Dobezpieczanie bezpiecznikami

Dr inż. Edward Musiał
Politechnika Gdańska
Dobezpieczanie bezpiecznikami
W większości zastosowań od zabezpieczeń nadprądowych wymaga się zdolności wyłączania
wszelkich prądów przetężeniowych, od niedużego prądu przeciążeniowego do największego
spodziewanego prądu zwarciowego. Jeżeli spełnienie tego wymagania przez pojedyncze
urządzenie zabezpieczające jest niemożliwe lub nieracjonalne, to stosuje się dobezpieczanie.
Urządzenie zabezpieczające o potrzebnej większej zdolności wyłączania dobezpiecza
(wspomaga) urządzenie o mniejszej zdolności wyłączania, ale bywa też na odwrót. Technika
dobezpieczania zaczęła się ponad pół wieku temu od bezpieczników i nadal są one ważnym
i nieodzownym narzędziem tej procedury.
1. Dobezpieczanie indywidualne i grupowe
Dobezpieczanie (ang. back-up protection , niem. Vorsicherung) polega na tym, że instaluje
się urządzenie wyłączające, które nie jest w stanie wyłączyć określonych prądów
(największych prądów zwarciowych) i obarcza się tym inne urządzenie, spełniające rolę
dobezpieczenia, czyli zabezpieczenia wspomagającego (rys. 1).
Rys. 1. Dobezpieczanie w tym samym obwodzie, bez uszczerbku dla wybiorczości:
a) rozrusznik bezpośredni; b) wyłącznik z ogranicznikiem topikowym A urządzenie
wyłączające o zdolności wyłączania mniejszej niż największy spodziewany prąd
zwarciowy; D dobezpieczenie
Zabezpieczenie wspomagające może być częścią tej samej konstrukcji zespolonej
(np. w wyłączniku dobezpieczonym ogranicznikami topikowymi rys. 1b), a może być
osobnym urządzeniem zainstalowanym w tym samym obwodzie (rys. 1a) lub w obwodzie
poprzedzającym. W ostatnim przypadku dochodzi do niewybiorczego wyłączenia również
obwodów, które nie są dotknięte uszkodzeniem. Dobezpieczenie grupowe, w obwodzie
poprzedzającym, za pomocą bezpieczników uniemożliwia osiągnięcie wybiorczości
całkowitej. Stosuje się do tego celu raczej wyłączniki, zwłaszcza wyłączniki odskokowe lub
inne wyłączniki umożliwiające szybkie samoczynne ponowne załączenie.
2. Dobezpieczanie rozłączników
Najczęściej spotykanym przypadkiem jest zestaw, w którym bezpiecznik i stycznik dzielą się
rolami przy wyłączaniu przetężeń:
rozrusznik bezpośredni złożony z bezpieczników, stycznika
przekaźnika przeciążeniowego termobimetalowego.
zestykowego i
pierwotnego
1
Przekaźnik termobimetalowy pierwotny, nastawiony na prąd z zakresu (1,0÷1,1) ×InM
powinien zadziałać w razie przeciążenia silnika (o prądzie znamionowym InM i prądzie
rozruchowym ILR) oraz w razie jego zahamowania (utknięcia wirującego silnika albo
załączenia silnika o zakleszczonym wirniku). Oznacza to, że w razie jakichkolwiek stanów
zakłóceniowych, których przyczyną nie jest uszkodzenie izolacji (zwarcie), wyłączenie
obwodu powinien inicjować przekaźnik przeciążeniowy, a nie bezpiecznik.
Rys. 2. Charakterystyka działania (1)
i charakterystyka obciążalności cieplnej (2)
pierwotnego przekaźnika termobimetalowego
(przekaźnik jest self-protecting w zakresie
prądów mniejszych niż Ia)
Rys. 3.
