Nr 166 3 Antoni KlAjn ZABEZPIECZEnIA nADPRĄDOWE W

Transkrypt

Instalacje elektryczne
Antoni Klajn
ZABEZPIECZENIA NADPRĄDOWE
W INSTALACJACH ELEKTRYCZNYCH
ZE SZCZEGÓLNYM UWZGLĘDNIENIEM SELEKTYWNOŚCI
1. Informacje wstępne
Jednym z podstawowych warunków poprawnej pracy instalacji elektrycznych
jest prawidłowe zabezpieczenie odbiorników, przewodów instalacyjnych i innych
elementów obwodów od skutków nienormalnych stanów pracy. Jednym z takich stanów są przetężenia, czyli sytuacje, w których następuje wzrost prądu w obwodzie ponad wartość dopuszczalną długotrwale. Przetężenia dzieli się z kolei na przeciążenia
i zwarcia [1, 2]. Przeciążeniem nazywa się wzrost prądu ponad wartość dopuszczalną długotrwale w obwodzie nieuszkodzonym, przy czym przyczyną tego wzrostu
jest najczęściej nadmierny pobór energii przez zasilane odbiorniki, wynikający z ich
warunków eksploatacji. Natomiast wzrost wartości prądu podczas zwarcia wynika
z uszkodzenia obwodu, zwykle uszkodzenia izolacji przewodów zasilających, aparatury łączeniowej bądź samego odbiornika.
Do ochrony obwodów niskiego napięcia od przetężeń stosowane są następujące
urządzenia:
• bezpieczniki niskiego napięcia [3, 4, 5],
• wyłączniki niskiego napięcia [6, 7, 8],
• przekaźniki termobimetalowe, przystosowane zwykle do współpracy ze stycznikami,
• zabezpieczenia termiczne wbudowane do urządzeń, głównie silników [9].
Wymienione urządzenia cechują się różnymi właściwościami w zakresie ochrony
obwodów instalacyjnych przed skutkami prądów przeciążeniowych i zwarciowych,
a ich dobór jest dokonywany według następującej kolejności postępowania:
a) dobór zabezpieczenia do ochrony zasilanego odbiornika bądź grupy odbiorników,
b) sprawdzenie, czy dobrane zabezpieczenie spełnia warunki ochrony przewodów
instalacyjnych i łączników roboczych tworzących obwód na drodze od zabezpieczenia do zacisków odbiornika,
c) sprawdzenie selektywności (wybiórczości) działania dobranego zabezpieczenia
z innymi zabezpieczeniami przetężeniowymi znajdującymi się od strony źródła
zasilania.
Nr 166
3
Dobór zabezpieczenia przetężeniowego w instalacjach elektrycznych wymaga
znajomości następujących, podstawowych parametrów prądowych:
• zastępczy prąd obciążenia IB (rys. 1) grupy odbiorników zasilanych w danym obwodzie lub w przypadku zasilania pojedynczego odbiornika, jego prąd znamionowy (IB = IN),
• prąd dopuszczalny długotrwale przewodów IZ (rys. 1), z uwzględnieniem warunków ich ułożenia,
• prąd zwarciowy maksymalny IKmax i minimalny IKmin analizowanego obwodu.
Parametry zabezpieczenia dobrane w punkcie a) nie powinny być zasadniczo
zmieniane, z wyjątkiem sytuacji, gdy projektant decyduje się na inny rodzaj zabezpieczenia, przykładowo zmiana zabezpieczenia złożonego z bezpiecznika i przekaźnika termobimetalowego na wyłącznik. Negatywny wynik sprawdzenia w punkcie b)
oznacza natomiast, że należy zmienić parametry przewodów (zwykle zwiększyć ich
przekrój) lub parametry chronionego łącznika roboczego. Ostatni punkt sprawdzania c) polega na analizie charakterystyk działania zabezpieczeń i może się wiązać ze
zmianą parametrów zabezpieczeń znajdujących się od strony źródła zasilania. Większość obwodów w instalacjach niskiego napięcia to obwody promieniowe, w których
kolejne stopnie zabezpieczeń nadprądowych tworzą strukturę kaskadową patrząc
w stronę źródła zasilania. Należy jednak pamiętać o tym, że zmiana parametrów zabezpieczenia przetężeniowego na którymkolwiek stopniu tej kaskady wymaga ponownego sprawdzenia warunków ochrony odcinka przewodów instalacyjnych, objętego działaniem tego zabezpieczenia.
a)
b)
F
(INF)
c)
F
Pt
(IZ)
Odbiornik (IB)
(INF)
(INr)
(IZ)
Odbiornik (IB)
W
(INW , INr, IG)
(IZ)
Odbiornik (IB)
Rys. 1. Typowe sposoby zabezpieczenia obwodów instalacji niskiego napięcia od przetężeń:
a) bezpiecznikiem (F), b) bezpiecznikiem i przekaźnikiem termobimetalowym (Pt), c) wyłącznikiem W z wyzwalaczami: termobimetalowym i elektromagnetycznym (opis w tabeli 1); INF
– prąd znamionowy bezpiecznika, INr – znamionowy prąd nastawy przekaźnika (wyzwalacza)
termobimetalowego, INW – prąd znamionowy wyłącznika, IG – prąd nastawy progu wyzwolenia
wyzwalacza elektromagnetycznego; IZ , IB – wyjaśnione w tekście
4
Do podstawowych kryteriów uzyskania selektywnego działania zabezpieczeń
nadprądowych zalicza się:
• stopniowanie prądów zadziałania,
• stopniowanie czasu działania,
• równoczesne stosowanie kombinacji zarówno prądów, jak i czasów zadziałania.
Selektywne działanie zabezpieczeń nadprądowych jest jednym z warunków poprawnego wykonania instalacji elektrycznej, wymaganym m.in. w rozporządzeniu
[10]. W artykule omówiono podstawowe zagadnienia dotyczące doboru zabezpieczeń nadprądowych w instalacjach elektrycznych oraz skupiono się bliżej na problematyce sprawdzania warunków ich selektywnego działania.
1.1Podstawowe charakterystyki i właściwości zabezpieczeń nadprądowych
w instalacjach niskiego napięcia
Zabezpieczenie obwodów instalacji niskiego napięcia może być zrealizowane na
trzy zasadnicze sposoby zilustrowane na rys.1.
Tabela 1. Symbole wyzwalaczy w torach prądowych wyłączników niskiego napięcia
Lp.
Nazwa wyzwalacza
Funkcja w obwodzie
1
Wyzwalacz (przekaźnik)
termobimetalowy
(przeciążeniowy)
Ochrona od przeciążeń
2
Wyzwalacz elektromagnetyczny (zwarciowy)
Ochrona od prądów
zwarciowych
3
Wyzwalacz elektromagnetyczny z nastawialną
zwłoką czasową
Selektywna ochrona od
prądów zwarciowych
4
Wyzwalacz różnicowoprądowy
Wykrywanie prądów
upływnościowych / doziemnych i ochrona przed
ich skutkami
Symbole graficzne
w schemacie
w schemacie
elektrycznym
blokowym
I>
I>
I
Wyposażenie wyłączników niskiego napięcia w wyzwalacze w torze prądowym
jest w zasadzie opcjonalne, choć zdecydowana większość wyłączników niskiego napięcia jest wyposażona zarówno w wyzwalacz termobimetalowy, jak i elektromagnetyczny. Parametry tych wyzwalaczy różnią się zasadniczo dla wyłączników:
a)
do zastosowań przemysłowych (wyłączniki silnikowe, wyłączniki przemysłowe o budowie otwartej i kompaktowej) [6, 7]; aparaty te mają zwykle nastawialne wyzwalacze termobimetalowe i elektromagnetyczne, stąd powinny
być obsługiwane przez personel wykwalifikowany,
b)
do zastosowań domowych i podobnych [8], które są wyposażone w wyzwalacze bez możliwości dokonywania zmiany nastaw; obsługa tych wyłączników
Nr 166
5
może być dokonywana zarówno przez personel wykwalifikowany, jak i przez
osoby nie posiadające kwalifikacji.
