Korzyści wynikające ze stosowania współczesnych

Korzyści wynikające ze stosowania współczesnych

Andrzej Wolny
Politechnika Gdańska
Korzyści wynikające ze stosowania współczesnych bezpieczników
topikowych
Abstrakt:
Przedstawiono podstawowe wady i zalety bezpieczników, ich własności oraz podstawy
fizyczne działania, a także głównych charakterystyk. Uzasadniono różnorodność dostępnych
rodzajów wkładek. Porównano skutki stosowania zabezpieczeń opartych na wyłącznikach
i bezpiecznikach. Wykazano, że bezpieczniki nadal są niezastąpione jako zabezpieczenie
"życia", do ograniczania prądów zwarciowych i pomagające w zwalczaniu zapadów napięcia.
1. WPROWADZENIE
Historia bezpieczników topikowych do zabezpieczania obwodów elektrycznych od skutków
zwarć i przeciążeń jest bardzo długa. Sięga początków rozwoju elektroenergetyki. Chociaż
patent Edisona z roku 1880 przysporzył jego twórcy miano ojca bezpieczników, to istnieją
jeszcze wcześniejsze publikacje np. Sir Edwarda Nairne z roku 1773 opisujące zachowanie
się przewodu obciążanego dużym impulsem prądu. Warunki takie charakteryzują między
innymi działanie bezpieczników [1].
W ciągu długiego czasu kariery bezpieczników powstało wiele typów, przeznaczonych
zarówno do uniwersalnych zastosowań, jak i do wyspecjalizowanych, dostosowanych do
specyficznych własności i wymagań określonych urządzeń, a także warunków pracy. Oferta
handlowa zaczyna się od miliamperowych prądów znamionowych i napięć od kilkunastu
woltów do kilku kiloamperów i kilkudziesięciu kilowoltów. Ciekawostką może być fakt,
że w latach 60-tych ubiegłego wieku w Politechnice Gdańskiej opracowano i wykonano tzw.
bezpiecznikozwiernik, aparat zawierający bezpieczniki gazowydmuchowe 110 kV, który miał
zastąpić wyłączniki w stacjach uproszczonych. Prądy wyłączalne bezpieczników przekraczają
100 kA, a w przypadku bezpieczników na małe prądy znamionowe, np. bezpieczników
przekładnikowych, mogą być praktycznie nieograniczone.
Współczesne bezpieczniki niczym nie przypominają swoich protoplastów. Dzięki
wykorzystaniu nowoczesnych technologii są znacznie mniejsze, posiadają lepsze parametry
i są niezawodne. Zastosowanie topików cienkowarstwowych pozwoliło na radykalne
zwiększenie dopuszczalnych gęstości prądu i znaczącego skrócenia cieplnej stałej czasowej,
co doprowadziło do zbudowania skutecznego zabezpieczenia urządzeń półprzewodnikowych.
Rozwijane w Chinach bezpieczniki próżniowe mają poprawić zdolność zabezpieczania
od przeciążeń w zastosowaniach wysokonapięciowych [2]. Zgromadzone bogate
doświadczenie ze stosowania bezpieczników jest nieco odmienne dla krajów europejskich
i Ameryki, ze względu na różne koncepcje budowy sieci rozdzielczej i wysokości napięć,
co znalazło odbicie w wymaganiach normalizacyjnych.
Bezpieczniki posiadają wiele zarówno zalet jak i wad. Te pierwsze zdecydowanie przeważają,
szczególnie w tych przypadkach, gdy ważne jest ograniczanie prądu oraz szybkie
i niezawodne działanie w warunkach zwarciowych. Autor zauważył np. w Wierzbięcinie
w stacji łącza HVDC Szwecja - Polska olbrzymią liczbę zabezpieczeń bezpiecznikowych,
1
które wprowadzono po kilku awariach spowodowanych niesprawnością wyłączników.
Bezpieczniki poprawiły sytuację radykalnie.
Od wielu lat toczy się dyskusja nad kierunkiem rozwoju bezpieczników i ich stosowalnością.
