Bezpieczniki topikowe i wyłączniki nadprądowe

38
f i r m y, l u d z i e , p r o d u k t y
Bezpieczniki topikowe
i wyłączniki nadprądowe
niskiego napięcia
Roman Kłopocki
Celem niniejszego artyku≥u, ktÛry jest pierwszπ czÍúciπ cyklu publikacji, jest przedstawienie
w prosty sposÛb fizycznego t≥a dzia≥ania bezpiecznikÛw topikowych i wy≥πcznikÛw nadprπdowych niskiego napiÍcia w warunkach duøych prπdÛw zwarciowych. W dalszej czÍúci zosta≥y
wyprowadzone wnioski ze szczegÛlnych w≥aúciwoúci dzia≥ania tych aparatÛw, ktÛre znaczπco wp≥ywajπ na praktyczne zastosowanie bezpiecznikÛw i wy≥πcznikÛw nadprπdowych
w ochronie instalacji elektroenergetycznych.
dalszej czÍúci artyku≥u przedstawione zosta≥y bezpieczniki
topikowe i wy≥πczniki nadprπdowe niskiego napiÍcia jako najwaøniejsze i najczÍúciej stosowane aparaty zabezpieczajπce w elektrotechnice i instalacjach
elektroenergetycznych.
Opisane zosta≥y podstawowe procesy fizyczne i elektryczne w warunkach wy≥πczania zwarÊ. Artyku≥ z jednej strony prÛbuje pokazaÊ zalety i wady obu aparatÛw
zabezpieczajπcych, z drugiej zaú strony pokazuje sposÛb ich wspÛ≥dzia≥ania w warunkach wysokich prπdÛw zwarciowych.
Przy wyborze elementÛw zabezpieczajπcych naleøy kierowaÊ siÍ przede wszyst-
W
kim nastÍpujπcymi kryteriami:
ï bezpieczeÒstwo,
ï niezawodnoúÊ (pewnoúÊ dzia≥ania),
ï jakoúÊ (trwa≥oúÊ),
ï rÛønorodnoúÊ (wielkoúÊ, szereg prπdÛw
znamionowych),
ï gospodarnoúÊ (efektywnoúÊ).
Instalacja elektroenergetyczna powinna
byÊ tak zaprojektowana, aby urzπdzenie
zabezpieczajπce przerwa≥o w sposÛb niezawodny obwÛd elektryczny tylko wtedy,
gdy jest to rzeczywiúcie potrzebne (przy
wystπpieniu zwarcia lub przeciπøenia). Ponadto, urzπdzenie zabezpieczajπce nie moøe traciÊ swoich parametrÛw w ciπgu d≥ugiego czasu uøytkowania.
Rys. 1. Charakterystyka czasowo-prπdowa t-I wk≥adki topikowej
38
Zalety i wady
bezpiecznikÛw topikowych
Jak zosta≥o wczeúniej przedstawione,
przy ocenie zalet i wad aparatu zabezpieczajπcego naleøy wziπÊ pod uwagÍ z gÛry
okreúlone kryteria:
ï bezpieczeÒstwo ñ wysoki stopieÒ ograniczenia prπdu, niskie wartoúci ca≥ek Joule'a, brak wytwarzania gazÛw jonizujπcych, niskie straty mocy,
ï niezawodnoúÊ (pewnoúÊ dzia≥ania) ñ po
wy≥πczeniu wk≥adkÍ topikowπ siÍ wymienia, nowa oferuje swoje pe≥ne w≥aúciwoúci, odpornoúÊ na starzenie, proste
uøytkowanie.
Rys. 2. PrzewÍøone miejsca elementu topikowego
grudzieÒ 2005
f i r m y, l u d z i e , p r o d u k t y
woúci zastosowaÒ, rozwÛj elektroniki
zwiÍksza zakres zastosowaÒ.
ï gospodarnoúÊ (efektywnoúÊ) ñ krÛtki
czas ponownego za≥πczenia (krÛtka przerwa w zasilaniu), duøe koszty produkcji
wy≥πcznikÛw trÛjfazowych.
