Nr 170-171 57 dr hab. inż. Stanisław Czapp Politechnika

Nr 170-171 57 dr hab. inż. Stanisław Czapp Politechnika

Ochrona przeciwporażeniowa
dr hab. inż. Stanisław Czapp
Politechnika Gdańska
Dobezpieczanie wyłączników różnicowoprądowych
bez wbudowanego zabezpieczenia nadprądowego
Streszczenie: W artykule przedstawiono problematykę dobezpieczania wyłączników różnicowoprądowych. Rozpatrywano dobezpieczanie bezpiecznikami oraz dobezpieczanie wyłącznikami nadprądowymi. Omówiono narażenia cieplne i elektrodynamiczne. Zwrócono uwagę
na ryzyko niewłaściwego dobezpieczenia wyłączników różnicowoprądowych, gdy urządzeniem
dobezpieczającym jest wyłącznik nadprądowy.
1. Wstęp
Wyłączniki różnicowoprądowe bez wbudowanego zabezpieczenia nadprądowego (RCCB – ang. residual current operated circuit-breakers without integral overcurrent protection) mają niewielką zdolność wyłączania prądu różnicowego. Najmniejsza wymagana jej wartość to zaledwie 10-krotny prąd znamionowy ciągły (jednak
nie mniej niż 500 A), więc w praktyce z zasady wymagają dobezpieczenia. Dobezpieczenie ma również zapewnić, że w stanie zamkniętym wyłącznik różnicowoprądowy
wytrzyma cieplne i elektrodynamiczne skutki przepływu prądu przy zwarciu między
przewodami czynnymi (L–L, L–N).
Norma przedmiotowa [10] wymaga, aby wyłączniki różnicowoprądowe RCCB
w stanie zamkniętym wytrzymywały prąd szczytowy is oraz całkę Joule’a I2 t o wartościach podanych w tablicy 1. Wytrzymywana całka Joule’a powinna być nie mniejsza
niż całka wyłączania I2 tw bezpiecznika bądź wyłącznika nadprądowego stanowiącego dobezpieczenie wyłącznika różnicowoprądowego. Wytrzymywany prąd szczytowy is natomiast powinien być nie mniejszy niż prąd ograniczony i o wspomnianego
bezpiecznika bądź wyłącznika nadprądowego [4, 5, 6, 8].
Tablica 1. Wytrzymywane przez wyłącznik różnicowoprądowy RCCB wartości całki Joule’a I2 t i prądu szczytowego i s [10]
In [A]
Inc, IΔc
[A]
500
1000
1500
3000
is [kA]
≤ 16
0,45
≤ 20
0,47
≤ 25
0,5
≤ 32
0,57
≤ 40
≤ 63
2,1
22
I2t [kA2s]
0,4
0,45
0,53
0,68
is [kA]
0,65
0,75
0,9
1,18
I2t [kA2s]
0,50
0,9
1,5
2,7
is [kA]
I2t [kA2s]
1,02
1
1,1
1,5
1,25
2,4
1,5
4,1
1,9
9,75
≤ 80
≤ 100
≤ 125
is [kA]
1,1
1,2
1,4
1,85
2,35
3,3
3,5
3,8
3,95
I2t [kA2s]
1,2
1,8
2,7
4,5
8,7
22,5
26
42
72,5
Nr 170-171
57
Ochrona przeciwporażeniowa
In [A]
Inc, IΔc
[A]
4500
6000
10000
is [kA]
≤ 16
1,15
≤ 20
1,3
≤ 25
1,5
≤ 32
2,05
≤ 40
2,7
≤ 63
3,9
≤ 80
4,3
≤ 100
4,8
≤ 125
5,6
I2t [kA2s]
1,45
2,1
3,1
5,0
9,7
28
31
45
82,0
is [kA]
1,3
1,4
1,7
2,3
3
4,05
4,7
5,3
5,8
I2t [kA2s]
1,6
2,4
3,7
6,0
11,5
25
31
48
65,0
is [kA]
1,45
1,8
2,2
2,6
3,4
4,3
5,1
6
6,4
1,9
2,7
4
6,5
12
24
31
48
60,0
I t [kA s]
2
2
In – prąd znamionowy ciągły wyłącznika różnicowoprądowego
Inc – prąd znamionowy zwarciowy umowny wyłącznika różnicowoprądowego
I∆c – prąd znamionowy różnicowy zwarciowy umowny wyłącznika różnicowoprądowego
Rozpatrując wyłącznik różnicowoprądowy o prądzie znamionowym ciągłym
In = 40 A i prądzie znamionowym zwarciowym umownym 6 kA, na podstawie tablicy 1 można stwierdzić, że wyłącznik ten powinien wytrzymać prąd szczytowy do
is = 3 kA oraz całkę Joule’a do I2 t = 11,5 kA 2s. Wartości wymagane przez normę
[10] są nieduże i w obwodach, w których spodziewany prąd zwarciowy ma wartość
zbliżoną do prądu znamionowego zwarciowego umownego wyłącznika różnicowoprądowego mogą być przekroczone, co zagraża uszkodzeniem wyłącznika różnicowoprądowego.