Charakterystyka
działania
bezpiecznika niepełnozakresowego aM
o najmniejszym prądzie wyłączalnym
Inmin (bezpiecznik jest self-protecting
w zakresie prądów większych niż Inmin)
Przekaźnik pierwotny (o termobimetalach w obwodzie głównym) podczas zwarcia jest
poddany tej samej całce Joule'a, co i inne elementy obwodu, a ponieważ ma szczególnie dużą
rezystancję (grzejników i/lub termobimetali) jest na nią szczególnie wrażliwy. Przekaźnik
zabezpiecza sam siebie (ang. self-protecting, niem. eigenfest), inicjuje wyłączenie prądu
przetężeniowego zanim on go uszkodzi, ale dzieje się tak (rys. 2) tylko do pewnej wartości
prądu Ia z przedziału (8 ¸20) ×InM, przy czym InM jest górnym prądem nastawczym
przekaźnika. Przy prądzie większym przekaźnik zostaje pobudzony, termobimetale zaczynają
się wyginać, ale zanim dojdzie do otwarcia zestyku przekaźnika i wyłączenia prądu przez
stycznik (o czasie wyłączania rzędu kilkudziesięciu milisekund) w przekaźniku następują
nieodwracalne uszkodzenia: nadtopienie grzejnika, upalenie lutowanych lub zgrzewanych
połączeń czy chociażby trwałe odkształcenie termobimetali nagrzanych powyżej temperatury
granicznej dopuszczalnej przy zwarciu.
Takie zagrożenie występuje w zakresie prądów, w którym charakterystyka t-I obciążalności
cieplnej przekaźnika leży poniżej jego charakterystyki działania (rys. 2). W tym zakresie
poniżej charakterystyki obciążalności cieplnej przekaźnika powinna się znaleźć
charakterystyka t-I wyłączania bezpiecznika albo inaczej całka Joule'a I2t wyłączania
bezpiecznika powinna być mniejsza niż całka Joule'a I2t wytrzymywana przez przekaźnik.
Jeżeli nie jest to możliwe, bo bezpiecznik ma zbyt duży prąd znamionowy ze względu na
przetrzymywanie prądów rozruchowych, to do zabezpieczenia przeciążeniowego trzeba użyć
aparatu, który nie stawia podobnych ograniczeń: przekaźnika termobimetalowego wtórnego,
o termobimetalach w obwodzie wtórnym przekładników prądowych szybko nasycających się
albo przekaźnika nadprądowego elektronicznego, albo czujników temperatury.
2
Bezpiecznik powinien mieć prąd znamionowy Inb jak najmniejszy, ale wystarczający do
przetrzymywania wszelkich prądów normalnego użytkowania i w zasadzie powinien
interweniować tylko w razie zwarcia. Można przyjąć, że bezpiecznik ogólnego przeznaczenia
(g) jest self-protecting przy każdym prądzie wywołującym zadziałanie, natomiast bezpiecznik
o niepełnozakresowej zdolności wyłączania ( a) tylko przy prądzie niemniejszym niż
najmniejszy prąd wyłączalny Inmin (rys. 3). Jeżeli w obwodzie wystąpi prąd przetężeniowy
mniejszy, powinien być wyłączony przez stycznik pobudzony przekaźnikiem
przeciążeniowym zanim dojdzie do przepalenia topika. Innymi słowy, przy prądzie I < Inmin
czas działania przekaźnika powiększony o czas wyłączania stycznika powinien być mniejszy
niż czas przedłukowy bezpiecznika. W obwodzie silnikowym trzeba postawić ostrzejsze
wymaganie: najmniejszy prąd wyłączalny bezpiecznika powinien być mniejszy niż prąd
zahamowanego silnika ILR, i to przy napięciu obniżonym do 0,85×Un, aby bezpiecznik mógł
wyłączyć ten prąd, gdyby zawiódł przekaźnik przeciążeniowy.
Punkt przecięcia liniowych (średnich) charakterystyk t-I przekaźnika przeciążeniowego
i bezpiecznika (rys. 4) wyznacza na osi odciętych I prąd przełomowy Ic (ang. take-over
current). Przy prądzie o wartości zbliżonej do Ic mogą zadziałać oba zabezpieczenia, przy
prądzie wyraźnie mniejszym (I<=L 0,75 ×Ic) powinien zadziałać tylko przekaźnik
przeciążeniowy, a przy prądzie wyraźnie większym (I>=1,25 ×Ic) - tylko bezpiecznik. Jeżeli
w obwodzie
jest pierwotny przekaźnik termobimetalowy, to
bezpiecznik
powinien dobezpieczać go przy większych prądach przetężeniowych. W tym celu prąd
przełomowy Ic powinien być mniejszy niż prąd, powyżej którego przekaźnik przestaje być
self-protecting (Ic < Ia).