Wady wy≥πcznikÛw
M
A
gazÛw jonizujπcych, ktÛre mogπ spowodowaÊ w rozdzielnicy wiele skutkÛw
ubocznych,
ï w przypadku czÍstych wy≥πczeÒ zwarÊ
wy≥πcznik traci swoje techniczne w≥aúciwoúci.
A
ï przy wy≥πczeniu wystÍpuje wydzielanie
niÊ, a przedtem znaleüÊ powÛd jej zadzia≥ania, co wiπøe siÍ z przerwπ w dostawie energii elektrycznej,
ï brak moøliwoúci pe≥nego zabezpieczenia
obwodu przed przeciπøeniem.
Zalety i wady
wy≥πcznikÛw nadprπdowych
PorÛwnanie wy≥πcznikÛw wed≥ug tych
samych kryteriÛw:
ï bezpieczeÒstwo ñ moøliwoúÊ dok≥adnego ustawienia charakterystyki czasowo-prπdowej, duøa zdolnoúÊ ograniczenia
prπdu zwarciowego, jednak kosztem
efektywnoúci zabezpieczenia, brak moøliwoúci Ñwatowaniaî wy≥πcznika przez
osoby niekompetentne.
ï niezawodnoúÊ ñ nowoczesne rozwiπzania konstrukcyjne zapewniajπ wysoki
stopieÒ niezawodnoúci, jednak kaødy
wy≥πcznik z czasem traci swoje w≥aúciwoúci (zaleøy od czÍstotliwoúci wy≥πczeÒ),
ï jakoúÊ ñ to samo dotyczy jakoúci,
ï rÛønorodnoúÊ ñ bardzo szerokie moøli-
Dzia≥anie wk≥adek topikowych
w czasie zwarcia
Dzia≥anie wk≥adek topikowych w czasie
wy≥πczania przetÍøenia ≥atwo analizuje siÍ
na podstawie charakterystyki czasowo-prπdowej t-I. Przy przetÍøeniu od prπdu znamionowego In do 4-8 krotnoúci prπdu znamionowego mÛwimy o przeciπøeniu.
W zakresie wyøszych prπdÛw mÛwimy
o zwarciu (rys. 1).
Do stopienia przewÍøonych miejsc elementu topikowego (rys. 2) potrzebny jest
odpowiednio duøy prπd, ktÛry w czasie
(wed≥ug charakterystyki) dostarczy doúÊ
duøπ energiÍ potrzebnπ do stopienia i wyparowania metalu w tych os≥abionych, specjalnie obliczonych miejscach.
Symbol Ip oznacza spodziewany prπd
zwarciowy, tzn. ten prπd (wartoúÊ skuteczna), ktÛry p≥ynπ≥by przez obwÛd elektryczny, gdyby bezpiecznik by≥ zastπpiony po≥πczeniem o ma≥ej impedancji.
Bardzo waønym parametrem dla kaødego bezpiecznika jest jego zwarciowa zdolnoúÊ wy≥πczania. Jest to zdolnoúÊ bezpiecznika do przerwania obwodu elektrycznego w czasie zwarcia, ktÛry odpo-
R
S≥abe strony wk≥adek topikowych
ï Wk≥adkÍ po zadzia≥aniu trzeba wymie-
E
K
bezpiecznikÛw jest wysoko zautomatyzowana, co zapewnia niewielkie odstÍpstwa w ich technicznych w≥aúciwoúciach
w masowej produkcji,
ï rÛønorodnoúÊ (wielkoúÊ, szereg prπdÛw
znamionowych) ñ zastosowanie w obwodach nisko i wysokonapiÍciowych, zabezpieczenie przewodÛw, aparatÛw
i urzπdzeÒ, zabezpieczenia urzπdzeÒ
elektronicznych,
ï gospodarnoúÊ (efektywnoúÊ) ñ porÛwnujπc techniczne w≥aúciwoúci bezpiecznika,
wymiary oraz cenÍ, jest to najoszczÍdniejsze rozwiπzanie.