Producenci mogą oferować wyłączniki różnicowoprądowe wytrzymujące większy
prąd szczytowy i większą całkę Joule’a niż podane w tablicy 1. Podają wtedy największy dopuszczalny prąd zwarciowy początkowy w miejscu zainstalowania wyłącznika
różnicowoprądowego i dodają symbol graficzny bezpiecznika, jeśli dobezpieczenie jest
konieczne (tabl. 2). Jeżeli największy dopuszczalny prąd znamionowy wkładki klasy
gG jest większy niż 63 A, wartość jego jest podana przy symbolu bezpiecznika.
Tablica 2. Przykładowe oznaczenia obciążalności zwarciowej wyłączników RCCB
Oznaczenie graficzne
100
Opis oznaczenia
6000
Obciążalność zwarciowa 6 kA przy dobezpieczeniu wkładką topikową gG
o prądzie znamionowym Inb ≤ 63 A
6000
Obciążalność zwarciowa 6 kA przy dobezpieczeniu wkładką topikową gG
o prądzie znamionowym Inb ≤ 100 A
10000
Obciążalność zwarciowa 10 kA przy dobezpieczeniu wkładką topikową gG
o prądzie znamionowym Inb ≤ 63 A
Jak wynika z tablicy 2, zakłada się, że wyłącznik różnicowoprądowy jest dobezpieczony bezpiecznikiem z wkładką topikową klasy gG. Obok wkładek tej klasy stosuje się wkładki gL lub gF (nieobjęte normami międzynarodowymi IEC ani europejskimi EN), wyłączniki nadprądowe instalacyjne, wyłączniki silnikowe bądź inne
wyłączniki nadprądowe.
58
Ochrona przeciwporażeniowa
2. Dobezpieczanie bezpiecznikami
Dostępne na rynku wyłączniki RCCB przeważnie mają obciążalność zwarciową większą niż wynikająca z tablicy 1. Jeżeli wyłącznik różnicowoprądowy ma
6000 , to znaczy, że producent gwarantuje obciążalność zwaroznaczenie
ciową 6 kA przy dobezpieczeniu wkładką gG o prądzie znamionowym Inb ≤ 63 A.
Zatem największy dopuszczalny prąd znamionowy wkładki klasy gG w tym obwodzie to Inb = 63 A. Zgodnie z normą [9] jej całka Joule’a wyłączania nie przekracza
I2 tw = 21200 A 2s. Na podstawie danych katalogowych [1] można stwierdzić, że przy
spodziewanym prądzie zwarciowym Ik = 6 kA (największym dopuszczalnym dla rozpatrywanego wyłącznika różnicowoprądowego) prąd ograniczony tej wkładki topikowej wynosi io = 4,2 kA (rys. 1). Zatem wyłącznik różnicowoprądowy dobezpieczony bezpiecznikiem z wkładką gG63 wytrzymuje występujące w obwodzie narażenia
cieplne (I2 tw = 21200 A 2s) i elektrodynamiczne (io = 4,2 kA).