Wyzwalacze termobimetalowe (przeciążeniowe) do wyłączników przemysłowych (rys. 2) mają zakres nastaw prądu INr od ok. 0,6 do 1 swego prądu znamionowego (INrmin i INrmax, rys. 2a). Największa wartość prądu nastawy (INrmax) jest równocześnie prądem znamionowym wyzwalacza. Prąd znamionowy wyzwalacza odpowiada
zwykle prądowi znamionowemu wyłącznika (INrmax = INW). Czas próby tp wynosi 1 h
dla wyłączników o INW ≤ 63 A i 2 h dla wyłączników o INW > 63 A. Prąd niezadziałania wyzwalacza INt (największa wartość prądu, przy którym wyzwalacz nie zadziała
przed upływem czasu próby tp) wynosi 1,05INr, natomiast prąd zadziałania wyzwalacza It (najmniejsza wartość prądu, przy której wyzwalacz zadziała przed upływem
czasu próby tp) wynosi 1,3INr [7]. Przy doborze wyzwalaczy termobimetalowych należy wziąć po uwagę również to, że katalogi podają najczęściej charakterystykę pradowo-czasową dla stanu zimnego. Charakterystyka ta dla stanu nagrzanego prądem
roboczym zbliżonym do prądu znamionowego wyzwalacza ulega przesunięciu tak,
jak to zilustrowano na rysunku 2b, przy czym skrócenie czasów zadziałania charakterystyki nagrzanej w stosunku do charakterystyki zimnej szacuje się na ok. 25% [2].
Omówione parametry wyzwalaczy termobimetalowych stosowanych w wyłącznikach przemysłowych odnoszą się analogicznie do takich samych parametrów przekaźników termobimetalowych, stosowanych zwykle do współpracy ze stycznikami.
a)
t
tp
INt = 1,05INr
b)
It = 1,3INr
t
tp
Zakres regulacji prądu
nastawienia INr wyzwalacza
INt = 1,05INr
It = 1,3INr
Charakterystyka wyzwalacza
zimnego (katalogowa)
nagrzanego (robocza)
∆ t ok. 25%
1,3INr max
INr min
INr max 1,05INr max
1,3INr max
I
INr max
1,05INr max
I
Rys. 2. Charakterystyka wyzwalaczy termobimetalowych wyłączników przemysłowych [7];
a) – ilustracja zakresu prądu nastawianego INr i prądów: niezadziałania INt oraz zadziałania It;
b) – ilustracja przesunięcia charakterystyki wyzwalacza nagrzanego w stosunku do wyzwalacza
zimnego; tp – czas próby; pozostałe wyjaśnienia oznaczeń w tekście
Wyzwalacze termobimetalowe w wyłącznikach do zastosowań domowych i podobnych nie mają możliwości zmiany nastawień prądu INr. Prąd ten jest ustawiony
fabrycznie jako równy prądowi znamionowemu wyłącznika (INr = INW). Inne są natomiast (w porównaniu z wyzwalaczami do wyłączników przemysłowych) prądy [8]:
• niezadziałania INt = 1,13INW,
• zadziałania It = 1,45INW.
6
Tak ustalona wartość prądu zadziałania pozwala w sposób optymalny spełnić
warunek ochrony przewodów instalacyjnych od przeciążeń [1, 2, 11]. Norma [8] wymaga ponadto, aby przy prądzie równym 2,55INr nastąpiło zadziałanie w czasie t1,
przy czym:
• 1s < t1 < 60 s dla wyłączników o INW ≤ 32 A,
• 1s < t1 < 120 s dla wyłączników o INW > 32 A.
W wyłącznikach do zastosowań przemysłowych dość powszechnie stosuje się
obecnie zintegrowane wyzwalacze przetężeniowe, zawierające człon przeciążeniowy
i człon zwarciowy. Wyzwalacze te są urządzeniami elektronicznymi, zasilanymi zwykle z uzwojeń wtórnych przekładników prądowych umieszczonych w głównych torach prądowych wyłącznika. Do zalet wyzwalaczy elektronicznych zalicza się:
• brak efektu przesunięcia charakterystyki wskutek nagrzania wyzwalacza, co ma
miejsce w wyzwalaczach termobimetalowych (rys. 2b),
• możliwość zastosowania ujednoliconego wyzwalacza dla całej serii wyłączników
o różnych prądach znamionowych, dzięki zróżnicowaniu przekładni przekładnika prądowego o jednakowej wartości znamionowego prądu wtórnego.
Przebieg typowej charakterystyki wyzwalacza przeciążeniowego elektronicznego
(w osiach o skali logarytmicznej) przedstawiono na rysunku 3. Na rysunku tym zilustrowano również możliwości zmian nastaw charakterystyki (strzałki 1, 2 i 3).
t
tp
1
zakres regulacji prądu
nastawienia INr
3
2
Inw
Inn min
INr
INt It
I
Rys. 3. Przebieg typowej charakterystyki elektronicznego wyzwalacza przeciążeniowego; oznaczenia jak na rysunku 2 oraz wyjaśnione w tekście
Wyzwalacze zwarciowe wyłączników przemysłowych wykonywane są zarówno
jako wyzwalacze elektromagnetyczne, jak i mogą stanowić człon zwarciowy wyzwalacza elektronicznego. Zgodnie z wymaganiami normy [7] rozrzut prądu zadziałania wyzwalacza elektromagnetycznego wynosi ±20% (IGmin = 0,8IG , IGmax = 1,2IG , rys. 4a), natomiast dla wyzwalaczy elektronicznych rozrzut ten wynosi ±15%, czyli (IGmin = 0,85IG ,
IGmax = 1,15IG , rys. 4b). Czas zwłoki w wyzwalaczach zwłocznych (poz. 3, tab. 1) zawiera się w zakresie (0,1÷ 0,6)s.
Nr 166
7
wyzw. bezzwłoczny
wyzw. zwłoczny
a) t
∆t
b) t
1
tw2
człon
krótkozwłoczny
człon
bezzwłoczny
tw2
∆ tw2
tw
tw
∆ tw
∆ IG
IG min
2
IG
Iw
IG max
∆ IG1
I
∆ IG2
IG2
IG1
Iw
I
Rys. 4. Charakterystyki wyzwalacza zwarciowego elektromagnetycznego (a) i elektronicznego
dwustopniowego (b); IG , IG1 , IG2 – prądy nastawienia odpowiednich progów zadziałania wyzwalacza IW – prąd wyłączalny wyłącznika, tw – czas własny wyzwalacza, t 2 – nastawienie
zwłoki czasowej, 1 – wyzwalacz bez włączonej funkcji I2t, 2 – wyzwalacz z włączoną funkcją
I2t; wyjaśnienie pozostałych oznaczeń w tekście
Przykładową charakterystykę wyzwalacza elektronicznego wyłącznika typu DS
przedstawiono na rysunku 5. Widoczne są na niej zakresy nastaw opóźnień czasowych oraz prądów zadziałania członu przeciążeniowego i zwarciowego. Linia oznaczona krzyżykami to przykładowe nastawienie charakterystyki prądowo-czasowej.