Rys. 4. Zasady koordynacji elementów rozrusznika bezpośredniego: stycznika,
przekaźnika termobimetalowego i bezpiecznika niepełnozakresowego:
1-charakterystyka prądu obciążenia, 2-charakterystyka
przekaźnika termobimetalowego, 3-charakterystyka bezpiecznika, 4-charakterystyka
przekaźnika różnicowoprądowego.
Warunki koordynacji: Inmin < Ic < Ia oraz Inmin < ILR Wymagany prąd wyłączalny
stycznika co najmniej Ic (co najmniej Id, jeśli występuje przekaźnik o charakterystyce 4).
Stycznik
o
mieć zdolność
znamionowym
przewodzenia prądu
prądzie
łączeniowym
Ie
powinien
i zdolność łączenia w odpowiedniej kategorii
3
użytkowania dobraną do odbiornika i jego trybu pracy. Podawane dalej informacje dotyczą
kategorii AC-3 (rozruch bezpośredni, wyłączanie silnika wirującego).
W przypadku zwarcia oporowego stycznik może być narażony na wyłączanie prądu
większego, osiągającego wartość prądu przełomowego Ic, a nawet prądu jeszcze większego
(Id na rys. 4), jeśli jest w obwodzie bezzwłoczny lub krótkozwłoczny przekaźnik reagujący
przy niektórych przetężeniach. Może to być przekaźnik różnicowoprądowy, w układzie TN
pobudzany przy wielkoprądowych zwarciach doziemnych. Analizując zestawienie
charakterystyk t-I poszczególnych zabezpieczeń obwodu można wskazać wymagany prąd
wyłączalny stycznika.
W razie przepływu prądu zwarciowego przez tory główne stycznika najbardziej narażone są
miejsca styczności styków. O tym, czy nastąpi ich uszkodzenie (sczepienie, wypalenie)
decyduje jak w każdym łączniku zestykowym złożona gra zjawisk cieplnych
i elektrodynamicznych. Tylko w uproszczeniu określa się to podając wytrzymywane wartości
całki Joule'a I2t i prądu szczytowego ins, które powinny być niemniejsze niż całka Joule'a
wyłączania I2t w i prąd ograniczony io zastosowanego bezpiecznika. Jeśli wytwórca określił
największy dopuszczalny prąd znamionowy bezpiecznika określonej klasy, to wolno
zastosować inny bezpiecznik, którego obydwa wspomniane parametry są niewiększe.
Podobnie należy rozumować wymieniając w starym urządzeniu niegdysiejsze bezpieczniki na
nowe, nawet pochodzące od tego samego wytwórcy, bo od czasu dostawy wytwórca mógł
zmienić konstrukcję i parametry wkładek bezpiecznikowych.
W przypadku stycznika elektromagnesowego dochodzi kolejna komplikacja, jeśli obwód
sterowniczy jest zasilany bezpośrednio z obwodu głównego i nie ma żadnych
(np. kondensatorowych) zasobników energii. Zwarciu towarzyszy obniżenie napięcia,
zmniejszenie siły przyciągania elektromagnesu napędowego i ew. zmniejszenie docisku
zestykowego, co wzmaga narażenia styków. Tymczasem wyniki badań obciążalności
zwarciowej styczników i koordynacji z zabezpieczeniami zwarciowymi pochodzą z prób,
w których napięcie sterownicze pochodzi z obcego źródła i ma wartość znamionową
niezależnie od obciążenia torów głównych.
Spełnienie przedstawionych wymagań, warunkujących należytą koordynację części
składowych rozrusznika, powinno być sprawdzone doświadczalnie. Tylko wyniki
eksperymentu mogą być podstawą doboru elementów zestawu i szacowania obciążalności
zwarciowej w innych, podobnych warunkach. Kompletne badania koordynacji obejmują trzy
próby:
1) Próba przy prądach o wartości zbliżonej do prądu przełomowego Ic: przy 0,75 ×Ic aby
sprawdzić, że wyłączenie powoduje przekaźnik przeciążeniowy bez udziału bezpiecznika
oraz przy 1,25 ×Ic, aby upewnić się, że wyłącza bezpiecznik przed zadziałaniem stycznika
pobudzonego przekaźnikiem przeciążeniowym. W następstwie próby nie powinna nastąpić
zmiana charakterystyki działania przekaźnika przeciążeniowego.