Rys. 1. Prąd ograniczony i o bezpieczników DO1 i DO2 z wkładką gG [1]; linia niebieska wyjaśnia sposób wyznaczania prądu ograniczonego wkładki gG63 dla Ik = 6 kA
Wkładkę topikową gG63 można zastąpić inną wkładką topikową pod warunkiem, że jej prąd ograniczony i całka Joule’a wyłączania nie będą większe niż dla
wkładki gG63. Tablica 3 zawiera porównanie charakterystycznych parametrów dla
wybranych wkładek topikowych. Prądy ograniczone wkładek podano dla dwóch
wartości spodziewanego prądu zwarciowego: 5 kA i 6 kA. Niebieskim tłem zaznaczono wartości większe niż dopuszczalne.
Nr 170-171
59
Ochrona przeciwporażeniowa
Tablica 3. Porównanie charakterystycznych parametrów wybranych wkładek topikowych
gG i gF [2, 9]
Prąd
znamionowy
wkładki [A]
Całka Joule’a wyłączania
[A2s]
gG
gF
25
4000
32
40
Prąd ograniczony [kA]
gG
gF
1210
Ik = 5 kA
2,0
Ik = 6 kA
2,1
Ik = 5 kA
1,6
Ik = 6 kA
1,7
5750
2500
2,3
2,4
2,1
2,2
9000
4000
3,0
3,2
2,3
2,6
50
13700
5750
3,2
3,4
2,5
2,9
63
21200
9000
3,7
4,2
3,2
3,5
80
36000
13700
4,2
4,4
4,0
4,3
3. Dobezpieczanie wyłącznikami nadprądowymi
3.1.Wyłączniki nadprądowe instalacyjne
Dobór wyłącznika nadprądowego instalacyjnego do dobezpieczenia wyłącznika różnicowoprądowego jest bardziej kłopotliwy niż dobór bezpiecznika. W przeciwieństwie do bezpieczników, wraz ze wzrostem prądu zwarciowego zwiększa się
całka Joule’a wyłączania wyłączników instalacyjnych, a więc zwiększają się narażenia
cieplne. Dodatkową trudnością jest to, że niewielu producentów wyłączników instalacyjnych podaje dane dotyczące ich prądów ograniczonych.
Aby sprawdzić przydatność wyłączników nadprądowych do dobezpieczania wyłączników różnicowoprądowych RCCB, przeprowadzono badania laboratoryjne
prądów ograniczonych i całek Joule’a wyłączania wybranych wyłączników nadprądowych instalacyjnych [3]. Przebadano wyłączniki nadprądowe o charakterystykach
typu B, C i D. Rejestrowano charakterystyczne parametry przy prądzie zwarciowym
spodziewanym od 1 do 5 kA.
Dla każdego wyłącznika przeprowadzono po trzy próby wyłączania prądu zwarciowego o wartości nastawionej w trakcie kalibracji układu. Podczas próby rejestrowano przebiegi prądu wyłączanego przez wyłącznik oraz napięcia u na jego zaciskach
(tego samego bieguna). Na podstawie otrzymanych rejestracji wyznaczono prąd ograniczony io i całkę Joule’a wyłączania I2 tw. Przykładowe przebiegi wyłączania prądu
zwarciowego przez wyłączniki nadprądowe instalacyjne zamieszczono na rysunkach
2 i 3. Pole pod przebiegiem i2 (zakreskowany obszar) jest równe całce Joule’a wyłączania I2 tw.
Na podstawie tych badań opracowano wykresy przedstawiające wartości prądu
ograniczonego io i całki Joule’a wyłączania I2 tw w funkcji spodziewanego prądu zwarciowego Ik (przykładowe wykresy zaprezentowano na rys. 4). Każdy wykres zawiera
linię poziomą przedstawiającą, zgodnie z tablicą 1, największą wartość prądu szczytowego is i całki Joule’a I2 t, które wytrzymuje wyłącznik różnicowoprądowy o określonym prądzie znamionowym ciągłym.