(0,5 - 1,25) I/In
(4 - 10) I/In
5000
[s]
L
2000
1000
500
200
100
50
4 - 36 s
20
10
t
5
S
0,2-0,5 s
2
1
0,5
0,35
0,2
I
czas własny
wyłącznika
0,1
0,05 s
0,05
0,5
1
1,25
2
3
4
5
6 7 8 10 12
20
I/In
Rys. 5. Przykładowa charakterystyka prądowo-czasowa wyłącznika typu DS; L – człon przeciążeniowy, S – człon zwarciowy krótkozwłoczny, I – człon zwarciowy bezzwłoczny
8
Wyzwalacze zwarciowe wyłączników do instalacji domowych i podobnych
[8] mają charakterystyki nienastawialne, lecz próg prądowy ich zadziałania IG jest
określony w stosunku do wartości prądu znamionowego wyłącznika IW (rys. 6). Najczęściej spotykane są trzy nastawienia o następujących oznaczeniach literowych i zakresach działania:
• B – zakres IG = (3 ÷ 5) INW,
• C – zakres IG = (5 ÷ 10) INW,
• D – zakres IG = (10 ÷ 20) INW.
Przykładowo symbol C 20 na wyłączniku instalacyjnym oznacza, że jest to wyłącznik o prądzie znamionowym INW = 20 A i charakterystyce wyzwalacza elektromagnetycznego typu C, czyli o progu zadziałania IG zawierającym się w zakresie
(5 ÷ 10)INW, czyli od 100 A do 200 A. Wyłącznik ten będzie skutecznie wyłączał
prądy zwarciowe, jeśli minimalny prąd zwarciowy w obwodzie IKmin będzie większy
od 200 A.
t
tp
termobimetalowego
elektromagnetycznego
B
tw
1,45
1,13
1
3
C
5
D
10
20
Iw I/INW
Rys. 6. Charakterystyki prądowo-czasowe wyłącznika do instalacji domowych i podobnych;
oznaczenia jak na poprzednich rysunkach lub wyjaśnione w tekście
Charakterystyki prądowo-czasowe bezpieczników (rys. 7), podobnie jak charakterystyki wyzwalaczy, są charakterystykami pasmowymi. Są one podawane w osiach
log/log, przy czym na skali czasu jest to zakres od ok. 5 ms, (¼ okresu prądu o częstotliwości 50 Hz), czyli najkrótszego czasu, dla którego można określić wartość skuteczną
prądu sinusoidalnego, do czasu próby tp. Czas próby tp mieści się w zakresie [1]:
• od 1 h do 4 h w zależności od prądu znamionowego bezpiecznika, dla bezpieczników o charakterystykach pełnozakresowych (oznaczenie g na pierwszym miejscu, np. gL, gTr, gB, gG, – bezpieczniki odpowiednio do zabezpieczania linii,
transformatorów, urządzeń górniczych i ogólnego przeznaczenia),
• od 30 s do 120 s dla bezpieczników o charakterystykach niepełnozakresowych,
(oznaczenie a na pierwszym miejscu, np. aM, aR – odpowiednio bezpieczniki do
zabezpieczania silników elektrycznych i półprzewodnikowych elementów mocy).
Nr 166
9
Dolna obwiednia charakterystyki bezpiecznika jest nazywana charakterystyką
minimalnych czasów przedłukowych i od góry kończy się na wartości prądu nazywanego prądem probierczym dolnym Inf. Wartości tego prądu dla najbardziej rozpowszechnionych bezpieczników typu gL i gG zawierają się w zakresie (1,25 ÷ 1,5)INF
(INF – prąd znamionowy bezpiecznika). Górna obwiednia charakterystyki jest nazywana charakterystyką najdłuższych czasów wyłączenia i kończy się od góry prądem
probierczym górnym If. Wartości tego prądu dla bezpieczników typu gL i gG zawierają się w zakresie (1,6 ÷ 2,1)INF. Znaczenie i definicje prądów Inf i If są identyczne jak
prądów: niezadziałania INt i zadziałania It w wyzwalaczach przeciążeniowych (rys. 2).
Rys. 7. Charakterystyki prądowo-czasowe bezpieczników typu gL [1]; IK – spodziewany prąd
zwarciowy początkowy
Ważną pozytywną właściwością bezpieczników jest możliwość ograniczania prądów zwarciowych, polegająca na zapoczątkowaniu procesu przepalania topika przed
10
osiągnięciem pierwszej amplitudy przez prąd zwarciowy i ograniczenie najwyższej wartości prądu zwarciowego poniżej spodziewanej wartości prądu udarowego.
Z właściwością tą jest związana stałość wartości całki Joule’a I2 t dla spodziewanych
prądów zwarciowych mieszczących się w zakresie, w którym dochodzi do ich ograniczenia [1, 2]. Przykładowy wykres całki Joule’a dla bezpieczników typu gL przedstawiono na rysunku 8. Stała wartość tej całki (zakres, w którym charakterystyka ma
przebieg poziomy do osi prądu) oznacza, że w tym zakresie bezpiecznik ogranicza
prąd zwarciowy. Zakres, w którym charakterystyka ulega zakrzywieniu przybierając
rosnące wartości całki Joule’a odpowiada takim wyłączeniom prądu zwarciowego,
gdy czas przedłukowy przekracza czas jednego półokresu prądu zwarciowego i nie
dochodzi do ograniczenia prądu.
105
A2s
6
I 2t
W 32
4
W 16
3
INF
100 A
2
80 A
104
63 A
8
6
50 A
25 A - obwiednia najdłuższych
4
czasów wyłączenia
35 A
3
2
103
25 A
0,4 0,6 0,8 1
2
3
4 5 6 kA 10
IK
Rys. 8. Przykładowe charakterystyki przedłukowe (linie ciągłe) całki Joule’a bezpieczników typu
gL oraz wyłączania wyłączników instalacyjnych o prądach znamionowych 16 A i 32 A [12];
linią przerywaną oznaczono górną obwiednię pasma bezpiecznika o prądzie znamionowym
25 A, a polem zakreskowanym całą charakterystykę pasmową tego bezpiecznika
Charakterystyki całki Joule’a są, podobnie jak charakterystyki prądowo-czasowe, również charakterystykami pasmowymi. Na rysunku 8 przedstawiono jedynie
dolne obwiednie charakterystyk całki Joule’a w celu przejrzystości rysunku. Jedynie
dla bezpiecznika o prądzie znamionowym INF = 25 A przedstawiono również górną obwiednię charakterystyki pasmowej, czyli charakterystykę najdłuższych czasów
wyłączenia, a polem zakreskowanym oznaczono całe pasmo charakterystyki. Zarówno z rysunku 7, jak i 8 wynika, że charakterystyki pasmowe bezpieczników o kolejNr 166
11
nych prądach znamionowych zachodzą na siebie i mają części wspólne. Wspólnych
części nie mają natomiast charakterystyki o co drugim prądzie w szeregu prądów
znamionowych danego typu bezpiecznika. Dotyczy to jednak bezpieczników określonego typu. Przykładowo nie oznacza to, że bezpiecznik typu gL o prądzie znamionowym 16 A nie ma części wspólnych pasma z bezpiecznikiem typu gG o prądzie
znamionowym 25 A.
2. Selektywność działania zabezpieczeń w obwodach promieniowych
Układy zasilania w instalacjach niskiego napięcia są w przeważającej części układami promieniowymi, w których kolejne stopnie zabezpieczenia nadprądowego są
połączone szeregowo, począwszy od zabezpieczenia transformatora SN/nn, a skończywszy na zabezpieczeniu rozpatrywanego obwodu odbiorczego. Przedstawione
na rysunku 1 różne sposoby zabezpieczenia obwodów niskiego napięcia dotyczą
obwodu odbiorczego, czyli ostatniego w rozpatrywanym ciągu zasilania. Przez selektywność (wybiórczość) działania zabezpieczeń nadprądowych rozumie się takie
działanie kolejnych stopni zabezpieczenia w ten sposób (rys. 9), że w przypadku przetężenia w którymkolwiek miejscu obwodu, w szczególności w obwodzie odbiorczym,
wyłączenie zasilania ogranicza się do jak najmniejszej części instalacji. Warunek
spełnienia selektywności oznacza, że zadziała jedynie zabezpieczenie najbliższe miejsca zakłócenia, patrząc w stronę źródła zasilania. Wymóg selektywnego działania
zabezpieczeń nadprądowych jest zawarty m.in. w rozporządzeniu [10]. Jest to jeden
z podstawowych warunków zapewnienia odpowiedniej jakości zasilania energią
elektryczną.
