagadnienia selektywności w instalacjach elektroenergetycznych niskiego napięcia
Selected problems of the selectivity in the electrical power installations of the low voltage
Charakterystyki prądowo-czasowe zabezpieczeń układu bezpiecznik (B1) – bezpiecznik (B2), ilustrujące warunek selektywnego działania, gdzie: tW1, tW2 – zakres czasów wyłączenia prądu zwarciowego IK1 odpowiednio dla bezpieczników B1 i B2
A. Klajn
Selektywność, określana również jako „wybiórczość”, jest rozumiana przez kolejne uruchamianie się poszczególnych stopni zabezpieczeń występujących w torze zasilania w razie wystąpienia awarii. W pierwszej kolejności rozpoczyna działanie pierwszy stopień zabezpieczeń, a w przypadku jego nieskuteczności włączają się kolejne stopnie zabezpieczeń występujące bliżej źródła zasilania.
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...
Anna Kuziemska Nowe źródła, nowe wymagania: rozdzielnice SN w projektach OZE i magazynów energii
Dynamiczny rozwój odnawialnych źródeł energii, magazynów energii oraz nowych przyłączeń przemysłowych zmienia sposób projektowania infrastruktury elektroenergetycznej średniego napięcia. Rozdzielnica SN...
Dynamiczny rozwój odnawialnych źródeł energii, magazynów energii oraz nowych przyłączeń przemysłowych zmienia sposób projektowania infrastruktury elektroenergetycznej średniego napięcia. Rozdzielnica SN nie jest już wyłącznie elementem klasycznej stacji transformatorowej – coraz częściej staje się węzłem, który musi obsłużyć dwukierunkowy przepływ energii, współpracę z automatyką zabezpieczeniową, systemami telemechaniki, układami pomiarowymi, magazynami energii oraz rozproszonymi źródłami wytwórczymi.
Problem selektywności dotyczy sieci oraz instalacji odbiorczych rozdzielczych. Wśród sieci rozróżniamy:
- sieci promieniowe,
- sieci rozgałęzione (wielostronnie zasilane).
W instalacjach elektroenergetycznych funkcję zabezpieczeń nadprądowych przeważnie pełnią:
- bezpieczniki przeznaczone do wymiany przez osoby niewykwalifikowane, do zastosowań domowych i podobnych [1, 2, 3, 4, 5],
- bezpieczniki przeznaczone do wymiany przez osoby wykwalifikowane (bezpieczniki głównie do zastosowań w przemyśle) [1, 2, 3, 4, 6],
- wyłączniki [1, 2, 3, 7, 8]:
-
- które są wyposażone w wyzwalacze bez możliwości dokonywania zmiany nastaw (do zastosowań domowych i podobnych); wyłączniki te są przeznaczone do obsługi przez osoby nieposiadające kwalifikacji do obsługi urządzeń elektrycznych;
- wyłączniki do zastosowań przemysłowych (wyłączniki silnikowe, wyłączniki przemysłowe o budowie otwartej i kompaktowej), które są wyposażone w wyzwalacze możliwości dokonywania zmiany nastaw; aparaty te są przeważnie nastawialnymi wyzwalaczami termobimetalowymi i elektromagnetycznymi lub zintegrowanymi wyzwalaczami elektronicznymi; wyłączniki te są przeznaczone do obsługi przez personel posiadający kwalifikacje do obsługi urządzeń elektrycznych.
Do podstawowych kryteriów uzyskania selektywnego działania zabezpieczeń nadprądowych zalicza się:
- stopniowanie prądów zadziałania (selektywność prądowa),
- stopniowanie czasu działania (selektywność czasowa),
- równoczesne stosowanie kombinacji zarówno prądów, jak i czasów zadziałania (selektywność prądowo-czasowa).
Analiza selektywności zabezpieczeń nadprądowych jest przeprowadzana na ogół na podstawie:
- charakterystyk prądowo-czasowych (charakterystyka I-t),
- charakterystyk poszczególnych stopni zabezpieczenia,
- charakterystyk lub wartości całki Joule’a, jeśli ma miejsce ograniczanie prądu zwarciowego przez bezpiecznik/bezpiecznik lub bezpiecznik/wyłącznik.
Selektywność w instalacjach rozdzielczych promieniowych
Większość obwodów instalacji elektroenergetycznych jest w instalacjach rozdzielczych promieniowych. W analizie charakterystyk prądowo-czasowych (I-t) rozważa się zarówno selektywność prądową, jak i czasową, co w praktyce sprowadza się do ogólnej zasady braku wspólnych obszarów działania charakterystyk I-t poszczególnych stopni zabezpieczenia.