L
ï jakoúÊ (trwa≥oúÊ) ñ dzisiejsza produkcja
40
f i r m y, l u d z i e , p r o d u k t y
Rys. 4. Poczπtek zwarcia
wiada dok≥adnie okreúlonym warunkom,
bez skutkÛw ubocznych. Te warunki sπ
opisane nastÍpujπcymi wartoúciami granicznymi:
ï najwyøszy i najniøszy spodziewany prπd
zwarciowy
ï kszta≥t prπdu i czÍstotliwoúÊ
ï cosϕ (dla AC), sta≥a czasowa L/R (dla
DC)
Ograniczanie prπdu
Bezpiecznik spe≥nia swojπ funkcjÍ ograniczania prπdu wtedy, gdy w czasie powstania zwarcia istotnie ograniczy prπd
zwarciowy do wartoúci Ig, a wiÍc, gdy
przerwie obwÛd zanim chwilowa wartoúÊ
prπdu spodziewanego osiπgnie wartoúÊ
maksymalnπ ñ krytycznπ.
Graficznie jest to pokazane na rysunku 3. Efekt ograniczania prπdu zwarciowego wystπpi wÛwczas, gdy napiÍcie ≥uku
elektrycznego przekroczy napiÍcie w sieci
elektrycznej, przy czym chwilowa wartoúÊ
prπdu zacznie szybko spadaÊ do zera. Najwyøszπ chwilowπ wartoúÊ prπdu nazywa
siÍ prπdem ograniczonym Ig.
Ca≥π fazÍ wy≥πczania bezpiecznika dzieli siÍ na: fazÍ topienia elementu topikowego i fazÍ ≥uku. Rysunki od 4 do 8 przed-
Rys. 5. Chwilowa wartoúÊ prπdu zwarciowego wzrasta
stawiajπ przebieg prπdu i napiÍcia od poczπtku wystπpienia zwarcia do koÒcowego przerwania prπdu w obwodzie.
Faza topienia
ï Rysunek 4: poczπtek zwarcia, wartoúÊ
prπdu jest przedstawiona szerokoúciπ øÛ≥tej linii,
ï rysunek 5: chwilowa wartoúÊ prπdu
zwarciowego wzrasta, jednak doprowadzona energia jeszcze nie jest dostatecznie duøa do przetopienia elementu topikowego w przewÍøeniach (miejscach
os≥abionych),
ï rysunek 6: prπd osiπga wartoúÊ, przy ktÛrej energia jest dostatecznie duøa do
przetopienia przewÍøeÒ, faza topienia
jest zakoÒczona, zaczyna siÍ faza ≥ukowa.
Faza ≥ukowa
W≥aúciwoúciπ fazy ≥ukowej jest szybki
wzrost napiÍcia na elemencie topikowym
(oznaczenie U ñ kolor niebieski), ktÛre powstaje na ≥ukach czπstkowych w poszczegÛlnych przewÍøeniach.
ï rysunek 7: faza ≥ukowa w pe≥ni, poszczegÛlne ≥uki elektryczne ch≥odzπ siÍ w piasku kwarcowym, chwilowa wartoúÊ prπ-
Rys. 6. Faza topienia jest zakoÒczona, zaczyna siÍ faza ≥ukowa
40
du spada do zera,
rysunek
8: prπd nie p≥ynie, ≥uki gasnπ,
ï
powstaje napiÍcie zwrotne, rÛwne napiÍciu w sieci elektrycznej. Wyglπd przerwanego elementu topikowego pokazano
na rysunku 9.
Aby ≥atwiej zrozumieÊ dzia≥anie bezpiecznika w czasie zwarcia, dobrze jest
znaÊ dwie wartoúci prπdu:
I1 ñ maksymalna zdolnoúÊ zwarciowa
(dla wk≥adek WT wynosi 120 kA),
I2 ñ prπd krytyczny (dla wk≥adki topikowej WT miÍdzy 1 kA a 5 kA).