60
Ochrona przeciwporażeniowa
8
6
5
i2
[kA2 ]
2.5
4
0
2
-2.5
0
i
[kA]
ik
ip
io
0
0.005
t [s]
0.01
0.015
0.02
0.01
0.015
0.02
0.025
I 2tw
-5
600
u
[
]
V
400
200
0
t [s]
0
0.005
0.025
-200
-400
Rys. 2. Oscylogramy wyłączania prądu zwarciowego przez wyłącznik nadprądowy instalacyjny
C16: Ik = 3,1 kA, ip = 4,5 kA, i o = 1,8 kA, I2tw = 4,8 kA 2s [3]
10
i2
2
8 [kA ]
2
i
[kA]
1
io = ip
6
0
4
2
0
t [s]
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.02
0.03
0.04
0.05
-1
I 2tw
-2
600
u
[
400 V]
200
0
t [s]
0
0.01
0.05
-200
-400
Rys. 3. Oscylogramy wyłączania prądu zwarciowego przez wyłącznik nadprądowy instalacyjny
C40: Ik = 1,0 kA, ip = 1,7 kA, i o = 1,7 kA, I2tw = 31,3 kA 2s [3] – brak efektu ograniczającego
Nr 170-171
61
Ochrona przeciwporażeniowa
Rysunek 4 przedstawia wyniki badań wyłączników nadprądowych instalacyjnych B16, C16 i D20. Wyniki te porównano z największymi dopuszczalnymi wartościami prądu szczytowego i całki Joule’a dla wyłączników różnicowoprądowych
o prądach znamionowych ciągłych odpowiednio In = 16, 25 i 40 A.
Jeżeli porównać wyniki badań prądów ograniczonych wyłączników nadprądowych instalacyjnych B16 i C16 z największą dopuszczalną wartością prądu szczytowego wyłącznika różnicowoprądowego o In = 16 A (rys. 4a), to okazuje się, że warunek koordynacji jest spełniony tylko dla spodziewanego prądu zwarciowego Ik = 1 kA
(prąd ograniczony wyłączników B16 i C16 nie przekracza wartości dopuszczalnej dla
wyłącznika różnicowoprądowego).
Niestety, nawet dla tego spodziewanego prądu zwarciowego (Ik = 1 kA) jest przekroczona największa dopuszczalna wartość całki Joule’a. Zatem wyłączniki B16
i C16 już przy prądzie Ik = 1 kA nie dobezpieczają wyłącznika różnicowoprądowego
o In = 16 A, mimo że prądy znamionowe ciągłe tych wyłączników są takie same. Tylko nieznacznie lepiej jest w przypadku wyłącznika różnicowoprądowego o In = 25 A.
Wyłącznik różnicowoprądowy o In = 40 A jest dobezpieczany przez wyłączniki B16
i C16 w całym badanym zakresie spodziewanych prądów zwarciowych. Wyłącznik
D20 jest nieodpowiedni, jeżeli spodziewany prąd zwarciowy osiąga wartość Ik = 5 kA
lub większą.
a)
io
[kA]
b)
4
B16 C16 D20
40A
3
I 2tw 20
[kA2 s] 16
B16 C16 D20
12
2
25A
16A
1
0
40A
8
4
0
0
1
2
3
Ik [kA]
4
5
6
25A
16A
0
1
2
3
Ik [kA]
4
5
6
Rys. 4. Zarejestrowane wartości prądu ograniczonego i o (a) i całki Joule’a wyłączania I2tw (b)
wyłączników B16, C16, D20 oraz największy dopuszczalny prąd szczytowy i całka Joule’a dla
wyłączników różnicowoprądowych o In = 16, 25 i 40 A
Większość dostępnych na rynku wyłączników różnicowoprądowych wytrzymuje większe wartości całki Joule’a wyłączania i prądu ograniczonego niż wymagane
przez normę (tablica 1). Jeżeli rozpatrywać wyłącznik różnicowoprądowy o oznaczeniu
6000 , to charakterystyczne parametry wyłącznika nadprądowego
instalacyjnego należy odnosić do wartości tych samych parametrów bezpiecznika
z wkładką gG.