2) Próba przy spodziewanym prądzie zwarciowym Ir o wartości odpowiadającej przeciętnym
warunkom instalowania (np. 5 kA dla rozruszników o znamionowym prądzie łączeniowym od
63 do 125 A), przy której można oczekiwać szczególnie ostrych narażeń cieplnych zestawu.
Próbę wykonuje się dwukrotnie. Raz przy pojawieniu się prądu Ir w obwodzie, w którym
wszystkie łączniki są zamknięte, a drugi raz - przez załączenie stycznika na zwarcie.
Każdorazowo poprawnego wyłączenia powinny dokonać bezpieczniki.
4
3) Próba przy znamionowym wytrzymywanym prądzie zwarciowym Iq, deklarowanym przez
wytwórcę, jeśli jest on większy od prądu Ir. Z relacji Iq > I r wynika, że prąd ograniczony
przepuszczony przez bezpiecznik jest większy i że stromość prądu Iq jest większa niż prądu Ir,
wobec czego ewentualny odrzut styków następuje wcześniej i przy większej wartości prądu.
Próbę wykonuje się dwukrotnie, podobnym trybem jak poprzednią i podobnie interpretuje jej
wynik. Bywają rozruszniki, również o małym prądzie łączeniowym Ie, którym wytwórcy
przypisują znamionowy wytrzymywany prąd zwarciowy Iq na poziomie 100 kA,
wystarczający w każdym zastosowaniu.
W następstwie prób określa się zdolność działania rozrusznika w określonych warunkach
zwarciowych przez przypisanie mu jednego z dwóch typów koordynacji. W obu wymaga się,
aby w przypadku przetężenia nastąpiło skuteczne wyłączenie prądu bez zagrożenia dla ludzi
lub urządzeń, np. w wyniku otwarcia drzwi lub pokrywy obudowy na skutek wydmuchu, bez
uszkodzenia przewodów lub zacisków i bez pęknięcia lub złamania podstawy izolacyjnej;
obudowa może ulec odkształceniu, ale powinna dać się otworzyć. Różnice są następujące:
Typ 1 koordynacji dopuszcza, że po wyłączeniu zwarcia rozrusznik nie nadaje się do dalszej
pracy, lecz wymaga wymiany stycznika i/lub przekaźnika przeciążeniowego. Powszechnie się
to akceptuje, bo w należycie utrzymanych urządzeniach intensywność zwarć ocenia się na ok.
0,05 a -1, tzn. rozrusznik odczuwa bliskie zwarcie średnio raz na 20 lat. Tak wykonuje się
większość sprzedawanych w świecie rozruszników poza USA i Kanadą, gdzie preferuje się
typ 2 koordynacji.
Typ 2 koordynacji wymaga, aby po wyłączeniu zwarcia rozrusznik nadawał się do dalszej
eksploatacji. Dopuszcza się sczepienie styków pod warunkiem, że są one dostępne i dają się
łatwo rozdzielić, np. wkrętakiem, a ich powierzchnie nie są zdeformowane w stopniu
uniemożliwiającym dalszą pracę. Zapewnienie typu 2 koordynacji zwykle polega na
zastosowaniu stycznika o większym znamionowym prądzie łączeniowym niż przy typie
1 koordynacji oraz zastąpieniu pierwotnego przekaźnika termobimetalowego przekaźnikiem
wtórnym termobimetalowym albo elektronicznym i/lub na zastosowaniu bezpiecznika
o mniejszym prądzie ograniczonym i mniejszej całce I2t wyłączania.
W wyniku prób podaje się największy dopuszczalny prąd znamionowy bezpiecznika
określonej klasy, stanowiącego poprawne dobezpieczenie rozrusznika. Powinno się też
podawać największe dopuszczalne wartości prądu ograniczonego i całki Joule'a wyłączania,
informacje przydatne w razie konieczności zastosowania bezpiecznika innej klasy.