W 2003 roku Bessei [3] wymienił długą listę najistotniejszych cech bezpieczników, zarówno
zalet jak i wad, choć z pewnością niekompletną. Do zalet zaliczył to, że:












charakteryzują się dużą zdolnością wyłączania
obiekty chronione przez bezpieczniki nie są narażone na skutki cieplne ani
dynamiczne od prądów zwarciowych, w związku z czym nie wymaga się
wykonywania obliczeń takiego zagrożenia
zapewniają prosty i tani sposób dostosowania zabezpieczeń systemu
elektroenergetycznego przy wzroście poziomu prądów zwarciowych
konieczność wymiany wkładki bezpiecznikowej wymusza interwencję obsługi,
co pozwala na szybką identyfikację powodu jej zadziałania i likwidację uszkodzenia
są niezawodne w działaniu ze względu na brak części ruchomych i dużą odporność na
wpływ środowiska
zapewniają niskie koszty ochrony, szczególnie w przypadku umiarkowanych prądów
roboczych, przy wysokim poziomie prądów zwarciowych
znacząco obniżają narażenia od prądów zwarciowych chronionych obiektów, w tym
łączników w obwodach zasilających silniki
są bezpieczne, ciche (oprócz gazowydmuchowych) szybkie w działaniu i ograniczają
efekty wywoływane przez łuk w miejscu zwarcia (krótki czas zwarcia)
dzięki znormalizowanym charakterystykom możliwa jest łatwa koordynacja
zabezpieczeń
znormalizowane charakterystyki umożliwiają stosowanie wkładek dowolnego
producenta
stosowanie bezpieczników poprawia jakość energii (brak zapadów)
dzięki znormalizowanym charakterystykom zapobiega się uszkodzeniom, które
mogłyby powstać przez nieodpowiedzialne przestawianie nastawień.
Wśród najistotniejszych wad wymienił przede wszystkim:





możliwość pracy 2-fazowej po zadziałaniu tylko jednej wkładki topikowej
konieczność wymiany wkładki wymuszająca ingerencję obsługi
niesłusznie ocenianą jako przestarzała technologię zabezpieczeń
konieczność magazynowania wkładek wymiennych
trudność prawidłowego zabezpieczania od przeciążeń
Ponadto, można usłyszeć skargi na nieuzasadnione działanie bezpieczników w czasie burzy,
gdy są użyte do zabezpieczenia małych transformatorów w słupowych stacjach
napowietrznych. Istnieje trudność zapewnienia przez bezpieczniki wysokonapięciowe
wyłączania małych prądów powodujących ich zadziałanie (działanie niepełnozakresowe),
a stosowane metody usunięcia tej wady są dość kosztowne. Wydaje się jednak,
że najczęstszym prawdziwym powodem skarg na bezpieczniki, jest trudność dobrania
najwłaściwszej wkładki bezpiecznikowej przez osoby nie mające dostatecznej praktyki
w stosowaniu tych zabezpieczeń. Po prostu nie zauważa się popełnionych błędów
i nieprawidłowym działaniem obarcza się bezpiecznik. Jak wykazał Ossowicki [4] tak może
być w wielu przypadkach nieprawidłowego działania bezpieczników użytych do
zabezpieczania transformatorów SN w napowietrznych stacjach słupowych. Trudny czasem
2
do zrozumienia fakt, że charakterystyki czasowoprądowe bezpieczników muszą być bardzo
zróżnicowane wynika z własności chronionych obiektów. Szybkość zmian ich temperatury
przy danym prądzie zakłóceniowym zależy od ich termicznej stałej czasowej, a temperatura
dopuszczalna - od zastosowanych materiałów. Nikt nie może podważyć faktu, że bezpieczniki
należą do ekonomicznych najszybciej działających zabezpieczeń zwarciowych o niewielkich
wymiarach, skutecznie ograniczających prądy zakłóceniowe. Są niezastąpione jako
zabezpieczenie ostatniej szansy odcinające urządzenie poważnie uszkodzone zapobiegając
eksplozji lub rozprzestrzenieniu się awarii. Ich zalety są widoczne także w wielu innych
zastosowaniach. Nie oznacza to jednak, że zawsze stanowią najlepszą opcję.