Wy≥πczenie przy prπdzie I1
Wszystkie przewÍøenia elementu topikowego (os≥abione miejsca) sπ w jednym
momencie przerwane. Pojawiajπ siÍ tzw.
≥uki elektryczne czÍúciowe, kaødy o d≥ugoúci przewÍøenia. Na kaødym przewÍøeniu istnieje napiÍcie ≥uku o wartoúci 150200 V.
WartoúÊ napiÍcia ≥uku elektrycznego
jest zaleøna od:
ï warunkÛw odprowadzania ciep≥a poprzez piasek kwarcowy ñ im lepsze warunki (jakoúÊ piasku i wype≥nienia), tym
mniejsza jest temperatura ≥uku elektrycznego i wyøsze jego napiÍcie,
Rys. 7. Faza ≥ukowa
grudzieÒ 2005
f i r m y, l u d z i e , p r o d u k t y
Rys. 8. Prπd nie p≥ynie, ≥uki gasnπ
ï wielkoúci prπdu ñ im wyøszy prπd, tym wiÍksze napiÍcie ≥uku
elektrycznego,
ï d≥ugoúci ≥uku elektrycznego ñ im wiÍksza d≥ugoúÊ, tym wyøsze
napiÍcie ≥uku elektrycznego,
Rys. 9.
Przerwany
element
topikowy
L
K
E
R
Wy≥πczenie przy prπdzie I2
PrzewÍøenia przepalajπ siÍ pojedynczo i to tylko w jednym
punkcie. W kaødym przewÍøeniu powstaje najpierw bardzo krÛtki ≥uk czÍúciowy, ktÛry potem pali siÍ w bezpieczniku pomiÍdzy
elektrodami (noøami stykowymi). £uk elektryczny wyd≥uøa siÍ
ze sta≥π szybkoúciπ. SzybkoúÊ topienia elementu topikowego
A
M
krÛj, tym wiÍksze napiÍcie ≥uku elektrycznego
Oscylogram prπdu i napiÍcia w momencie wy≥πczenia przy I1
przedstawia rysunek 10.
WartoúÊ ca≥ki wy≥πczania I2t = 24 630 A2s (wartoúÊ ca≥kowita).
Charakterystyczny jest bardzo krÛtki czas topienia elementu topikowego i szybki wzrost napiÍcia ≥uku elektrycznego.
A
ï przekroju poprzecznego ≥uku elektrycznego ñ im mniejszy prze-
42
f i r m y, l u d z i e , p r o d u k t y
Rys. 10.
Oscylogram
prπdu i napiÍcia
w momencie
wy≥πczenia przy I1
Rys. 11.
Oscylogram prπdu
i napiÍcia
w momencie
wy≥πczenia
bezpiecznika
przy prπdzie I2
jest 10 do 1000 mniejsza niø przy wy≥πczaniu prπdu I1. Oscylogram prπdu i napiÍcia
w momencie wy≥πczenia bezpiecznika
przy prπdzie I2 przedstawia rysunek 11.
Maksymalne napiÍcie ≥uku elektrycznego jest wyøsze od wartoúci krytycznej napiÍcia elektrycznego w sieci, wzrost napiÍcia ≥uku elektrycznego jest znacznie wolniejszy. WartoúÊ ca≥ki Joule'a I2t = 62 239
A2s. Czas topienia elementu topikowego
oraz czas ≥ukowy jest d≥uøszy.
SelektywnoúÊ wk≥adek
po≥πczonych szeregowo
W celu przedstawienia podstawowych
zasad selektywnej wspÛ≥pracy bezpiecznikÛw po≥πczonych szeregowo przedstawiony zostanie schemat instalacji elektrycznej
(rys. 12) oraz wykresy energetyczne bezpiecznikÛw I2t (rys. 13).