Jeżeli stycznik ma przekaźnik termobimetalowy wtórny albo przekaźnik przeciążeniowy
elektroniczny, to z powyższych rozważań znika prąd Ia oraz krzywa 2 na rys. 2; nie ma obawy
przekroczenia obciążalności zwarciowej termobimetali.
Jeżeli stycznik nie współdziała z żadnym przekaźnikiem, to nie wyłącza samoczynnie
przetężeń. Z powyższych rozważań znikają również prądy Ic oraz Id i związane z nimi
wymagania. Pozostaje problem koordynacji samego stycznika z bezpiecznikami, co sprawdza
się badaniami przy prądach zwarciowych Ir i ew. I <q. Z badań tych wynikają największe
dopuszczalne wartości całki Joule'a wyłączania I 2tw i prądu ograniczonego io bezpiecznika.
Przykład.
5
W rozrusznikach bezpośrednich produkcji USA do silników 500 V, 11 kW, In = 16,5 A,
zastosowano bezpieczniki 32 A. Wytwórca gwarantuje ich obciążalność zwarciową 5,2 kA
i typ koordynacji 1 lub 2 zależnie od klasy użytych bezpieczników, zgodnie z poniższym
zestawieniem.
Klasa bezpieczników
Prąd ograniczony kA
I2t wyłączania A2s
Typ koordynacji
RK-5
2,7
16100
1
J
1,8
3040
2
Aby uniknąć zakupu oryginalnych wkładek bezpiecznikowych rozważa się możliwość
zastąpienia ich dostępnymi w kraju wkładkami klasy gG.
Wśród danych krajowych wkładek są istotne z punktu widzenia koordynacji zestawione niżej
parametry wkładek gG o napięciu znamionowym 500 V: prąd ograniczony przy prądzie
spodziewanym 5,2 kA oraz całka Joule'a wyłączania przy napięciu 500 V.
Prąd znamionowy A
Prąd ograniczony kA
I2t wyłączania A2s
Typ koordynacji
16
1,40
1090
2
20
1,60
1180
2
25
1,95
2600
1
35
2,50
6300
1
50
3,55
10500
-
Koordynację typu 1 mogą zapewnić wkładki gG 35A, o prądzie znamionowym praktycznie
takim samym, jak w fabrycznym wykonaniu rozrusznika. Natomiast dla osiągnięcia
koordynacji typu 2 należałoby obniżyć prąd znamionowy wkładek gG do 20A. Można
by dopuścić wkładki gG 25 A, gdyby obniżyć obciążalność zwarciową rozrusznika do 4 kA,
co jest dopuszczalne; przy takim prądzie spodziewanym prąd ograniczony wkładek gG 25A
nie przekracza 1,8 kA.
3. Dobezpieczanie wyłączników
Używa się bezpieczników do indywidualnego, a rzadziej grupowego, dobezpieczenia
wyłączników, co pozwala takiemu zestawowi przypisać zwarciową zdolność wyłączania
5÷15-krotnie większą niż ma sam wyłącznik. Mogą być użyte osobno instalowane
bezpieczniki standardowe (zwłaszcza klasy aM), ale najlepiej nadają się do tego celu,
stanowiące konstrukcję zespoloną z wyłącznikiem, specjalne małogabarytowe bezpieczniki
ograniczające o stromej charakterystyce t-I, tzw. ograniczniki prądu zwarciowego (ang.
limiter, amp-trap). W obu przypadkach mogą być użyte bezpieczniki niepełnozakresowe,
bo wyłączanie prądów mniejszych niż ich najmniejszy prąd wyłączalny Inmin i tak przejmują
wyłączniki.
Bezpiecznik powinien pozostać nietknięty przy prądach mniejszych niż znamionowy prąd
wyłączalny wyłącznika. Aby zachować pewien margines bezpieczeństwa punkt przecięcia
6
charakterystyk liniowych obu aparatów, wyznaczający prąd przełomowy zestawu Ic, powinien
się znaleźć przy prądzie niewiększym niż 70 % znamionowego prądu wyłączalnego
wyłącznika (rys. 5a). Powyżej tego punktu bezpiecznik przejmuje zadanie wyłączania prądu.
Jednak wystarczy spojrzeć (rys. 5b) na pasmowe charakterystyki t-I bądź I 2t-I, by zrozumieć,
że w istocie chodzi o znaczny zakres wartości prądu, kiedy przecinają się pasmowe
charakterystyki, pobudzone są i zwarcie mogą wyłączać jednocześnie oba aparaty.