W zależności od zastosowanych zabezpieczeń, z punktu widzenia selektywności ich działania, rozróżnia się cztery zasadnicze kombinacje współpracujących ze sobą zabezpieczeń (pierwszy element pary jest zabezpieczeniem od strony odbiornika):
- wyłącznik – wyłącznik,
- wyłącznik – bezpiecznik,
- bezpiecznik – wyłącznik,
- bezpiecznik – bezpiecznik.
Wyłącznik – wyłącznik, selektywność prądowa
Rys. 1. Ilustracja zasady selektywności prądowej wyłączników W1 i W2, gdzie: IK – prąd zwarcia, IG1, IG2 – początkowy prąd zwarcia wyłączników W1 i W2, IK1min, IK2min – minimalne prądy zwarcia, prądów zwarcia odpowiednio IK1 lub IK2, IK1max – maksymalny prąd zwarciowy IK1, tW1, tW2 – czasy własne wyłączników odpowiednio W1 i W2, przy wyłączaniu prądów zwarciowych; rys. A Klajn
Rys. 2. Ilustracja zasady selektywności czasowej wyłączników W1 i W2, sieci promieniowej, gdzie: IG2(1) – pierwszy stopień początkowy prądu zwarcia wyłącznika W2, IG2(2) – drugi stopień początkowy prądu zwarcia wyłącznika W2, td – margines czasu bezpieczeństwa drugiego stopnia między tW1 a tW2, IK1 – prąd zwarcia dla wyłącznika W1, IK2 – prąd zwarcia dla wyłącznika W2; pozostałe oznaczenia jak na rys. 1.; rys. A Klajn
Rys. 3. Zasada selektywności czasowej trzech zabezpieczeń nadprądowych w układzie szeregowym promieniowym, gdzie: tz – czas pobudzenia i zadziałania wyzwalacza, ts – czas uzyskania metalicznej przerwy styków, to – czas otwarcia styków wyłącznika, ta – czas łukowy, tw – czas własny wyłącznika, od chwili powstania zakłócenia do chwili wyłączenia prądu, td – zwłoka czasowa wyzwalacza, tst – opóźnienie czasowe dla danej strefy; cyfry dotyczą czasów w kolejnych stopniach zabezpieczenia; rys. A Klajn
Na rys. 1. przedstawiono wyjaśnienie zasady selektywności prądowej dwóch wyłączników w sieci promieniowej (brak ustawienia czasu wyzwolenia). Zastosowanie tej metody jest dopuszczalne, o ile znane są minimalne (IK1min, IK2min) i maksymalne (IK1max, IK2max) wartości prądów zwarciowych za każdym z wyłączników.
Wyłącznik W1 wyłącza prąd zwarciowy o natężeniu między wartościami IK1min a IK1max, natomiast wyłącznik W2 wyłącza prąd zwarciowy o natężeniu między wartościami IK2min a IK2max.
Wartość natężenia prądu zwarciowego IG2 dla wyłącznika W2 znajduje się pomiędzy wartościami natężeń prądów IK1max i IK2min.
Podstawową trudnością tej metody jest prawidłowe nastawienie wartości natężenia prądu zwarciowego IG2 pomiędzy wartościami prądów IK1max i IK2min.
Problemem jest również to, że wprowadzenie nawet małych zmian w instalacji powoduje konieczność wyznaczania wartości prądów zwarciowych:
- IK1min,
- IK1max,
- IK2min
- i IK2max
i ponownego nastawiania wartości IG1 i IG2.
Wyłącznik – wyłącznik, selektywność czasowa
Na rys. 2. pokazano wyjaśnienie selektywności czasowej dwóch wyłączników W1 i W2 sieci promieniowej.
Wyłącznik W1 ma jednostopniowy prąd zwarcia, lecz wyłącznik W2 ma dwustopniowy prąd zwarcia – początkowy prąd zwarcia IG2(1) dla pierwszego stopnia i IG2(2) dla drugiego stopnia.
Margines czasu bezpieczeństwa td jest to czas, w którym powinien zadziałać wyłącznik W1 i wyłączyć prąd zwarcia IK1, nie dopuszczając jednocześnie do zadziałania wyłącznika W2.