Zasadniczo rozróżnia się selektywność zabezpieczeń przy przeciążeniach i przy
zwarciach. W artykule omówiono tę problematykę łącznie, przy czym główny nacisk położono na selektywność działania zabezpieczeń w przypadkach zwarć. Wynika to z faktu, że spełnienie warunku selektywności zabezpieczeń przeciążeniowych
w praktyce nie stwarza problemów. Zabezpieczenia te są nastawiane odpowiednio do
prądów roboczych IB (rys. 1):
I = (1,05(1)
÷ 1,1) I
Nr
B
i obciążalności długotrwałej przewodów IZ [11]:
I B ≤ I Nr(2a)
≤ IZ
I 2 ≤ 1,(2b)
45 I Z
gdzie:
I2 – prąd zadziałania zabezpieczenia chroniącego przewody od przeciążeń; prąd I2
jest prądem zadziałania It wyzwalacza przeciążeniowego w rozwiązaniu z rysunku
1c, lub prądem zadziałania It przekaźnika termobimetalowego w rozwiązaniu z rysunku 1b lub prądem probierczym górnym bezpiecznika If , w przypadku gdy funkcję
zabezpieczenia od przeciążeń (a zarazem i od zwarć) pełni bezpiecznik (rys. 1a).
12
Stopniowanie wartości prądu roboczego oraz przekrojów przewodów na poszczególnych stopniach kaskady zabezpieczeń przciążeniowych (rys. 9) jest w praktyce na
tyle duże, że charakterystyki są dostatecznie daleko odsunięte od siebie.
Analiza selektywności zabezpieczeń nadprądowych jest przeprowadzana w oparciu o charakterystyki prądowo-czasowe (charakterystyka I–t) poszczególnych stopni
zabezpieczenia. Rozważa się przy tym 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:
a) wyłącznik – wyłącznik,
b) wyłącznik – bezpiecznik,
c) bezpiecznik – wyłącznik,
d) bezpiecznik – bezpiecznik.
Układy te zostaną kolejno omówione.
2.1 Selektywność w układzie wyłącznik – wyłącznik
W układzie wyłącznik – wyłącznik najczęściej stosowanym sposobem uzyskania
selektywności jest selektywność czasowa, co zilustrowano na rysunkach 9 i 10. Wyłącznik W1, stanowiący zabezpieczenie najdalszego obwodu może nie być wyposażony w wyzwalacz zwarciowy zwłoczny, natomiast wyłączniki w pozostałych strefach
zabezpieczenia (W2 i W3) powinny być wyposażone w wyzwalacze z możliwością
nastawiania opóźnień czasowych.
Czas własny wyłącznika tw niezbędny do przerwania prądu jest sumą trzech czasów (rys. 9): czasu zadziałania wyzwalacza tz , czasu poruszenia mechanizmu zamka
i otwarcie styków ts oraz czasu łukowego ta . Czas opóźnienia zadziałania wyzwalacza td opóźnia zadziałanie mechanizmu zamka, i powinien być tak dobrany, aby
uwzględniał czasy ts i ta wyłącznika z niższej strefy oraz pewien margines bezpieczeństwa. W ten sposób należy określić czasy opóźnień kolejnych stref tst, przy czym czas
opóźnień td wyłączników kolejnych stref jest sumą kolejnych czasów tst. W praktyce
czas opóźnienia strefy tst dobiera się następująco:
• tst ≥ 70 ms dla wyłączników wyposażonych w wyzwalacze elektroniczne,
• tst ≥ 150 ms dla wyłączników wyposażonych w wyzwalacze elektromagnetyczne
(mechanizmowe).
Ilustracje wzajemnego położenia charakterystyk prądowo-czasowych wyłączników przy zastosowaniu selektywności czasowej przedstawiono na rysunku 10.
Wyłącznik W1 jest wyłącznikiem bez opóźnienia czasowego, z progiem zadziałania IG1, natomiast wyłącznik W2 jest wyposażony w wyzwalacz z z członem krótkozwłocznym (próg zadziałania IG2(1)) i członem bezzwłocznym (próg zadziałania
IG2(2)). Zakres prądowy członu krótkozwłocznego powinien być w miarę możliwości
tak dobrany, aby prąd zwarciowy IK1 za wyłącznikiem W1 znajdował się w tej strefie,
natomiast prąd zwarciowy IK2 w strefie pomiędzy wyłącznikami W1 i W2 mieścił się
w strefie członu bezzwłocznego wyzwalacza wyłącznika W2.
Nr 166
13
tw3
to3
td3 = tst2 + tst3
tz3
tst3
tw2
W3
to2
td2 = tst2
tz2
ts3 ta3
ts2
ta2
tw1
W2
to1
tz1 ts1
margines bezpieczeństwa
strefy 3
ta1
margines bezpieczeństwa
strefy 2
W1
M
t
Chwila wystąpienia
zwarcia
Rys. 9. Zasada selektywności czasowej zabezpieczeń nadprądowych w układzie szeregowym;
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
t
W1
W2
W2
wyzwalacz
zimny
IK2
wyzwalacz
nagrzany
W1
td2
IK1 t
W2
M
tW1
IG1
IG2(1) IK1
IG2(2) IK2
IK
Rys. 10. Ilustracja zasady selektywności czasowej wyłączników W1 i W2; opis oznaczeń w tekście
14
104
(
W3
0
80
A)
101
100
INW2 = 200A
IK min 2 = 4,5 kA
IK max 1 = 6,5 kA
W1
INW1 = 80A
M
selektywność
pełna
W2
A)
IK min 3 = 17 kA
IK max 2 = 20,5 kA
200
102
W3
INW3 = 800A
(
W2
103
A)
t
80
W1 (
IK max 3 = 22 kA
selektywność
niepełna
10-1
td = tst
10-2
IK min 1 = 750A
10-3
102
2
4
6 8 103
4
6 8 104
2
22 kA
20,5 kA
17 kA
6,5 kA
4,5 kA
750A
2
4
A 104
IK
Rys. 11. Ilustracja selektywności prądowej wyłączników W1 i W2 oraz selektywności czasowej
wyłączników W2 i W3
W układzie wyłącznik – wyłącznik możliwe jest również zastosowanie selektywności prądowej, co zilustrowano na rysunku 11. W przykładzie tym zostały
policzone minimalne i maksymalne wartości prądów zwarciowych, odpowiadające
końcowej i początkowej części danej strefy. Próg zadziałania wyłącznika W1 należy
ustawić poniżej minimalnego prądu zwarciowego strefy 1, czyli IKmin1 = 750 A. Próg
zadziałania wyłącznika W2 ustawiony na poziomie minimalnego prądu zwarciowego strefy 2, IKmin2 = 4,5 kA zapewnia tzw. selektywność niepełną. Prąd ten może bowiem wystąpić zarówno przy zwarciu tuż przed wyłącznikiem W1 patrząc od strony
źródła zasilania, jak i tuż za tym wyłącznikiem. W obydwu przypadkach wyłącznik
W2 zadziała, w pierwszym prawidłowo, natomiast w drugim wyłączą obydwa wyłączniki: W1 i W2, czyli układ będzie nie w pełni selektywny. Sytuacja taka będzie
miała miejsce dla wszystkich zwarć o prądach zwarciowych w zakresie pomiędzy
IKmin2 = 4,5 kA a IKmax1 = 6,5 kA. Jeśli natomiast próg zadziałania ustawiony będzie
nieco powyżej prądu IKmax1 = 6,5 kA (linia przerywana na rysunku 11), to wówczas
uzyskuje się tzw. selektywność pełną, w której wyzwalacz zwarciowy wyłącznika W2
nie będzie reagował na prądy zawierające się w zakresie pomiędzy IKmin2 = 4,5 kA
a IKmax1 = 6,5 kA, które mogą być prądami przy zwarciu za wyłącznikiem W1 patrząc
od strony źródła zasilania. Jeśli jednak zwarcie to jest przed wyłącznikiem W1, to zostanie ono ostatecznie wyłączone przez wyłącznik W2, lecz dopiero po zadziałaniu
jego wyzwalacza przeciążeniowego, w odpowiednio dłuższym czasie (ok. 1 s, rys. 11).
