Współdziałanie bezpieczników i ograniczników

Dr inż. Edward Musiał
Politechnika Gdańska
Współdziałanie bezpieczników i ograniczników przepięć
Dla poprawnego funkcjonowania instalacji i urządzeń elektrycznych ważne jest
skoordynowanie rozmaitych systemów zabezpieczenia i ochrony, działających na różnej
zasadzie i wykorzystujących odmienne kryteria działania. Dotyczy to między innymi
współdziałania zabezpieczeń nadprądowych z zabezpieczeniami podnapięciowymi
i różnicowoprądowymi oraz odgromnikami bądź ogranicznikami przepięć. Odgromniki bądź
ograniczniki przepięć mogą wymagać dobezpieczenia za pomocą bezpieczników. Dobór
bezpieczników i miejsca ich zainstalowania powinien uwzględniać nie tylko skuteczność
dobezpieczenia, ale również konsekwencje wprowadzenia w instalacji kolejnego
zabezpieczenia nadprądowego, które powinno współdziałać wybiorczo z innymi.
Ograniczniki przepięć wchodzące w skład układu ochrony przeciwprzepięciowej instalacji
elektrycznej mogą wymagać koordynacji z zabezpieczeniami nadprądowymi, które
dobezpieczają ograniczniki i/lub zabezpieczają urządzenia i ich obsługę przed skutkami
zwarcia w ogranicznikach.
W instalacjach narażonych na wnikanie prądu piorunowego z zasilającej linii napowietrznej
i/lub z piorunochronu, pierwszy stopień ochrony, na granicy stref ochronnych 0 i 1, wymaga
ograniczników przepięć klasy I. Są to ograniczniki wyładowcze o nieciągłej charakterystyce
napięciowo-prądowej, ucinające przepięcie, zdolne odprowadzać prądy piorunowe o kształcie
udaru 10/350 µs. Instaluje się je w złączu lub w głównej rozdzielnicy i zarazem w pobliżu
głównej szyny wyrównawczej obiektu. Można wyróżnić trzy stany ich działania:
1. Stan izolowania przy napięciu roboczym, nieprzekraczającym największego napięcia
trwałej pracy ogranicznika UC, kiedy rezystancja między jego zaciskami jest rzędu
gigaoma.
2. Przewodzenie prądu wyładowczego po zapłonie ogranicznika. Między jego
zaciskami przepięcie narasta do poziomu udarowego napięcia zapłonu, wywołuje
zapłon, po czym napięcie maleje do wartości napięcia obniżonego Ures (spadku
napięcia na łuku, na ogół 10÷50 V). Odprowadzany przez ogranicznik prąd piorunowy
pochodzi z fikcyjnego źródła o właściwościach zbliżonych do idealnego źródła prądu.
Jest zatem wymuszeniem prądowym, którego wartość szczytowa i przebieg w czasie
nie zależą od zjawisk zachodzących w ograniczniku, w bezpieczniku i w innych
elementach znajdujących się na drodze jego przepływu. Co najwyżej, stwarzając
równoległe drogi przepływu i odpowiednio dobierając ich impedancje udarowe można
wpływać na wartość cząstkowego prądu płynącego określonym torem. Zdolność
przewodzenia przez ogranicznik określoną liczbę razy prądu wyładowczego
charakteryzuje znamionowy prąd wyładowczy oraz największy (graniczny) prąd
wyładowczy o umownym kształcie udaru T1/T2 (czas czoła/czas grzbietu).