2. WŁASNOŚCI BEZPIECZNIKÓW
Bezpiecznik jest najbardziej zwartym urządzeniem zabezpieczającym przed skutkami prądów
zakłóceniowych. Spełnia zarówno rolę zespołu czujników śledzących wartość prądu
w chronionym obwodzie i jego szybkość narastania, jak i bardzo szybkiego łącznika
przerywającego prąd. Gdy stosuje się bezpieczniki niepotrzebne stają się przekładniki,
przekaźniki, wyzwalacze i urządzenia sterujące. Jest więc zabezpieczeniem ekonomicznym.
Ponieważ bezpiecznik nie posiada napędu jest niewrażliwy na uszkodzenia mechaniczne, czy
zużycie. Nie może się zaciąć i musi zadziałać, jeśli tylko wydzielone w nim ciepło, związane
z przepływającym prądem wywoła osiągnięcie przez topik temperatury topnienia. Wilgotność
powietrza i zapylenie nie wpływają na szybkość działania. W przypadku wyłączania
i ograniczania prądów zwarciowych, nawet, gdy czas wyłączania jest tak krótki, że np. nie
przekracza 100 µs, nie jest potrzebny żaden specjalny zasobnik energii.
2.1 Szybkość działania
O własnościach przedłukowych bezpieczników decyduje budowa topika i intensywność jego
chłodzenia, natomiast inne - zależą od techniki gaszenia. Pierwotnie topik był prostym
drutem. Obecnie jego kształt jest wyrafinowany i związany z przeznaczeniem bezpiecznika.
Aby poprawić chłodzenie i tym samym zmniejszyć przekrój topika stosuje się cienkie taśmy,
najczęściej srebrne, gdyż ten właśnie metal umożliwia minimalizację wymiarów wkładek
bezpiecznikowych oraz jest dość odporny na starzenie. W przypadku bezpieczników
szybkodziałających, np. do zabezpieczania półprzewodników konieczne jest maksymalne
skrócenie czasu nagrzewania w warunkach zakłóceniowych, co wiąże się z jeszcze większą
redukcją przekroju topika i zapewnieniem niezmiernie skutecznego chłodzenia. W tych
przypadkach stosuje się technikę warstw cienkich, np. naparowywanie topika na podłoże
ceramiczne, a osiągane gęstości prądu w normalnych warunkach roboczych mogą wynosić
nawet kilka kA/mm2. Skomplikowany kształt topika wynika z potrzeby kształtowania
charakterystyki t-I wkładki bezpiecznikowej. Przewężenia pozwalają radykalnie skrócić czas
przedłukowy w przypadku stromego wzrostu prądu zwarciowego. Charakteryzują się bardzo
małą cieplną stałą czasową ze względu na zmniejszoną masę na jednostkę długości.
Na rys. 1 wyjaśniono działanie przewężeń. W przypadku prądów wolno rosnących, małych
przeciążeń, cieplne stałe czasowe nie mają znaczenia. Całe ciepło wydzielane w przewężeniu
o przekroju zwarciowym Sz jest "wysysane" przez szeroką część topika o przekroju S,
działającą jak radiator i wskutek tego temperatury
oraz
z praktycznie się nie różnią.
Bezpiecznik działa tak, jakby miał jednolity topik o przekroju S.
3
Rys. 1. Działanie przewężenia w topiku: q - strumień ciepła odprowadzany z przewężenia
o przekroju Sz zwanym przewężeniem zwarciowym.
Przy bardzo szybkim wzroście prądu odbierania ciepła z przewężenia jest regulowane przez
cieplną stałą czasową "radiatora". Jest ona długa i strumień q nie może gwałtownie wzrosnąć.
Przez długi czas pozostaje mały w porównaniu z ilością ciepła wytwarzaną w przewężeniu
o przekroju Sz przez prąd zwarciowy. W tych warunkach bezpiecznik działa tak, jakby miał
topik o przekroju przewężenia. Dlatego właśnie Sz jest nazywane przekrojem zwarciowym.
W praktyce wartość S/Sz może znacznie przekraczać 10. Stosując stopniowanie przewężeń
kształtuje się charakterystyki bezpieczników w bardzo szerokim zakresie.