Na rys. 2. zamieszczono wartości czasu td w zależności od rodzaju wyzwalacza, w który wyposażony jest wyłącznik W2. Wyłącznik W2 powinien wyłączyć dopiero prąd zwarcia IK2.
Na rys. 3. pokazano zasadę selektywności czasowej wyłączników W1, W2 i W3 w sieci promieniowej.
Wyłącznik W1 nie ma wyzwalacza elektromagnetycznego z nastawialną zwłoką czasową, a wyłączniki W2 i W3 mają wyzwalacze elektromagnetyczne z nastawialną zwłoką czasową.
Dla wyłącznika W1 czas własny wyłącznika tw1, od chwili powstania zakłócenia do chwili wyłączenia prądu, jest sumą czasów:
- tz1 – czasu pobudzenia i zadziałania wyzwalacza W1,
- ts1 – czasu uzyskania metalicznej przerwy styków W1,
- ta1 – czasu łukowego styków W1.
Dla wyłącznika W2 zwłoka czasowa wyzwalacza td2 jest sumą czasów:
- ts1 – czasu uzyskania metalicznej przerwy styków wyłącznika W1
- i opóźnienia czasowego tst2 dla strefy 2.
Dla wyłącznika W2 czas własny wyłącznika tW2 jest sumą czasów:
- zwłoki czasowej wyzwalacza td2,
- czasu pobudzenia i zadziałania wyzwalacza tz2,
- czasu ts2 uzyskania metalicznej przerwy styków W2
- i czasu łukowego styków W2 ta2.
Dla wyłącznika W3 analogicznie zwłoka czasowa wyzwalacza td3 jest sumą:
- czasu ts1 uzyskania metalicznej przerwy styków wyłącznika W1,
- opóźnienia czasowego tst2 dla strefy 2
- i opóźnienia czasowego tst3 dla strefy 3.
Dla wyłącznika W3 czas własny wyłącznika tw3 jest sumą:
- zwłoki czasowej wyzwalacza td3,
- czasu pobudzenia i zadziałania wyzwalacza tz3,
- czasu ts3 uzyskania metalicznej przerwy styków W3
- i czasu łukowego styków W3 ta3.
W praktyce czas opóźnienia strefy tst dobiera się następująco:
- tst ³ 70 ms dla wyłączników wyposażonych w wyzwalacze elektroniczne,
- tst ³ 150 ms dla wyłączników wyposażonych w wyzwalacze elektromagnetyczne (mechanizmowe).
Ilustracja zasady selektywności prądowej i czasowej – przykład
Wyłącznik W1, na którym nastawienie prądu jest IG1 = 600 A (rys. 4.), w przypadku którego minimalny prąd zwarciowy wynosi IKmin1 = 780 A, spełnia selektywność.
Dla wyłącznika W2, przy którym nastawienie prądu jest IG2 = 5 kA, czas wyzwalacza prądów zwarciowych jest taki sam jak czas wyłącznika W1. W sytuacji, kiedy prąd zwarciowy przekracza nastawienie prądu IG2 oraz jest mniejszy od prądu IKmax1 = 7,5 kA, obydwa wyłączniki W1 i W2 zadziałają.
Obszar pomiędzy prądami IG2 oraz IKmax1 nazwany jest „selektywnością niepełną”.
Obszar powyżej IKmax1 jest czasem wyzwalania prądów zwarciowych na wyłączniku W2, odseparowany czasem zwłoki td = tst na wyłączniku W3, gwarantuje na wyłączniku W2 pełną selektywność. Wszystko to powyżej prądu IKmax1 = 7,5 kA, zapewnia na wyłączniku W2 pełną selektywność. Obszar ten jest nazywany „selektywnością pełną”.
Rys. 4. Ilustracja zasady selektywności prądowej i czasowej – przykład trzech wyłączników W1, W2 i W3 w sieci promieniowej
Rys. 5. Ilustracja zasady selektywności prądowej wyłącznika W i bezpiecznika B, gdzie: IG – początkowy prąd zwarcia wyłącznika W; IK1 i IK2 – prądy zwarcia; IKgr1 i IKgr2 – prądy zwarcia granicy wspólnego obszaru działania W i B; tW – czas zwarcia wyłącznika W; tB – rozrzut czasu prądu IK1 dla bezpiecznika B; tA – margines czasu bezpieczeństwa pomiędzy charakterystyką W i B
Wyłącznik – bezpiecznik
Na rys. 5. zamieszczono ilustrację zasady selektywności prądowej wyłącznika W i bezpiecznika B (rys. 5.). Charakterystyka prądowo-czasowa (I-t) bezpiecznika B jest odsunięta od charakterystyki prądowo-czasowej wyłącznika W o czas tA (rys. 5.).