3. Wyłączanie prądu następczego, który w przestrzeni międzyelektrodowej, uprzednio
zjonizowanej przez prąd wyładowczy, płynie pod działaniem napięcia roboczego. Prąd
następczy jest równy spodziewanemu prądowi zwarciowemu w miejscu
zainstalowania ogranicznika (przy rodzaju zwarcia odpowiadającym zwarciu
biegunów, między którymi są włączone ograniczniki). Prąd następczy powinien być
wyłączony przez sam ogranicznik przy pierwszym naturalnym przejściu przez zero,
zatem czas jego przepływu w sieci 50 Hz nie powinien przekraczać 10 ms. Zdolność
1
wyłączania prądu następczego If jest związana z przebiegiem spodziewanego napięcia
powrotnego TRV. Zwykłe ograniczniki przepięć, wtrącając do obwodu rezystancję
łuku, nieznacznie zmniejszają wartość prądu następczego i jego skutek cieplny I2t.
Przed rokiem 2000 zaczęły pojawiać się konstrukcje coraz silniej ograniczające prąd
następczy oraz jego skutek cieplny i wykazujące bardzo dużą zdolność wyłączania
prądu następczego If.
Tablica 1. Obliczeniowe parametry prądu piorunowego 10/350 µs w zależności od poziomu
ochrony
Poziom ochrony
I
II
III i IV
Wartość szczytowa prądu
kA
IG
200
150
100
10000
5600
2500
Całka Joule'a PG
kA2s
Znamionowy i graniczny prąd wyładowczy ogranicznika tak się dobiera zależnie od stopnia
ochrony (tabl. 1), aby prawdopodobieństwo ich przekroczenia było dostatecznie małe, ale ze
względu na rozkład losowy parametrów piorunów i znikome, ale niezerowe
prawdopodobieństwo wystąpienia wartości większych, wykluczyć tego nie można. Trzeba się
liczyć z możliwością uszkodzenia ogranicznika, również ze zwarciem elektrod, na co
powinno zareagować poprzedzające zabezpieczenie nadprądowe. Do zwarcia elektrod może
też dojść w następstwie stopniowego ich zużywania się, po wielokrotnym przepływie prądu
wyładowczego o wartości zbliżonej do znamionowej.
2
Rys. 1. Rozpływ prądu piorunowego przy bezpośrednim uderzeniu pioruna
w chroniony budynek z instalacją o układzie TN
Największe narażenia ograniczników w budowlach z piorunochronem występują przy
bezpośrednim uderzeniu pioruna (rys. 1). Prąd piorunowy IG dzieli się na część (1- )×IG
odpływającą bezpośrednio do ziemi i część IZ= ×IG odprowadzaną przewodami zasilającej
sieci elektroenergetycznej. Zakłada się, że wszystkie przewody doprowadzone do złącza
w liczbie m w jednakowym stopniu w tym uczestniczą, a więc każdy odprowadza prąd
Jest to zarazem największy prąd obliczeniowy, jaki może przepływać przez pojedynczy
ogranicznik i pojedynczy bezpiecznik. Jak widać, z tego punktu widzenia korzystne są
przyłącza trójfazowe (m = 4). Korzystna jest też mała wartość współczynnika ( < 0,5),
czemu sprzyja mała udarowa rezystancja uziemienia układu uziomu piorunochronowego.
Zdolność wyłączania prądu następczego If zwykłych ograniczników (nieograniczających
prądu następczego) jest nieduża, nie przekracza 4 kA. Jeśli spodziewany prąd zwarciowy jest
od niej większy, to ogranicznik wymaga dobezpieczenia, a tę rolę zwykle spełnia bezpiecznik
klasy gG. Jego rolą jest przetrzymać prąd następczy przynajmniej do chwili pierwszego
przejścia przez zero, by mógł go wyłączyć ogranicznik wyładowczy, a gdyby to się nie stało samemu go wyłączyć. W tym celu bezpiecznik powinien przetrzymywać bez nadwerężenia
sumaryczną całkę Joule'a najpierw prądu piorunowego, a zaraz potem - prądu następczego If
przepuszczaną przez ogranicznik w przeciągu 10 ms.