Przy takim nastawieniu wyzwalacza W2 należy sprawdzić, czy tak długi czas przepływu prądu zwarciowego t K jest dopuszczalny ze względu na cieplną wytrzymałość
zwarciową przewodów, korzystając z zależności [1, 11]:
Nr 166
15
2
 ks 
 
tK ≤ tKmax =(3)
 IK 
gdzie:
t Kmax – dopuszczalny czas trwania zwarcia,
k – dopuszczalna 1-sekundowa gęstość prądu zwarciowego, zależnie od materiału
żyły i izolacji przewodu [1, 11],
s – przekrój przewodu,
IK – spodziewany prąd zwarciowy.
Znacznie bardziej jednoznacznym rozwiązaniem jest zastosowanie selektywności
czasowej, co przedstawiono na rys. 11 dla wyłączników W2 i W3. Próg zadziałania
wyłącznika W3 jest ustawiony nieco poniżej prądu IKmin3 = 17 kA. Wszystkie zwarcia
w zakresie prądów IKmin3 = 17 kA a IKmax2= 20,5 kA, które wystąpią za wyłącznikiem
W2 patrząc od strony źródła zasilania, wyłączy wyłącznik W2. Wyłącznik W3 nie
zadziała, gdyż ma ustawioną zwłokę czasową. Natomiast jeśli te zwarcia wystąpią
przed wyłącznikiem W2 i wyłącznik ten nie zareaguje, wówczas wyłączy je wyłącznik W3 ze zwłoką czasową ok. 0,1 s.
Podsumowując przykład zilustrowany na rysunku 11 należy stwierdzić, że selektywność prądowa w przypadku układu dwóch wyłączników instalacyjnych jest
rozwiązaniem znacznie mniej doskonałym technicznie od selektywności czasowej.
W instalacjach budynkowych, zwłaszcza w budynkach mieszkalnych przy stosunkowo niewielkich różnicach w stopniowaniu prądów znamionowych wyłączników
instalacyjnych jest ona w praktyce bardzo trudna czy wręcz niemożliwa do zastosowania. Dodatkową trudnością jest w takiej sytuacji brak możliwości nastaw wyzwalaczy wyłączników instalacyjnych do instalacji domowych [8]. Zalecane są w tej
sytuacji dwa rozwiązania:
• zastosowanie bezpiecznika jako zabezpieczenia przed wyłącznikiem patrząc od
strony źródła zasilania,
• zastosowanie wyłącznika instalacyjnego selektywnego (rys. 12).
Wyłącznik instalacyjny selektywny jest przeznaczony zasadniczo do stosowania
jako zabezpieczenie przedlicznikowe w instalacjach domowych i podobnych (rys. 13).
Tor prądowy główny wyłącznika (rys. 12) jest zbocznikowany torem równoległym,
w którym znajdują się szeregowo połączone: szybki wyzwalacz bimetalowy B 2 , rezystor R ograniczający wartość prądu zwarciowego i zestyk K 2 . W przypadku powstania zwarcia w jednym z obwodów instalacji odbiorczej (rys. 13) wyzwalacz elektromagnetyczny M otwiera zestyk K 1 przerywając przepływ prądu w obwodzie głównym.
Prąd zwarciowy płynie jednak nadal przez równoległy tor prądowy B 2 – R – K 2 ,
przy czym rezystor R ogranicza znacznie jego wartość. Jest to czas wystarczający na
selektywne wyłączenie zwarcia przez wyłącznik w dotkniętym zwarciem obwodzie
odbiorczym. Po wyłączeniu zwarcia na przekaźniku S pojawia się pełne napięcie fazowe i przekaźnik ten zamyka otwarty wcześniej zestyk K 1, przywracając prawidłowe zasilanie pozostałym obwodom instalacji odbiorczej.
16
Rys. 12. Schemat układu połączeń jednego bieguna wyłącznika instalacyjnego selektywnego
typu S90 [1]; wyjaśnienie oznaczeń w tekście
5
3
3
5
5
3
3
5
Wewnętrzna linia
zasilająca 1 (WLZ 1)
WS WS
Wyłącznik
instalacyjny
selektywny jako
zabezpieczenie
przedlicznikowe
5
3
3
5
Rozdzielnica
mieszkaniowa
5
Szafka licznikowa
Instalacja odbiorcza
3
kWh WS WS kWh
5
3
WLZ 2
WLZ 3
5
3
5
3
3
5
3
3
5
3
5
R
3
Obwody
Obwody
administracyjne
Rozdzielnica główna budynku
5 (4)
3
Złącze
4
Sieć rozdzielcza nn
Rys. 13. Przykładowe miejsce umieszczenia wyłączników instalacyjnych selektywnych WS, jako
zabezpieczeń przedlicznikowych w wielorodzinnym budynku mieszkalnym
Jeśli jednak w ciągu krótkiego czasu podtrzymania prądu w równoległym torze
prądowym B2 – R – K2 (rząd od ułamka sekundy do kilku sekund) prąd zwarciowy nie zostanie wyłączony przez wyłącznik instalacyjny w instalacji odbiorczej, np.
Nr 166
17
wskutek jego uszkodzenia, to wyzwalacz B 2 spowoduje otwarcie zestyku K 2 i ostateczne przerwanie obwodu. Podobnie wyłącznik selektywny wyłączy obwód w przypadku zwarcia na odcinku pomiędzy miejscem jego zainstalowania a rozdzielnicą
mieszkaniową.
Stosowanie w miejscu zainstalowania wyłączników WS (rys. 13) zwykłych wyłączników instalacyjnych, lecz o większym prądzie znamionowym, w praktyce nie
zapewnia selektywności, gdyż – jak już wyjaśniono – warunek selektywności prądowej w tym przypadku jest niezwykle trudny do spełnienia. Niestety, można się stosunkowo często spotkać z takimi rozwiązaniami, co może jedynie świadczyć o ewidentnych błędach popełnianych przez projektantów.
2.2 Selektywność w układzie wyłącznik – bezpiecznik
Innym często stosowanym rozwiązaniem układu zabezpieczeń w instalacjach
mieszkaniowych jest stosowanie bezpiecznika jako zabezpieczenia przedlicznikowego, jak to widać na dwóch górnych odpływach do instalacji odbiorczych na rys. 13.