Na rysunku 5 przedstawiono wykres prądu ograniczonego i wykres całki Joule’a wyłączania wyłączników nadprądowych instalacyjnych typu B (dane producenta), w funkcji spodziewanego prądu zwarciowego. Na wykresach naniesiono linię
poziomą, przedstawiającą wspomniane parametry dla wkładki gG63.
62
Ochrona przeciwporażeniowa
a)
b)
Rys. 5. Całka Joule’a wyłączania I2tw (a) i prąd ograniczony i o (b) wyłączników nadprądowych
instalacyjnych typu B [11]
a)
b)
Rys. 6. Całka Joule’a wyłączania I2tw (a) i prąd ograniczony i o (b) wyłączników nadprądowych
instalacyjnych typu C [11]
Nr 170-171
63
Ochrona przeciwporażeniowa
Z wykresów na rysunku 5 wynika, że przy spodziewanym prądzie zwarciowym Ik
o wartości nieprzekraczającej około 4,2 kA w miejsce bezpiecznika z wkładką gG63
mogą być zastosowane wyłączniki instalacyjne typu B o prądzie znamionowym do
63 A. Powyżej spodziewanego prądu zwarciowego Ik = 4,2 kA występują ograniczenia co do prądu znamionowego In wyłączników instalacyjnych. Okazuje się, że przy
prądzie zwarciowym Ik = 5 kA w rachubę wchodzą wyłączniki typu B o In ≤ 32 A,
a przy prądzie Ik = 6 kA – wyłączniki o In ≤ 20 A. Jeżeli wyłączniki te mają dobezpieczać wyłączniki różnicowoprądowe np. o In = 63 A, to nie pozwolą na pełne wykorzystanie ich prądu znamionowego ciągłego. Jeszcze większe ograniczenia występują
przy stosowaniu wyłączników instalacyjnych typu C (rys. 6).
Zestawienie wartości całki Joule’a i prądu ograniczonego, przy prądzie zwarciowym Ik = 5 kA, dla wybranych wyłączników instalacyjnych typu B przedstawiono
na rysunku 7. Właściwa koordynacja jest zachowana, jeżeli nie są przekroczone linie
graniczne (21200 A 2s oraz 4,2 kA).
a)
b)
io [kA]
4,2 kA
I 2tw [A2s]
4
30000
3
25000
21200 A2s
20000
2
1
15000
B25
B32
B40
B50
wyłączniki
B63
B25
B32
B40
B50
wyłączniki
B63
Rys. 7. Całka Joule’a wyłączania I2tw (a) i prąd ograniczony i o (b) wyłączników nadprądowych
instalacyjnych typu B
3.2. Inne wyłączniki nadprądowe
Analizując dobezpieczanie wyłączników różnicowoprądowych wyłącznikami
innymi niż nadprądowe instalacyjne należy kierować się identycznymi zasadami.
Konieczna jest znajomość charakterystyk całki Joule’a wyłączania i prądu ograniczonego w funkcji spodziewanego prądu zwarciowego. Rysunek 8 przedstawia analizę tych charakterystyk dla przykładowych wyłączników DPX160 [6] o prądzie
znamionowym ciągłym od 16 do 40 A. Mogą one dobezpieczać wyłączniki różnicowoprądowe o oznaczeniu
6000 tylko przy prądzie zwarciowym nieprzekraczającym Ik = 1,5 kA. Wprawdzie przy spodziewanym prądzie zwarciowym większym od Ik = 1,5 kA i nie większym niż Ik = 3,3 kA nie są przekroczone narażenia
elektrodynamiczne (rys. 8b), ale za duża jest całka Joule’a wyłączania (rys. 8a). Przy
prądzie Ik = 6 kA całka Joule’a wyłączania wyłączników DPX160 o prądzie znamio64
Ochrona przeciwporażeniowa
nowym ciągłym od 16 do 40 A wynosi ponad 100 000 A 2s, co kilkakrotnie przekracza 21200 A 2s, wartość dopuszczalną dla powszechnie stosowanych wyłączników
różnicowoprądowych (tablica 3).