Rys. 2. Usytuowanie ograniczników wyładowczych pierwszego stopnia ochrony
względem bezpieczników złącza (F1.F3) i ewentualnych bezpieczników gałęzi
poprzecznej (F4.F6) przy zasilaniu z sieci o układzie TN-C
Wytwórca podaje największy dopuszczalny prąd znamionowy Inmax bezpiecznika klasy gG,
który jest w stanie dobezpieczyć ogranicznik i zarazem podaje prąd zwarciowy
wytrzymywany przez ogranicznik wespół z tym bezpiecznikiem.
Jeśli bezpiecznik dobezpieczający jest potrzebny, nie musi być on umieszczony w gałęzi
ochrony (rys. 2a, b); równie dobrze rolę dobezpieczenia może pełnić bezpiecznik w torze
zasilania (rys. 2c), np. bezpiecznik w złączu, jeśli jego prąd znamionowy nie jest większy niż
wymagana wartość Inmax. Zadziałanie bezpiecznika w gałęzi ochrony (rys. 2a, b) odcina
ogranicznik od chronionej instalacji, a bezpiecznika w torze zasilania (rys. 2c) - zakłóca
3
zasilanie instalacji. Obydwa zdarzenia są niepożądane i dlatego bezpiecznik powinien
zadziaływać tylko w razie konieczności, jeśli ogranicznik wyładowczy nie jest w stanie sam
poprawnie wyłączyć prądu następczego. Bezpiecznik powinien więc z zasady mieć prąd
znamionowy równy największemu dopuszczalnemu, podanemu przez wytwórcę.
Rys. 3. Zachowanie się wkładek bezpiecznikowych gG o napięciu znamionowym 500 V
poddanych przepływowi prądu piorunowego 10/350 m s o różnej wartości [1]
Zachowanie się bezpieczników klasy gG, przez które przepływa prąd piorunowy 10/350 µs
jest poglądowo przedstawione na rys. 3. Bezpiecznik przetrzymuje prądy mniejsze niż
udarowy prąd zadziałania (tabl. 2). Jego wartości podane na rysunku w oparciu
o wcześniejsze oszacowania są nieco zawyżone. Uwzględniają one wprawdzie, że przy dużej
stromości prądu piorunowego naskórkowość silnie obniża całkę Joule'a przedłukową I2tp, ale
nie uwzględniają marginesu na wielokrotne przetrzymywanie impulsów prądowych i nie
uwzględniają skutku cieplnego prądu następczego [4]. Bardziej miarodajną informacją jest
podana w tabl. 3 całka Joule'a wielokrotnie przetrzymywana przez bezpiecznik, którą należy
porównywać z łączną całką Joule'a prądu piorunowego i prądu następczego.
W razie przekroczenia udarowego prądu zadziałania dochodzi do rozpadu topika i zapłonu
łuku, co jednak nie wpływa na przebieg prądu piorunowego (rys. 4), pochodzącego
z fikcyjnego idealnego źródła prądu. Bezpiecznik nie jest w stanie przerwać przepływu tego
prądu ani ograniczyć jego wartości szczytowej; zresztą topik na ogół rozpada się już po jej
przeminięciu.
Nie ma mowy o wybiorczym działaniu bezpieczników poddanych przepływowi prądu
piorunowego, skoro bezpiecznik takiego prądu nie wyłącza. Wymaga się wprawdzie, aby
bezpieczniki poprzedzające w torze zasilania F1.F3 (rys. 5a) miały prąd znamionowy co
najmniej 1,6-krotnie większy niż bezpieczniki F4.F6 w gałęzi poprzecznej ograniczników, ale
chodzi tylko o wybiorczość podczas przepływu prądu następczego, gdyby bezpieczniki miały
go wyłączać.