Rys. 5. Zestawienie charakterystyk t-I wyłącznika (1) oraz dobezpieczającego
go bezpiecznika (2): a) charakterystyk liniowych; b) charakterystyk pasmowych Ic punkt
przecięcia charakterystyk t-I
Mogłoby się wydawać, że wyłącznikowi dobezpieczonemu można przypisać, jako zwarciową
zdolność wyłączania, taki prąd spodziewany, przy którym prąd ograniczony użytych
bezpieczników nie przekracza szczytowej wartości pierwszej półfali prądu odpowiadającego
zwarciowej zdolności wyłączania samego wyłącznika. Takie rozumowanie byłoby jednak
zbyt ryzykowne.
Wyobraźmy sobie wyłącznik o prądzie znamionowym In = 100 A i zwarciowej zdolności
wyłączania przy napięciu 380/415 V Ics = 16 kA, którą sprawdza się w obwodzie
o współczynniku mocy cos = 0,3, co odpowiada współczynnikowi udaru k = 1,4
i szczytowej wartości pierwszej półfali
Bezpiecznik gG 250 A o znamionowym prądzie wyłączalnym 100 kA gwarantuje prąd
przełomowy Ic 10 kA < 0,7 ×Ics, co wynika z przebiegu pasmowych charakterystyk t-I,
a przy prądzie spodziewanym 63 kA ma prąd ograniczony 23 kA, czyli przepuszcza
pojedynczy impuls o wartości szczytowej mniejszej niż wspomniana wartość pierwszej
półfali. Wydawałoby się zatem, że zestawowi złożonemu ze wspomnianego wyłącznika
z takimi bezpiecznikami można by przypisać zwarciową zdolność wyłączania 63 kA.
Wniosek taki nie jest jednak zasadny z następujących powodów:

Impuls prądu ograniczonego przepuszczony przez bezpiecznik ma większą stromość
di/dt niż pierwsza półfala prądu przy badaniu samego wyłącznika, bo większa jest
7


wartość szczytowa prądu spodziewanego i odpowiada mu niższa znormalizowana
wartość współczynnika mocy obwodu.
Nawet w wyłącznikach, które nie są określane jako ograniczające, jeszcze przed
zwolnieniem zapadki zamka przez wyzwalacz zwarciowy, przy dużym prądzie
zwarciowym następuje elektrodynamiczny odrzut styków (po 1÷3 ms) i występuje
złożony rozkład mocy i energii łukowych przypadających na szeregowo połączone,
zmienne w czasie rezystancje kolumn łukowych wyłącznika i bezpiecznika [1].
Wyłącznik może przejąć udział, który okaże się dlań niszczący.
Największe narażenia wyłącznika nie muszą występować przy znamionowej
zwarciowej zdolności łączenia zestawu, lecz - ze względu na większy czas
przedłukowy bezpiecznika - przy prądzie nieco większym niż prąd przełomowy,
np. (1,2÷1,5) ×Ic, co tylko doświadczalnie można i należy sprawdzić.
Zatem wspomniane uproszczone rozumowanie może służyć co najwyżej za przesłankę
wstępnego doboru elementów zestawu, który zostanie poddany badaniom. Co prawda, dzięki
jednoczesnemu, kaskadowemu gaszeniu łuku w dwóch szeregowo połączonych aparatach,
można osiągnąć bardzo dużą zdolność wyłączania, nawet większą niż suma zdolności
wyłączania obu aparatów, ale tylko doświadczenie może to potwierdzić. W praktyce
amerykańskiej dopuszczalne są tylko takie zestawy wyłączników i bezpieczników (ang. series
rated systems), których pozytywne wyniki badań i przypisane przez Underwriters
Laboratories parametry zostały opublikowane w stale uaktualnianym wydawnictwie " Yellow
book" [2].
Literatura


DiMarco B., Hansen S. R.: Interplay of energies in circuit breaker and fuse
combinations. IEEE Trans. Ind. Applic., 1993, nr 3, s. 557-561.
Recognized component directory. Underwriters Laboratories, Northbrook, IL, 2003
(TheYellow book).
8