Obszar, kiedy charakterystyka bezpiecznika B będzie zawsze mniejsza od charakterystyki wyłącznika W o czas tw wyznacza obszar wspólnego działania W i B pomiędzy wartościami prądu zwarciowego IKgr1 i IKgr2. Charakterystyki I-t W i B powinny być odsunięte o określoną wartość czasu tA (margines bezpieczeństwa), jak to uwidoczniono na (rys. 5.).
W katalogach producentów wyłączników instalacyjnych podaje się obecnie wartości prądu IKgr1 (rys. 5.), dla określonych typów wyłączników (B, C lub D) i typów bezpieczników (gL lub gG). Przykładowe wartości takich prądów granicznych IKgr1 podano w tab. 2. Przykładowo: dla wyłącznika S 300 C i bezpiecznika znamionowego In = 35 A, dla prądu znamionowego In = 10 A, selektywność będzie zapewniona dla prądów IKgr1 < 1,15 kA. Dla prądów przekraczających IKgr1 3 1,15 kA układ nie zapewnia selektywności.
Tab. 2. Przykładowe wartości prądów granicznych dla wyłączników typu B i C oraz bezpieczników
Rys. 6. Przykładowe charakterystyki przedłukowe całki Joule’a (linie ciągłe) bezpieczników typu gL oraz wyłączników instalacyjnych o prądach znamionowych 16 A i 32 A [2]; linią przerywaną oznaczono górną obwiednię pasma bezpiecznika o prądzie znamionowym 25 A, całą charakterystykę pasmową tego bezpiecznika
Charakterystyki pasmowe przedłukowych całek Joule’a, pasmo dolne, òI2t dla bezpieczników o sąsiednich wartościach prądów znamionowych, to linie ciągłe (rys. 6. – pełne pasmo dolne i górne oznaczono tylko dla bezpiecznika o prądzie znamionowym 25 A). Wykres dolnej i górnej całki jest całą charakterystyką pasmową bezpiecznika o określonym prądzie znamionowym. Na wykresie przedstawiono całki Joule’a przedłukowe o prądach znamionowych16 A i 32 A. Selektywność układu kończy się na prawo od przecięcia się wykresów całek Joule’a wyłączników i bezpieczników. Przykładowo: dla wyłącznika InW = 32 A i bezpiecznika InB = 80 A selektywność jest zapewniona dla IK < 4 kA. Dla prądów o wartości IK > 4 kA układ nie zapewnia selektywności.
Bezpiecznik – wyłącznik
Warunki selektywności w instalacji bezpiecznik – wyłącznik przedstawiono na rys. 7. Charakterystyka prądowo-czasowa B odsunięta jest od części charakterystyki W przez zastosowania odpowiedniego marginesu bezpieczeństwa czasu tA. Graniczne wartości tA podano na rys. 7. Ponadto należy wziąć pod uwagę charakterystykę wyzwalacza nagrzanego, a więc dla czasów zadziałania krótszych o około 25% [3] w stosunku do charakterystyki wyzwalacza zimnego. Taki zestaw zabezpieczeń spotykany jest najczęściej po stronie niskiego napięcia transformatora, po której jest wyłącznik, natomiast wiele pól odpływowych jest zabezpieczonych bezpiecznikami.
Rys. 7. Charakterystyki prądowo-czasowe zabezpieczeń układu bezpiecznik – wyłącznik, ilustrujące warunek selektywnego działania, gdzie: B – bezpiecznik, W – wyłącznik, IK – prąd zwarciowy, IK1 – prąd zwarciowy dla bezpiecznika, IG1, IG2 – 1. i 2. próg prądu zwarciowego, tW1, tW2 – czasy odpowiadają odpowiednio progowi 1 i 2
Bezpiecznik – bezpiecznik
Podstawowym warunkiem selektywnego działania zabezpieczenia bezpiecznik B1– bezpiecznik B2 jest, by pasma charakterystyk prądowo-czasowych sąsiadujących bezpieczników zachodziły na siebie (rys. 8.).