Tablica 2. Udarowy prąd zadziałania wkładek bezpiecznikowych klasy gG [3]
Prąd
znamionowy
wkładki In
Całka Joule'a Prąd zadziałania [kA] przy udarze o kształcie
przedłukowa
10/350 µs
8/20 µs
I2tp
A
A2s
kA
kA
25
1210
2,2
9,3
4
32
2500
3,2
13,4
40
4000
4,0
16,9
50
5750
4,8
20,3
63
9000
6,0
25,4
80
13700
7,5
31,3
100
21200
9,3
38,9
125
36000
12,1
50,7
160
64000
16,1
67,6
200
104000
20,6
86,2
250
185000
27,5
115,0
Przy prądzie piorunowym kilkakrotnie większym niż udarowy prąd zadziałania bezpiecznika
dochodzi do wybuchowego rozpadu topika i wzrostu ciśnienia we wkładce powodującego
pękanie korpusu, a nawet jego eksplozyjne rozerwanie. Progowa wartość prądu piorunowego
zagrażającego eksplozją wkładki bezpiecznikowej jest tym większa, im większy jest jej prąd
znamionowy (rys. 3). To kolejny powód, aby ograniczniki dobezpieczać bezpiecznikami
o prądzie znamionowym równym największemu dopuszczalnemu Inmax.
Tablica 3. Całka Joule'a prądu piorunowego wielokrotnie przetrzymywana przez
zabezpieczenia nadprądowe o różnym prądzie znamionowym [2]
Prąd znamionowy
A
I2t bezpiecznika
kA2s 1,3 2,0 3,2 5
40
I2t wyłącznika SHU kA2s 33
50
38
63
50
80 100 125 160 200 250
8
12
22
39
69
50 55
Nie można wyeliminować obciążeń, jakim ograniczniki wyładowcze i bezpieczniki podlegają
przy prądach wyładowczych, ale można zmniejszać obciążenia, które są wynikiem prądów
następczych. Ograniczniki przepięć ograniczające prąd następczy wykorzystują technikę
wymuszonego gaszenia łuku stosowaną w wyłącznikach, co pozwala uzyskać efekt
ograniczający i dużą zdolność wyłączania. Ograniczniki o łuku dzielonym wyłączają
samodzielnie prądy następcze o wartości do 25 kA, a ograniczniki samowydmuchowe o łuku
chłodzonym promieniowo i osiowo - do 50 kA. Te ostatnie spodziewany prąd następczy
o wartości skutecznej 50 kA ograniczają do wartości szczytowej poniżej 2 kA, a skutek
cieplny I2t każdego prądu następczego do poziomu pozwalającego go przetrzymać
bezpiecznikowi gG 40 A. Zależnie od stopnia ograniczania prądu następczego (rys. 8) takie
ograniczniki przepięć dopuszczają znacznie większy prąd Inmax albo nawet żadnych wymagań
w tym względzie nie stawiają. Przydają się w miejscach, gdzie prądy zwarciowe są duże, przy
złączach instalacji odbiorczych zasilanych bezpośrednio ze stacji o dużej mocy.
5
Rys. 4. Przebieg prądu
i napięcia między zaciskami
bezpiecznika
gG 25A
poddanego
przepływowi
prądu piorunowego
Bezpiecznikom poprzedzającym wszelkie ograniczniki przepięć przypada jeszcze jedno
zadanie - zwarciowe zabezpieczenie przewodów gałęzi ochrony. Przewody te, sporadycznie
obciążane, nie wymagają żadnych zabezpieczeń przeciążeniowych. Ich największe narażenia
cieplne występują podczas zwarcia w ogranicznikach, a nie podczas przepływu prądu
piorunowego. Na przykład prąd piorunowy 50 kA 10/350 µs wywołuje w przybliżeniu taki
skutek cieplny, jak impuls piłokształtny o wartości szczytowej Im = 50 kA i czasie trwania tu =
10+2 × (350 - 10) = 690 µs, czyli równy
Takie obciążenie cieplne wytrzymuje z dużym zapasem przewód miedziany o izolacji
polwinitowej, o przekroju 10 mm2, co wynika ze wzoru
W przypadku ogranicznika wyładowczego należałoby dodać skutek cieplny prądu
następczego. Na przykład, jeśli nie występuje ograniczanie prądu następczego 5 kA,
to w ciągu 10 ms jego skutek cieplny osiąga wartość Wn = 50002 × 0,010 = 250000 A2s.