Układ ten jest układem o selektywności względnej, zależnej od wartości maksymalnego spodziewanego prądu zwarciowego. Problem polega na tym, że charakterystyka wyłącznika W w każdej sytuacji będzie miała obszar wspólny z charakterystyką
bezpiecznika F (rys. 14), gdyż czas wyłączenia wyłącznika tw ma w przybliżeniu stałą wartość, natomiast czasy wyłączenia dla wyłącznika maleją sukcesywnie wraz ze
wzrostem wartości prądu zwarciowego.
t
F
W
F
wyzwalacz
zimny
wyzwalacz
nagrzany
W
IK
tA 1s
wspólny obszar
działania W i F
tF
tW
IG IKmax1 Igr
IKmax2
IK
Rys. 14. Charakterystyki prądowo-czasowe układu zabezpieczeń wyłącznik (W) – bezpiecznik
(F); Igr – graniczny prąd selektywności układu, IKmax1 – przykładowy maksymalny prąd zwarciowy dla którego układ jest selektywny, IKmax2 – przykładowy maksymalny prąd zwarciowy,
dla którego układ nie jest selektywny; pozostałe oznaczenia jak na poprzednich rysunkach bądź
wyjaśnione w tekście
18
Jeśli przykładowo w jednym z obwodów instalacji odbiorczej maksymalny spodziewany prąd zwarciowy będzie miał wartość IKmax1 (rys. 14), to w tym przypadku układ będzie działał selektywnie. Jeśli natomiast prąd ten przekroczy graniczną
wartość prądu Igr na przecięciu się obydwu charakterystyk, jak to jest przykładowo
w przypadku prądu IKmax2 , to układ nie będzie układem selektywnym. W tej sytuacji
jest to jedynie kwestią przypadku jak przy konkretnych prądach zwarciowych, które
mogą być równe maksymalnemu IKmax2 bądź od niego znacznie mniejsze, czy układ
zadziała selektywnie czy też nie. Ponadto charakterystyki prądowo-czasowe wyłącznika i bezpiecznika powinny być rozsunięte na określoną wartość czasu tA (margines
bezpieczeństwa), jak to uwidoczniono na rysunku 14.
Większość producentów wyłączników instalacyjnych podaje obecnie wartości
prądu granicznego Igr (rys. 14) z punktu widzenia selektywnego działania układu
wyłącznik instalacyjny – bezpiecznik, dla określonych typów bezpieczników, zwykle gL lub gG. Przykładowe wartości takich prądów granicznych podano w tabeli 2.
Przykładowo dla wyłącznika o prądzie znamionowym INW = 16 A i bezpiecznika
o prądzie znamionowym INF = 25 A układ zabezpieczenia jest selektywny dla prądów zwarciowych do 0,68 kA. Dla prądów przekraczających tę wartość układ nie
zapewnia selektywności.
Tabela 2. Graniczne wartości prądów zwarciowych (Igr, rys. 14) w kA, przy których spełnione
są jeszcze warunki selektywnego działania zabezpieczeń zwarciowych o układzie bezpiecznik
– wyłącznik instalacyjny typu S190B [12]
INW
[A]
6
10
13
16
20
25
32
40
25
1,0
0,78
0,74
0,68
0,65
35
1,7
1,4
1,4
1,4
1,28
1,23
50
3,0
2,7
2,2
2,2
2,1
1,9
1,84
INF [A]
63
80
3,5
6
3,3
6
3,1
5,5
3,1
4,5
2,9
3,8
2,9
3,2
2,85
2,8
2,7
2,4
50
63 Prąd zwarcia w kA
INW – prąd znamionowy ciągły wyłącznika
INF – prąd znamionowy bezpiecznika typu gG
100
6
6
6
6
6
6
5
4
125
6
6
6
6
6
6
6
6
160
6
6
6
6
6
6
6
6
4
6
6
4
6
6
Układ połączeń
INF
IK
Problem takiego rozwiązania układu zabezpieczenia jest szczególnie trudny
w krajowych realiach zasilania budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej,
gdy dostawca energii określa wartość bezpiecznika przedlicznikowego w oparciu
o moc zamówioną przez odbiorcę. W takiej sytuacji projektant staje niejednokrotnie
przed trudnym dylematem zapewnienia selektywności układu, nie mogąc zwiększyć
prądu znamionowego bezpiecznika ponad wartość wskazaną przez spółkę dystrybucyjną. Pożądane byłoby, aby parametry zabezpieczeń nadprądowych w instalacji wynikały z wymogów technicznych jej wymiarowania, do których należy m.in.
Nr 166
19
warunek selektywnego działania zabezpieczeń [10]. Przykładowo w Niemczech jest
powszechnie przyjęte, że bezpiecznik przedlicznikowy nie powinien mieć wartości
mniejszej niż 63 A, przez co zapewnia się selektywne działanie zabezpieczeń dla typowych układów zasilania.
2.3 Selektywność w układzie bezpiecznik – wyłącznik
Warunki selektywności czasowo-prądowej w układzie bezpiecznik – wyłącznik
przedstawiono na rysunku 15. Taki zestaw zabezpieczeń spotykany jest najczęściej
w instalacjach przemysłowych, gdzie po stronie niskiego napięcia transformatora
jest wyłącznik, natomiast wiele pól odpływowych jest zabezpieczone bezpiecznikami. Brak części wspólnych charakterystyk prądowo-czasowych oraz zastosowanie odpowiedniego marginesu bezpieczeństwa (czas tA , rys. 15), jest podstawowym
warunkiem selektywności w tym przypadku. Graniczne wartości czasu tA podano
na rysunku 15. Należy ponadto zwrócić uwagę na to, że katalogi wyłączników podają zwykle charakterystykę wyzwalacza termobimetalowego dla stanu zimnego.
Przy porównaniu tej charakterystyki (W, rys. 15) z charakterystyką bezpiecznika (F,
rys. 15) należy wziąć pod uwagę charakterystykę wyzwalacza nagrzanego, a więc dla
czasów zadziałania krótszych o ok. 25% [2] w stosunku do charakterystyki wyzwalacza zimnego (rys. 15).
t
W
F
W
wyzwalacz
zimny
wyzwalacz
nagrzany
tA
tA
F
IK1
odbiorniki
0,1 s dla wyzw. elektronicznych
0,15 s dla wyzw. elektromagnetycznych
tW
tF
IG1 IK1
IG2
IK
Rys. 15. Charakterystyki prądowo-czasowe zabezpieczeń układu bezpiecznik – wyłącznik, ilustrujące warunek selektywnego działania; objaśnienie oznaczeń jak na poprzednich rysunkach
Jeżeli za wyłącznikiem znajduje się większa liczba pól odpływowych zabezpieczonych bezpiecznikami (rys. 16), to spełnienie warunku selektywności należy rozpocząć od bezpiecznika o największym prądzie znamionowym. W sytuacji z rysunku
16 jest to bezpiecznik 63 A. Spełnienie warunku selektywności dla tego pola odpływowego oznacza, że bezpieczniki we wszystkich pozostałych polach odpływowych,
o prądach znamionowych mniejszych od 63 A, będą również działały selektywnie.
20
F1a
35A
W
IN = 630A
F1b
63A
F1c
25A
IK1
odb. 1
odb. 2
odb. 3
Rys. 16. Przykład układu, w którym większa liczba pól zabezpieczonych bezpiecznikami (F1a,
F1b, F1c) powinna spełnić warunek selektywności z poprzedzającym je wyłącznikiem W
W niektórych przypadkach, gdy spodziewany prąd zwarciowy IK ma wartość
bliską prądowi zadziałania wyzwalacza zwarciowego (IG) wyłącznika W lub ją przekracza i wartość prądu IK wykracza poza zakres określony charakterystyką prądowo--czasową bezpiecznika (rys. 17), należy dokonać sprawdzenia selektywności
układu bezpiecznik – wyłącznik w oparciu o charakterystykę prądu ograniczonego
bezpiecznika. Sytuację taką zilustrowano na rysunkach 17 i 18, w odniesieniu do
układu z rysunku 16. Jeśli wartość prądu zwarciowego IK jest równa lub przekracza
prąd zadziałania wyzwalacza IG = 6000 A, to charakterystyka prądowo-czasowa nie
pozwala na jednoznaczną ocenę selektywności, gdyż wartość prądu zwarciowego wykracza poza zakres charakterystyki bezpiecznika, której górna obwiednia jest określona dla maksymalnych prądów ok. 3200 A (rys. 17). Korzystając z charakterystyki
prądu ograniczonego (rys. 18) należy odczytać wartość prądu ograniczonego i ogr bezpiecznika (w tym przypadku o prądzie znamionowym INF1b = 63 A) odpowiadającą progowi wyzwolenia IG = 6 kA (niebieska linia na rysunku 18). Prąd ten wynosi
iogr = 4,2 A, co jest wartością mniejszą od 6 kA. Oznacza to, że bezpiecznik ograniczy
prąd zwarciowy na poziomie 4,2 kA i nie dojdzie do wyzwolenia wyzwalacza wyłącznika, czyli selektywność układu zostanie zachowana. Warunek: iogr < IG jest konieczny do uzyskania selektywności w omawianym przypadku.