2.2. Charakterystyki
O powtarzalności charakterystyk bezpieczników decyduje w dużej mierze precyzja
wykonania przewężeń, która wpływa też na ich "pasmowość". Współczesne technologie
pozwoliły na znaczne zawężenie pasm aktualnie produkowanych bezpieczników
w porównaniu z protoplastami. Należy jednak zdawać sobie sprawę z faktu,
że charakterystyki t-I bezpieczników są określane dla symetrycznego prądu probierczego.
W zakresie prądów zwarciowych, prąd rzeczywisty może zawierać znaczną składową
bezokresową i to spowoduje znaczne rozrzuty czasów działania bezpiecznika, w porównaniu
z krzywą określoną dla prądu harmonicznego, gdy ich wartości są znacznie mniejsze
od 1 półokresu 50 Hz. Powodem trudności w stosowaniu bezpieczników do zabezpieczania
urządzeń od skutków małych przeciążeń jest konieczność zastosowania dość szerokiego
marginesu prądowego między dopuszczalnym długotrwale prądem znamionowym,
a najmniejszym prądem powodującym zadziałanie bezpiecznika, który można nazwać
granicznym Ig, a który jest często utożsamiany z prądem godzinnym, gdyż właśnie w takim
czasie sprawdza się najczęściej osiągnięcie granicy przetopienia, rys. 2. Ponieważ prąd Ig
powoduje osiągnięcie przez topik temperatury topnienia (dla srebra 9600C), nie może więc
być dopuszczony długotrwale, czyli nie można go uznać za prąd znamionowy. Jak wysoką
temperaturę dopuści się długotrwale zależy od konstrukcji bezpiecznika i jego przeznaczenia.
Np. decydujące znaczenie może mieć materiał, z jakim styka się topik. Jeśli jest to piasek
kwarcowy, któremu nie szkodzi nagrzanie do wysokiej temperatury - można się zgodzić na,
powiedzmy 5000C, o ile nie stosuje się efektów metalurgicznych. W przypadku
bezpieczników gazowydmuchowych lub cieczowych, gdy topik styka się z materiałem
organicznym, temperatura musi być znacznie niższa. Często wówczas nie przekracza 2000C.
Innym powodem obniżenia temperatury pracy w stosunku do temperatury przetopienia może
4
być zmęczenie termiczne i starzenie topika. Dlatego margines M z rys. 2. może być nawet
kilkusetprocentowy. Dla bezpieczników ograniczających - jest nie mniejszy niż 20÷25%,
a zwykle nieco większy. Oznacza to, że bezpiecznik nie może reagować na prądy
przeciążeniowe leżące wewnątrz marginesu M, co jest bez wątpienia jego wadą.
Rys. 2. Przedłukowa charakterystyka t-I bezpiecznika (skale logarytmiczne) oraz opisujące ją
zależności:
d - zastępcza średnica topika, k - współczynnik zależny od intensywności chłodzenia topika,
KM - stała Meyera, Sz - przekrój zwarciowy topika. Przedłukowa charakterystyka t-I
bezpiecznika posiada dwie asymptoty: jedną jest prąd graniczny Ig zależny od przekroju
topika S (zastępczej średnicy d) i intensywności chłodzenia, zaś drugą - krzywa Meyera (we
współrzędnych logarytmicznych - prosta) będąca granicą adiabatycznego nagrzewania
przewężenia o przekroju Sz. Charakterystyka t-I wyłączania różni się od charakterystyki
przedłukowej o czasy łukowe. Dla małych prądów charakterystyki te różnią się nieznacznie,
ze względu na dominujące znaczenie czasu przedłukowego. W zakresie prądów zwarciowych charakterystykę wyłączania wyróżniają dłuższe wartości czasów. Znormalizowane
charakterystyki t-I wkładek bezpiecznikowych są oznaczane dwoma literami: pierwsza z nich
(a lub g) oznacza zakres wyłączania, zaś druga (D, G, M, N i inne) - kształt charakterystyki,
czasy i prądy probiercze oraz granice prądów zadziałania:






g - wkładki topikowe o pełnozakresowej zdolności wyłączania
a - wkładki topikowe o niepełnozakresowej zdolności wyłączania
G - wkładki topikowe ogólnego przeznaczenia
M - wkładki topikowe do zabezpieczenia obwodów silnikowych
D - wkładki topikowe zwłoczne
N - wkładki topikowe szybkie
Na przykład -"gG" oznacza wkładki topikowe ogólnego przeznaczenia o pełnozakresowej
zdolności wyłączania (od najmniejszego prądu wywołującego zadziałanie bezpiecznika do
prądu wyłączalnego). Wkładki topikowe o niepełnozakresowej zdolności wyłączania (a) są
czasem nazywane wkładkami dobezpieczającymi. Świetnie wyłączają prądy zwarciowe,
pozostawiając przeciążenia innym zabezpieczeniom. Często do tej grupy należą bezpieczniki
5
wysokonapięciowe, czy zabezpieczające obwody silników, np. współpracujące
z rozłącznikami, w tym ze stycznikami. Przebieg znormalizowanych charakterystyk t-I oraz
sposób ich wyznaczania opisują normy przedmiotowe.