Przewód o przekroju 10 mm2 nadal wystarcza, co wynika z obliczenia
Wstępnie dobrany przewód 10 mm2 w warunkach nagrzewania adiabatycznego dopuszcza
skutek cieplny prądu (k × s )2 × 1 = (115 × 10)2 × 1 = 1322500 A2s. Przy czasie wyłączania
zwarcia 5 s ten przekrój wystarczyłby tylko wtedy, gdyby poprzedzający bezpiecznik miał
prąd znamionowy 80 A (o całce Joule'a wyłączania przy 5 s równej I2tw5= 1021520 A2s) albo
mniejszy.
Reasumując, bezpieczniki poprzedzające ograniczniki przepięć mogą spełniać różnorodne
funkcje:
6




wspomagają wyłączanie prądu następczego, jeżeli spodziewany prąd zwarciowy
przekracza zdolność wyłączania ogranicznika wyładowczego,
zabezpieczają ogranicznik przed przekroczeniem jego obciążalności zwarciowej,
dokonują
samoczynnego
wyłączenia
zasilania
dla
celów
ochrony
przeciwporażeniowej w razie trwałego zwarcia L-PE w układzie ograniczników,
zabezpieczają przed skutkami zwarć przewody gałęzi poprzecznej ogranicznika.
Wszystkie te funkcje bierze się pod uwagę decydując o umiejscowieniu bezpieczników
i doborze ich prądu znamionowego. Wypada też zdawać sobie sprawę, że określenie
"bezpieczniki poprzedzające" jest umowne, bo kierunek propagacji fali przepięciowej nie
musi się pokrywać z kierunkiem przesyłania energii. Po uderzeniu pioruna w zasilającą linię
napowietrzną część prądu piorunowego z tej linii wnika do instalacji odbiorcy i jej uziemień.
Po uderzeniu pioruna w budynek, część prądu piorunowego poprzez główną szynę
wyrównawczą i ograniczniki wpływa do sieci zasilającej.
Przykład.
W sytuacji, jak na rys. 1, w trójfazowym czteroprzewodowym złączu instalacji TN-C
o napięciu 400 V z bezpiecznikami gG 100 A spodziewany prąd zwarciowy wynosi
Do budynku z uziomem fundamentowym są doprowadzone i przyłączone do głównej szyny
wyrównawczej metalowe rurociągi oraz przewody sygnałowe o metalowej powłoce bądź żyle
zewnętrznej. Obowiązuje poziom ochrony przeciwprzepięciowej III i przewiduje się
zainstalowanie trzech ograniczników. Należy sprawdzić czy bezpieczniki w złączu można
traktować jako należyte dobezpieczenie tych ograniczników.
Przy poziomie ochrony III i IV należy liczyć się z całkowitym prądem piorunowym
o wartości do IG = 100 kA (tabl. 1). Uziom fundamentowy i liczne uziomy naturalne
odprowadzą ponad połowę prądu piorunowego i można szacować, że do przewodów
elektroenergetycznych przedostanie się prąd IZ niewiększy niż 40 % ( = 0,4) podanej
wartości
IZ = × IG = 0,4 × 100 = 40 kA
Przyłącze jest czteroprzewodowe (m = 4), wobec czego pojedynczym przewodem popłynie
prąd cząstkowy około
Jak wynika z rys. 3 i tabl. 2 cząstkowy prąd piorunowy 10 kA nie spowoduje eksplozji
bezpiecznika gG 100 A w złączu, ale przekracza jego udarowy prąd zadziałania (9,3 kA).