Dodatkowo na rysunku 18 szarą linią oznaczono graniczną, z punktu widzenia
selektywności, wartość spodziewanego prądu zwarciowego w przypadku, gdyby prąd
ograniczony rozpatrywanego bezpiecznika był na poziomie iogr = 6 kA. Oznacza to,
że w takiej sytuacji selektywność omawianego układu byłaby zachowana do wartości
spodziewanego prądu zwarciowego równego ok. 20 kA.
Nr 166
21
104
102
)
0A
(63
)
(63 A
103
W
F1b
t
101
100
10-1
10-2
10-3
102
2
4
6 8 103
2
6 8 104
4
2
A 105
4
IG = 6 kA
IK
Rys. 17. Charakterystyki prądowo-czasowe do sprawdzenia selektywności układu z rys. 16
400
[kA]
200
100
ip, iogr 80
60
40
iogr = 4,2 kA
20
10
8
6
50 A
A
100
A
80
63 A
4
2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0,1
0,1
0,2
0,4
1
2
4
10
20
IK = 6 kA
40 [kA]100
I
Rys. 18. Charakterystyka prądu ograniczonego wybranych bezpieczników, ilustrująca warunek
selektywnego działania zabezpieczeń w układzie z rysunku 16, przy uwarunkowaniach przedstawionych na rysunku 17
22
2.4 Selektywność w układzie bezpiecznik – bezpiecznik
Podstawowym warunkiem selektywnego działania zabezpieczenia bezpiecznik
(F1) – bezpiecznik (F2) (rys. 19) jest brak części wspólnych charakterystyk prądowo-czasowych obydwu połączonych szeregowo bezpieczników. Z przedstawionych
na rysunku 7 charakterystyk bezpieczników widać, że pasma charakterystyk bezpieczników o sąsiadujących ze sobą wartościach prądów znamionowych zachodzą
na siebie. Wynika stąd, że zastosowane jako F1 i F2 (rys. 19) dwa bezpieczniki o kolejnych prądach znamionowych nie zapewniają selektywności. Dopiero bezpieczniki
o co drugim prądzie znamionowym, tak jak to zestawiono na górnej i dolnej części
rysunku 7, zapewniają selektywne działanie układu F1 – F2. W praktyce sprowadza
się to do spełnienia warunku [1, 2]:
I NF2 (4)
≥ 1,6
I NF1
gdzie: INF1 , INF2 – prądy znamionowe bezpieczników F1 i F2.
Zależność (4) jest słuszna, jeśli porównujemy ze sobą bezpieczniki tego samego
typu. Porównanie prądów znamionowych bezpieczników różnych typów, np. gL
i gG może prowadzić do błędnych wniosków co do selektywności układu.
Jeżeli prąd zwarciowy w zabezpieczanym obwodzie jest na tyle duży, że dochodzi
do ograniczenia prądu zwarciowego przez bezpiecznik, to czasy wyłączenia są krótsze od jednego okresu częstotliwości sieciowej, czyli krótsze od 10 ms, a tym samym
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 I2 t bezpieczników (rys. 8) lub
bezpośrednio porównaniem wartości całek Joule’a:
I 2t (F2) > I 2t (F1)(5)
Charakterystyki pasmowe całek Joule’a bezpieczników o sąsiednich wartościach
prądów znamionowych zwykle mają pola wspólne (rys. 8), stąd dobór taki sprowadza
się zwykle do uwzględnienia bezpieczników o co najmniej drugim z kolei prądzie
znamionowym. Przykładowo z charakterystyk przedstawionych na rysunku 8 wynika, że bezpiecznik o INF = 25 A nie jest selektywny z bezpiecznikiem o INF = 35 A,
natomiast jest selektywny z bezpiecznikiem o INF = 50 A.
Charakterystyki całek Joule’a są określone również dla wyłączników, przy czym
są to charakterystyki rosnące liniowo w osiach log/log. Na rysunku 8 przedstawiono
charakterystyki całki Joule’a wyłączania wyłączników instalacyjnych. Punkt przecięcia się tych charakterystyk z charakterystykami przedłukowymi bezpieczników
oznacza maksymalną wartość prądu zwarciowego, dla którego układ wyłącznik –
bezpiecznik (podobnie jak na rysunku 14) jest selektywny. Przykładowo wyłącznik
W16 jest selektywny z bezpiecznikiem o INF = 35 A dla prądów zwarciowych nie
przekraczających wartości ok. 1,5 kA.
Nr 166
23
F1
t
F2
F2
F1
IK1
odbiorniki
tF2
tF1
IK1
IK
Rys. 19. Charakterystyki prądowo-czasowe zabezpieczeń układu bezpiecznik (F1) – bezpiecznik (F2), ilustrujące warunek selektywnego działania; t F1 , t F2 – zakres czasów wyłączenia prądu
zwarciowego IK1 odpowiednio dla bezpieczników F1 i F2
2.5Selektywność działania zabezpieczeń w obwodach rozgałęzionych, wielostronnie zasilanych
Obwody wielostronnie zasilane są rzadko spotykane w instalacjach niskiego napięcia, niemniej jednak sporadycznie można się spotkać z zagadnieniem sprawdzenia
w nich selektywności. Analizę taką przeprowadza się zwykle rozpatrując kilka linii
zasilających jeden węzeł sieci, z którego zasilany jest rozpatrywany fragment instalacji (rys. 20). Warunek selektywnego działania zabezpieczeń polega w tym przypadku
na przepaleniu się bezpieczników F4 i F7 (rys. 20), znajdujących się najbliżej miejsca
zwarcia, przy pozostałych bezpiecznikach sprawnych. Spełniona jest przy tym relacja:
I K4 = I K1 + I K2 + I K3
oraz I K7 = I K5 + I K6
(6)
Selektywność będzie zachowana, jeśli spełniony będzie następujący warunek [2]:
I K1 I K2 I(7a)
,
, K3 < 0,8
I K4 I K4 I K4
dla prądu IK4 , oraz
dla prądu IK7.
24
I K5 I K6(7b)
,
< 0,8
I K7 I K7
F1
F6
IK1
F2
IK6
F4
IK2
IK3
F3
IK4
IK7
F7
IK5
F5
Rys. 20. Układ ilustrujący zasadę selektywności w obwodach rozgałęzionych, wielostronnie zasilanych
W przypadku zabezpieczenia układów wielostronnie zasilanych wyłącznikami,
selektywność uzyskuje się przez zastosowanie zasad selektywności czasowej oraz
z wykorzystaniem kierunku przepływu prądu zwarciowego.
2.6Wybrane aspekty selektywności działania zabezpieczeń nadprądowych po
stronie niskiego (nn) i średniego napięcia (SN) w stacji transformatorowej
W stacjach transformatorowych SN/nn często stosowanym rozwiązaniem, głównie w komunalnych sieciach rozdzielczych, jest zabezpieczenie transformatora po
stronie średniego napięcia bezpiecznikami współpracującymi z rozłącznikiem (rys.
21), natomiast po stronie niskiego napięcia wyłącznikiem, poniżej którego znajdują
się pola odpływowe zabezpieczone bezpiecznikami.