2.3. Ograniczanie prądu
Zdolność bezpieczników do wyłączania i ograniczania prądu zależy od zastosowanego
sposobu gaszenia łuku. W latach 20-tych XX w. własności bezpieczników
zrewolucjonizowało wykorzystanie piasku kwarcowego jako gasiwa, umożliwiając skuteczne
i tanie ograniczanie prądów zwarciowych. Mimo późniejszych licznych prób stosowania
innego gasiwa ziarnistego, a także jego "skamieniania" nie udało się znaleźć niczego
lepszego. Dopiero pod koniec XX w. cienkowarstwowe topiki nanoszone na podłoże szklane
reagujące z parami metalu topika pozwoliły na dalsze przyspieszenie działania i ograniczanie
prądu. Niestety, technika ta nadaje się na razie tylko do nieznacznych prądów. Bezpieczniki,
w których łuk gasi się innymi metodami, np. gazowydmuchowe, czy cieczowe, a także
próżniowe nie posiadają zdolności ograniczania prądów zwarciowych.
Rys. 3. Charakterystyka prądów ograniczonych bezpiecznika (skale logarytmiczne) rodziny
trzech wkładek bezpiecznikowych o prądach znamionowych I1, I2, I3.: Ip - symetryczny prąd
zwarciowy
Ograniczenie prądu następuje, gdy zapłon łuku w bezpieczniku nastąpi przed wystąpieniem
szczytowego prądu zwarciowego, a powstające napięcie łukowe przewyższy napięcie źródła.
Gdy nie jest spełniony tylko drugi warunek, stopień ograniczenia może być niewielki,
uwidaczniający się najbardziej pod koniec półokresu. Im wyższe napięcie łukowe - tym
szybciej następuje wyłączenie. Na rys. 3. pokazano typowe charakterystyki prądu
ograniczonego rodziny 3 bezpieczników o prądach znamionowych I1, I2, I3. Proste
(we współrzędnych logarytmicznych) mniej nachylone do pionu odpowiadają prądom
przepuszczanym bez ograniczenia. Różnią się między sobą współczynnikiem k określającym
stosunek prądu szczytowego do wartości maksymalnej wartości początkowego prądu
zwarciowego. Charakterystyki prądów ograniczonych odpowiadają w przybliżeniu
adiabatycznemu nagrzewaniu topika do momentu jego rozpadu. Wytwarzanie napięcia
łukowego przewyższającego napięcie zasilania towarzyszące skutecznemu ograniczaniu
prądów zwarciowych, a więc generowanie przepięć, było kiedyś uważane za jedną
z głównych wad bezpieczników z wypełniaczem piaskowym. Bezpieczniki współczesne,
6
dzięki dopracowaniu kształtu topika znacząco zredukowały przepięcia zachowując świetne
zdolności ograniczania prądu zwarciowego.