Nowsze dane liczbowe dotyczące koordynacji ogranicznika z bezpiecznikiem pozwalają
sprawdzić dokładniej, jaki należałoby zastosować bezpiecznik, aby uniknąć zbędnych
zadziałań. Prądowi piorunowemu 100 kA 10/350 µs przypisuje się całkę Joule'a PG = 2500
kA2s (tabl. 1), wobec czego prądowi cząstkowemu odpowiada całka Joule'a PZZ mniejsza,
proporcjonalna do kwadratu stosunku wartości prądów
7
Całka Joule'a prądu następczego dla dobranych ograniczników przy spodziewanym prądzie
zwarciowym 2 kA i przy napięciu 230 V według danych wytwórcy nie przekracza wartości
PF = 10 kA2s. Łączna całka Joule'a prądu piorunowego i prądu następczego przepuszczona
przez ogranicznik wynosi
P R = PZZ + PF = 25 + 10 = 35 kA2s
Tę całkę Joule'a powinny przetrzymywać poprzedzające zabezpieczenia nadprądowe, aby nie
powodowały zbędnych wyłączeń. Bezpiecznik w złączu gG 100 A ma przy prądzie
piorunowym całkę Joule'a przetrzymywania tylko 8 kA2s, czyli dalece niewystarczającą.
Obliczoną całkę PR=35 kA2s przetrzymuje bezpiecznik 200 A. Projektantowi pozostaje
wybrać jedną z następujących możliwości:




układ połączeń jak na rys. 2c z bezpiecznikami w złączu gG 100 A i ryzyko ich
zbędnych zadziałań, co jest bardzo niepożądane,
układ połączeń jak na rys. 2c z bezpiecznikami w złączu gG 200 A, jeśli takie
zwiększenie ich prądu znamionowego jest dopuszczalne z innych powodów,
układ połączeń jak na rys. 2c ale z użyciem selektywnego wyłącznika SHU zamiast
bezpiecznika,
układ połączeń jak na rys. 2d z bezpiecznikami w złączu gG 100 A, jeśli można
akceptować interwencję poprzedzających bezpieczników (In>=200 A) w sieci
rozdzielczej w razie uszkodzenia ogranicznika przepięć w złączu.
Wypada dodać, że przed rokiem 2000 koordynację ograniczników z bezpiecznikami opierano
na bardzo uproszczonym rozumowaniu. W niniejszym przykładzie wyglądałoby ono
następująco: przy spodziewanym prądzie zwarciowym
przy napięciu 230 V
ogranicznik przepuszcza prąd następczy 1 kA (katalog firmowy), co w przeciągu półokresu
(0,01 s) odpowiada całce Joule'a PF = 10002 × 0,01 = 10000 A2s = 10 kA2s. W rzeczywistości
całka PF będzie przeważnie mniejsza, bo prawidłowo wyłączany prąd następczy tylko
wyjątkowo płynie przez cały półokres. Wystarczy zatem bezpiecznik gG 63 A o całce Joule'a
przedłukowej 9 kA2s i takie wartości pojawiały się w piśmiennictwie fachowym
i w katalogach. Niesłusznie pomijano skutek cieplny uprzednio płynącego prądu piorunowego
PZZ oraz wpływ naskórkowości i innych zjawisk towarzyszących przepływowi prądu
piorunowego na wartość całki Joule'a przedłukowej bezpiecznika.
Literatura




Hasse P., Noack F.: Neue Blitzschutznormen in der Praxis. Elektromeister +
Deutsches Elektrohandwerk, 1998, nr 1-2, s. 41-47, nr 3, s. 140-142.
Hering
E.:
Blitzstoßstromableiter
und
Überstrom-Schutzeinrichtungen.
Elektropraktiker, 1999, nr 7, s. 630-634.
Raab V.: Blitz- und Überspannungsschutz-Maßnahmen in NS-Anlagen.
Elektropraktiker, 1996, nr 11, s. 944-950, nr 12, s. 1043-1046.
Schönau J., Noack F.: Blitzstromverhalten von Niederspannungs-Hochleistungs-(NH)Sicherungen. etz 2004, nr 1, s. 24-27.
8