Zagadnienie to zostanie omówione na przykładzie przedstawionym na rys. 21,
w którym należy dokonać sprawdzenia selektywności układu bezpiecznik F1 – wyłącznik W po stronie niskiego napięcia oraz selektywności zabezpieczeń wyłącznika
W z bezpiecznikiem wysokiego napięcia F2. Sprawdzenie selektywności F1 – W zostało omówione we wcześniejszej części artykułu, natomiast w tym miejscu skupiono
się na zagadnieniu selektywności układu W – F2 (rys. 21).
Powszechnie stosowane bezpieczniki wysokiego napięcia mają charakterystyki
niepełnozakresowe (rys. 22), tj. część charakterystyki oznaczona linią ciągłą oznacza zakres działania bezpiecznika przy wyłączaniu prądów zwarciowych, natomiast
część oznaczona linią przerywaną oznacza zakres prądów przeciążeniowych, w którym producent nie gwarantuje poprawnego działania bezpiecznika. Należy unikać
pracy bezpiecznika w zakresie prądów przeciążeniowych, gdyż długo palący się łuk
przy niewielu miejscach przetopienia topika może doprowadzić do eksplozji bezpiecznika. Obydwa zakresy są rozgraniczone prądem IAmin, który jest najmniejszym
Nr 166
25
prądem jaki przez bezpiecznik powinien być wyłączany. Selektywne działanie układu W-F2 wymaga w tym przypadku, aby:
• punkt przecięcia się obydwu charakterystyk prądowo-czasowych znajdował się
w zakresie prądów większych od IAmin,
• maksymalny prąd zwarciowy nie przekraczał punktu przecięcia się charakterystyki bezpiecznika F2 i wyłącznika W, w skali, w której prąd jednej strony transformatora jest przeliczony przez jego przekładnię na stronę drugą.
Strefa ochrony zabezpieczenia bezpiecznikiem SN (F2)
UN = 20 kV
F2
INF2 = 63 A
SNT = 400 kVA
20/0,4 kV
∆uK = 4%
INT = 580 A
W
INW = 630 A
INF = 250 A
INF = 160 A
IK min = 13,5 kA
F1
INF1 = 400 A
Selektywność sprawdzamy dla bezpiecznika
o największym prądzie znamionowym
Rys. 21. Schemat przykładowego rozwiązania zabezpieczeń w stacji transformatorowej SN/nn
w sieci komunalnej
26
t [s]
101
10-1
10-2
V
0k
=2
A
U N = 63
I NF
100
IA min
230 A
I
Rys. 22. Szkic przykładowej charakterystyki bezpiecznika wysokiego napięcia (objaśnienia
oznaczeń w tekście)
Na rysunku 23 przedstawiono charakterystykę prądowo-czasową ilustrującą
analizę selektywności działania zabezpieczeń w układzie z rysunku 21. Selektywność układu bezpiecznik F1 – wyłącznik W jest zapewniona przez odstęp czasu ∆t
≈ 100 ms pomiędzy obydwiema charakterystykami. Prąd IAmin przeliczony na stronę
niskiego napięcia transformatora wynosi:
20 kV
I A min( nn) = 230 A⋅ (8)
= 11, 5 kA
0,4 kV
Spodziewana wartość maksymalnego prądu zwarciowego po stronie niskiego napięcia:
I K max =
580 A
I NT
100% = (9)
100% = 14 ,5 kA
∆uk %
4%
gdzie:
INT jest prądem znamionowym transformatora, a ∆uK% jest napięciem zwarcia transformatora.
Ze względu na rozrzut charakterystyki bezpiecznika wysokiego napięcia, spodziewany maksymalny prąd zwarciowy IKmax powinien być większy od powiększonego o 25% prądu IAmin:
I A min ⋅ 25% = 11,5 kA ⋅ 25% = 14 ,38 kA(10)
I Amin ≤ I k max(11)
Warunek ten jest spełniony.
Przecięcie się charakterystyki bezpiecznika F2 z charakterystyką wyłącznika
W leży poniżej punktu B, w którym następuje przecięcie się wartości maksymalnego
prądu zwarciowego IKmax = 14,5 kA z charakterystyką wyłącznika. Oznacza to, że
w omawianym przykładzie selektywność zabezpieczeń nadprądowych jest zachowana.
Nr 166
27
104
)
0A
(63
103
W
)
00 A
F1 (4
t
102
IKmax = 14,5 kA
101
100
∆ t = 100 ms
10-2
10-3
102
2
4
6 8 103
B
2
IG = 6,3 kA
2
4
4
6 8 104
2
4
IAmin = 230 A
40
80 120 200 400 800
8 12 20
(skala dla UN = 20 kV)
IK [A]
A 105
IK
1200
1400
2000
10-1
Rys. 23. Ilustracja sprawdzenia selektywności działania zabezpieczeń strony niskiego i średniego napięcia w stacji transformatorowej z rysunku 21
3. Podsumowanie
Selektywne działanie zabezpieczeń nadprądowych w instalacjach elektrycznych
jest jednym z warunków ich prawidłowego zaprojektowania i funkcjonowania. W artykule omówiono wybraną grupę podstawowych kryteriów wymiarowania instalacji
dotyczącą spełnienia tych warunków.
4. Literatura
1. Markiewicz H. Instalacje elektryczne. WNT, Warszawa 2008.
2. Seip G.G. Electrical installations handbook. John Wiley & Sons, Publics MCD
Verlag, Third Edition 2000.
3. PN-EN 60269-1:2008 Bezpieczniki topikowe niskonapięciowe – Część 1: Wymagania ogólne.
4. PN-EN 60269-2:2003 Bezpieczniki topikowe niskonapięciowe – Część 2: Wymagania dodatkowe dotyczące bezpieczników przeznaczonych do wymiany przez
osoby wykwalifikowane (bezpieczniki głównie do stosowania w przemyśle).
28
5. PN-EN 60269-3:1997 Bezpieczniki topikowe niskonapięciowe – Część 3: Wymagania dodatkowe dotyczące bezpieczników instalacyjnych przeznaczonych do
stosowania przez osoby niewykwalifikowane (bezpieczniki głównie dla gospodarstw domowych i podobnych zastosowań).
6. PN-EN 60947-1:2006 Aparatura rozdzielcza i sterownicza niskonapięciowa –
Część 1: Postanowienia ogólne.
Część2: Wyłączniki.
8. PN-EN 60898-1:2007 Sprzęt elektroinstalacyjny – Wyłączniki do zabezpieczeń
przetężeniowych instalacji domowych i podobnych – Część 1: Wyłączniki do
obwodów prądu przemiennego.
Część 8: Urządzenia sterujące zabezpieczeń termicznych (PTC) wbudowanych
w maszyny wirujące.
10.Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, Dz.
U. Nr 75, poz. 690, z późniejszymi zmianami: z 2003 r.: Dz. U. Nr 33, poz. 270,
z 2004 r.: Dz. U. Nr 109, poz. 1156 oraz z 2008 r.: Dz. U. Nr 201, poz. 1238.
11.PN-IEC 60364-4-43:1999 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych –
Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa – Ochrona przed prądem przetężeniowym.
12.N SEP-E- 002 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Instalacje elektryczne w obiektach mieszkalnych. Podstawy planowania. Wytyczne i komentarz. COSiW SEP 2003.
Nr 166
29

Nr 166 3 Antoni KlAjn ZABEZPIECZEnIA nADPRĄDOWE W

Transkrypt

Podobne dokumenty

Magnetyczny wyłącznik bezpieczeństwa - FURTIF AMX

Alternatywne układy chromatografu preparatywnego/procesowego

Symulacja instalacji 3kW z kredytem (kliknij sprawdź)

CO POWINNO ZANIEPOKOIĆ RODZICÓW?