Rys. 4. Przedłukowa całka Joule'a w obwodzie chronionym bezpiecznikiem w funkcji czasu
wyłączania
Ograniczanie prądu zwarciowego wiąże się z niewielką całką Joule'a w chronionym
obwodzie, która wyraża energię wydzieloną przez prąd płynący przez rezystor jednostkowy
(1 ). Jest to cecha szczególnie istotna dla wrażliwych urządzeń, np. półprzewodnikowych.
Gdy czasy wyłączania są krótkie, to nagrzewanie jest praktycznie adiabatyczne i całka Joule'a
jest stała. Jest związana ze stałą materiałową Meyera i Sz2. Dla czasów dłuższych od 5 ms
najczęściej nie można założyć braku rozpraszania ciepła. Warto podkreślić fakt, że energia
potrzebna do rozpadu topika jest znacznie mniejsza niż do jego odparowania wskutek
występujących efektów mechanicznych (wynosi około 30% energii odparowania).
2.4. Straty mocy
Cienkie topiki dla skrócenia cieplnej stałej czasowej i spore ich długości dla uzyskania
odpowiedniej szybkości narastania wytrzymałości powrotnej przy znaczącej przewodności
gorącego na początku zeszkleńca powstającego ze spieczenia piasku z parami metalu
powodują, że bezpieczniki ograniczające charakteryzują się sporymi spadkami napięcia
w warunkach roboczych i w konsekwencji - znaczącymi stratami mocy, które należy wziąć
pod uwagę, gdy w niewielkiej obudowie instaluje się dużą liczbę bezpieczników.
7
Rys. 5. Przykładowe spadki napięcia (a) i straty mocy (b) dla kilku typów bezpieczników
ograniczających (1, 2, 3)
Na rys. 5. pokazano przykładowe zestawienie zarówno spadków napięcia, jak i strat mocy dla
kilku typów bezpieczników ograniczających na napięcia 500 V i 1000 V. Dodatkowo, dla
porównania, na wykresie spadków napięcia zaznaczono poziom napięcia krzemowego złącza
np, które pozwala ocenić straty powstające w łącznikach statycznych. W przypadku
łączników zestykowych przyjmuje się na ogół spadki napięcia przekraczające w warunkach
roboczych 10 mV lecz nie większe niż 100 mV, gdyż wiadomo, że tak wysokie napięcie
oznaczałoby zbliżenie się do granicy mięknięcia zestyków srebrnych i miedzianych.
Porównanie to pokazuje, że straty w bezpiecznikach ograniczających są prawie o rząd
mniejsze niż w łącznikach półprzewodnikowych, lecz 2-3-krotnie większe niż w łącznikach
zestykowych.
W
przypadku
bezpieczników
nieograniczających,
takich
jak
np. gazowydmuchowe, gdzie topik jest znacząco krótszy, a przekrój większy, ze względu na
dość niską temperaturę dopuszczalną różnica między bezpiecznikiem, a łącznikiem
zestykowym jest nieznaczna. Tak więc, choć straty mocy w bezpiecznikach nie są ich mocną
stroną, to nie mogą być uważane za czynnik dyskredytujący ich stosowanie.
8
Rys. 6. Jednostkowa objętość niektórych bezpieczników ograniczających
2.5. Gabaryty bezpieczników
Gabaryty bezpieczników w wielu przypadkach są konkurencyjne w porównaniu z innymi
urządzeniami zabezpieczającymi, szczególnie, jeśli weźmie się pod uwagę fakt, że nie
wymagają żadnych współpracujących urządzeń pomiarowokontrolnych. Na rys. 6. zestawiono
objętość bezpieczników ograniczających kilku wytwórców na jednostkę prądu
znamionowego. Bezpieczniki nieograniczające mają mniejsze gabaryty.
3. RODZAJE BEZPIECZNIKÓW I ICH ZASTOSOWANIE
Różnorodność stosowanych bezpieczników jest ogromna. Dotychczas najwięcej uwagi
poświęcono bezpiecznikom ograniczającym, piaskowym ze względu na ich duże znaczenie
dla niezawodności zasilania i jakości energii i szerokie zastosowanie w sieciach zarówno SN
jak i n.n. Bez wątpienia inne typy bezpieczników mają również szerokie zastosowanie.