Na wykresach tych zaznaczono ñ dla
wk≥adki topikowej 1 ñ wartoúÊ jej ca≥ki
przed≥ukowej I2tsñ obszar koloru pomaraÒczowego, a dla wk≥adki topikowej 2 ñ wartoúÊ jej ca≥ki wy≥πczania I2tA ñ obszar koloru niebieskiego.
Selektywna wspÛ≥praca wk≥adki topikowej 1 i wk≥adki topikowej 2 jest zapewniona wtedy, kiedy obszar koloru pomaraÒczowego jest wiÍkszy od obszaru koloru
niebieskiego. Tak wiÍc wtedy, kiedy wartoúÊ ca≥ki przed≥ukowej (topienia) wk≥adki 1 jest wiÍksza od ca≥ki wy≥πczania
wk≥adki 2. Taka selektywna wspÛ≥praca
jest zapewniona, jeúli prπdy znamionowe
bezpiecznikÛw sπ dobrane w stosunku
wiÍkszym niø 1: 1,6.
Przyk≥ad:
wk≥adka 1 ñ 100A
wk≥adka 2 ñ 63A
I2tS = 7700A2s
2
I tLB = 10300 A2s
--------------------Wtedy: I2tS = 24000A2s > I2tA = 18000 A2s
Energia wy≥πczania
bezpiecznika
Energia wy≥πczania bezpiecznika to
energia elektryczna w obwodzie, ktÛra
w czasie palenia siÍ ≥uku elektrycznego we
wk≥adce zamienia siÍ w energiÍ cieplnπ
(ktÛrπ przejmuje element topikowy i wype≥niajπcy wk≥adkÍ piasek kwarcowy).
ta
Wa = ∫uLB id dt =Wm + Wc
ts
- ca≥kowita energia wydzielona w czasie
palenia siÍ ≥uku elektrycznego,
Rys. 13. Wykresy energetyczne bezpiecznikÛw I2t
Rys. 12. Schemat instalacji elektrycznej
R
E
K
L
A
M
A
1/6
42
grudzieÒ 2005
f i r m y, l u d z i e , p r o d u k t y
Rys. 14.
Bezpiecznik topikowy
firmy Eti Polam
gdzie:
Wm = 1/2 LcI2m
Im ñ (energia elektromagnetyczna
w obwodzie elektrycznym,
Lc ñ wartoúÊ prπdu w momencie
wy≥πczenia indukcyjnoúÊ obwodu
elektrycznego
ta
Wc = ∫uc id dt
ts
ñ energia elektryczna pobrana ze ürÛd≥a w czasie
palenia siÍ ≥uku elektrycznego
Energia wy≥πczania jest rÛwna co najmniej potencjalnej energii
elektromagnetycznej. Roúnie wraz ze stosunkiem: czas ≥uku / czas
topienia.
ts
0
Ca≥ka ≥ukowa bezpiecznika:
ta
Ka = ∫ i2 dt
ts
Ca≥ka wy≥πczania bezpiecznika:
ta
Km + Ka = ∫ i2 dt
ts
Ca≥ka wy≥πczania bezpiecznika okreúla ca≥kowitπ energiÍ cieplnπ, oddanπ do obwodu elektrycznego. Jest sumπ ca≥ki ≥ukowej
i ca≥ki przed≥ukowej (topienia).
inø.
Roman K≥opocki
Autor jest pracownikiem
firmy ETI Polam w Pu≥tusku
ETI-Polam Sp. z o.o.
06-100 Pu≥tusk
ul. Solna 3
tel. (23) 691 91 00
fax (23) 692 32 12
e-mail: [email protected]
www.etipolam.com.pl
A
L
R
E
Km = ∫ id dt
K
Ca≥ka przed≥ukowa (topienia) bezpiecznika jest to wartoúÊ podana przez jego producenta i okreúla energiÍ potrzebnπ do przetopienia os≥abionych miejsc elementu topikowego (przewÍøeÒ)
bezpiecznika:
M
A
Ca≥ka wy≥πczania, ca≥ka przed≥ukowa (topienia),
ca≥ka ≥ukowa