Rys. 8. Charakterystyki prądowo-czasowe zabezpieczeń układu bezpiecznik (B1) – bezpiecznik (B2), ilustrujące warunek selektywnego działania, gdzie: tW1, tW2 – zakres czasów wyłączenia prądu zwarciowego IK1 odpowiednio dla bezpieczników B1 i B2
Wynika stąd, że dwa bezpieczniki o kolejnych prądach znamionowych nie zapewniają selektywności. Dopiero bezpieczniki o co drugim prądzie znamionowym zapewniają tzw. warunkowe selektywne działanie układu B1 – B2. W praktyce sprowadza się to do spełnienia warunku [1, 3]:
gdzie:
InB1, InB2 – prądy znamionowe bezpieczników B1 i B2.
W celu zachowania warunku bezwzględnej selektywności warunek (4) musi być nierównością ostrą, co oznacza rozstaw o trzy stopnie prądów znamionowych w typoszeregu prądów znamionowych bezpieczników.
Rys. 9. Ilustracja działania zasady selektywności w instalacjach wielostronnie zasilanych, w obwodach rozgałęzionych
Jeżeli jest na tyle duży prąd zwarciowy, że dochodzi do ograniczenia prądu zwarciowego przez bezpiecznik, to czasy wyłączenia są krótsze od jednego okresu częstotliwości sieciowej, czyli krótsze od 10 ms. Trudno jest w tym zakresie oceniać selektywność na podstawie charakterystyki prądowo-czasowej, gdyż jest to zakres czasu na jej obrzeżu. Dlatego w takich sytuacjach należy posługiwać się charakterystykami całek Joule’a bezpieczników lub bezpośrednio porównaniem wartości całek Joule’a:
Selektywność działania zabezpieczeń w obwodach rozgałęzionych lub wielostronnie zasilanych
Instalacje rozgałęzione lub wielostronnie zasilane są rzadko spotykane w obwodach o niskim napięciu. Jednak znajduje się je sporadycznie, zwykle rozpatrując kilka linii zasilających niskim napięciem jeden węzeł sieci (rys. 9.). Warunek zabezpieczenia selektywnego polega w tym przypadku na uruchomieniu działania zabezpieczeń B4 i B5, znajdujących się najbliżej miejsca zwarcia, przy pozostałych zabezpieczeniach sprawnych. Spełniona jest przy tym relacja:
I4 = I1 + I2 + I3 (wzór 1)
I5 = I6 + I7 (wzór 2)
Selektywność będzie zachowana, jeśli spełniony będzie następujący warunek [3]:
Wzór 3
dla prądu I4, oraz:
Wzór 4
dla prądu I5.
Podsumowanie
W artykule przedstawiono zasady działania selektywnych zabezpieczeń w instalacjach niskiego napięcia. Znajomość prawidłowego funkcjonowania zabezpieczeń nadprądowych o działaniu selektywnym w instalacjach niskiego napięcia jest jednym z warunków ich prawidłowego zaprojektowania.
Literatura
- H. Markiewicz, Instalacje elektryczne, WNT, Warszawa 2008.
- H. Markiewicz, Instalacje elektryczne przemysłowe, Gdańskie Dni Elektryki, 2006.
- G.G. Seip, Electrical installations handbook, John Wiley & Sons, Publics MCD Verlag, Third Edition, 2000.
- PN-EN 60269:2010 Bezpieczniki topikowe niskonapięciowe, Część 1: Wymagania ogólne.
- PN-HD 60269:2010 Bezpieczniki topikowe niskonapięciowe, Część 3: Wymagania dodatkowe dotyczące bezpieczników przeznaczonych do wymiany przez osoby niewykwalifikowane (bezpieczniki głównie dla gospodarstw i podobnych zastosowań).
- PN-HD 60269:2014 Bezpieczniki topikowe niskonapięciowe. Część 2: Wymagania dodatkowe dotyczące bezpieczników przeznaczonych do wymiany przez osoby wykwalifikowane (bezpieczniki głównie do stosowania w przemyśle).
- PN-EN 60947:2010 Aparatura rozdzielcza i sterownicza niskonapięciowa, Część 1: Postanowienia ogólne.
- PN-EN 60947:2009 Aparatura rozdzielcza i sterownicza niskonapięciowa, Część 2: Wyłączniki.
![Rys. 6. Przykładowe charakterystyki przedłukowe całki Joule’a (linie ciągłe) bezpieczników typu gL oraz wyłączników instalacyjnych o prądach znamionowych
16 A i 32 A [2]; linią przerywaną oznaczono górną obwiednię pasma bezpiecznika o prądzie znamionowy.](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/wybrane-zagadnienia-selektywnosci-rys06.jpg)