a)
b)
Rys. 8. Całka Joule’a wyłączania I2tw (a) i prąd ograniczony i o (b) wyłączników nadprądowych
typu DPX [7]
Nr 170-171
65
Ochrona przeciwporażeniowa
4. Wnioski
Wyłączniki różnicowoprądowe RCCB z zasady wymagają dobezpieczenia. Jako
urządzenie dobezpieczające stosuje się bezpieczniki lub wyłączniki nadprądowe. Należy jednak zwrócić uwagę na to, że rezygnacja z bezpiecznika na korzyść wyłącznika
nadprądowego może przyczynić się do zwiększenia narażeń cieplnych i/lub elektrodynamicznych wyłączników różnicowoprądowych. Szczególną ostrożność należy
zachować w obwodach o ostrych narażeniach zwarciowych.
5. Bibliografia
1. Bezpieczniki topikowe małogabarytowe i osprzęt. ETI, katalog producenta.
2. Bezpieczniki topikowe kompaktowe nowej konstrukcji o charakterystyce szybkiej gF. Materiały firmy ETI.
3. Czapp S., Kowalak D., Borowski K.: Narażenia cieplne i elektrodynamiczne
wyłączników różnicowoprądowych przy ich dobezpieczaniu wyłącznikami
nadprądowymi instalacyjnymi – referat konferencyjny. XVI Międzynarodowa Konferencja Naukowa „Aktualne Problemy w Elektroenergetyce APE’13”,
Jurata 12–14.06.2013, (Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej Nr 33), Wydaw. WEiA PG, Gdańsk 2013,
s. 115–118.
4. Czapp S.: Problemy dobezpieczania wyłączników różnicowoprądowych. XIX
Konferencja Naukowo-Techniczna „Bezpieczeństwo Elektryczne i IX Szkoła
Ochrony Przeciwporażeniowej ELSAF 2013”, Szklarska Poręba, 25–27.09.2013,
s. 109–116.
5. IEC TR 60755:2008 General requirements for residual current operated protective devices. 2nd edition.
6. Instalacje elektryczne i teletechniczne. Poradnik montera i inżyniera elektryka,
Verlag Dashöfer, Część 5. Zabezpieczenia w instalacjach elektrycznych (autor:
E. Musiał).
7. Legrand, DPX160 – Thermal magnetic and trip-free switches. Technical sheet:
F01360EN/01, Update: 17/10/2011.
8. Musiał E., Czapp S.: Wyłączniki ochronne różnicowoprądowe. Przegląd i charakterystyka współczesnych konstrukcji (2). Miesięcznik SEP „Informacje
o Normach i Przepisach Elektrycznych”, 2008, nr 109, s. 3–44.
9. PN-HD 60269-2:2010E Bezpieczniki topikowe niskonapięciowe – Część 2:
Wymagania dodatkowe dotyczące bezpieczników przeznaczonych do wymiany
przez osoby wykwalifikowane (bezpieczniki głównie do stosowania w przemyśle) – Przykłady znormalizowanych systemów bezpiecznikowych od A do J.
10. PN-EN 61008-1:2007P Wyłączniki różnicowoprądowe bez wbudowanego
zabezpieczenia nadprądowego do użytku domowego i podobnego (RCCB) –
Część 1: Postanowienia ogólne.
11. Supplementary Protectors/Miniature Circuit Breakers. Technical Data Catalog,
Numbers 1492-SP Series C, Rockwell Automation Publication 1492-TC010DEN-P – April 2011.
66