Szczególnie widoczny jest wzrost zainteresowania bezpiecznikami miniaturowymi
do zabezpieczania układów elektronicznych oraz w samochodach, rys. 7. [3]. W tej dziedzinie
powstaje szereg nowych konstrukcji.
Rys. 7. Zapotrzebowanie na bezpieczniki do ochrony układów elektronicznych ×109 szt./rok
(a) oraz liczba bezpieczników instalowanych w samochodzie w kolejnych latach (b) [3]
Wobec szybko rozwijających się innych, nowych urządzeń zabezpieczających takich jak
opartych na nadprzewodnictwie, nowych rodzajach półprzewodników mocy, czy nowych
szybkich napędów nadających łącznikom zestykowym nowych cech, a także stale
postępującej automatyzacji stacji elektroenergetycznych wykorzystanie bezpieczników
powinno znajdować swe miejsce tam, gdzie ich cechy są niezastąpione, lub przynajmniej
ekonomicznie uzasadnione. Z całą pewnością można stwierdzić, że wykorzystywanie
bezpieczników tylko do ochrony przewodów i kabli od przeciążeń, jak to miało miejsce przed
laty, nie zawsze jest uzasadnione, choć ze względu na koszty, może w pewnych przypadkach
być brane pod uwagę. Wydaje się, że bezpieczniki są niezastąpione przede wszystkim jako:

Zabezpieczenie "życia", które odcina uszkodzone urządzenie uniemożliwiając
pojawienie się negatywnych skutków rozszerzającej się awarii, eksplozjom, pożarom,
9





wyciekom oleju itp. Tak może być w przypadku zabezpieczenia urządzeń
elektronicznych od zwarć wewnętrznych, a także niektórych transformatorów
(bezpiecznik wbudowany w kadzi). Wart uwagi jest fakt, że badania laboratoryjne
pokazały, iż zabezpieczenie za pomocą wyłącznika może być zbyt powolne i nie
zdążyć zadziałać przed rozerwaniem kadzi
Zabezpieczenia ograniczające prąd zwarciowy i czas zwarcia, które pozwala na
stosowanie w chronionym obwodzie urządzeń nieodpornych na duże prądy
zwarciowe.
Zabezpieczenie zwarciowe współpracujące z rozłącznikiem (stycznikiem).
Ograniczenie prądów zwarciowych przez bezpiecznik łagodzi pracę styków
rozłącznika zamykającego zwarty obwód.
Zabezpieczenie ograniczające zapady napięcia przez znaczną redukcję czasu zwarcia
i prądu.
Zabezpieczenie zmniejszające zagrożenie od skutków łuku powstającego w miejscu
zwarcia przez redukcję czasu łukowego.
Dobezpieczenie wyłącznika dla skrócenia czasu wyłączania bardzo dużych prądów
zwarciowych i ich ograniczenie.
4. PORÓWNANIE CHARAKTERYSTYK Z WYŁĄCZNIKAMI
Różnice w przebiegu charakterystyk t-I bezpieczników i wyłączników pokazano na rys. 8.
Wyłącznik może wyłączać, w przeciwieństwie do bezpiecznika, wszystkie prądy w zależności
od nastawień wyzwalaczy. Nie mając martwego marginesu między prądami In oraz Ig
niewątpliwie radzi sobie doskonale z przeciążeniami. Jednak wyłączanie zwarć nie może być
natychmiastowe ze względu na powolny napęd i wyzwalacze. Rzadko jest on krótszy od
kilkunastu milisekund, a w przypadku wyłączników wysokonapięciowych może osiągać
nawet 100 ms. Bezpieczniki mogą działać w ułamku milisekundy. Nawet kosztowne
wyłączniki ograniczające z bardzo szybkim napędem i wykorzystaniem oddziaływania
elektrodynamicznego nie osiągają czasów krótszych od 1 ms.
Rys. 8. Charakterystyki czasowo-prądowe bezpiecznika i wyłącznika
10
Bezpieczniki są aparatami jednofazowymi, podczas gdy wyłączniki mogą być zarówno jednojak i trójfazowe. W przypadku zabezpieczania obwodów jednofazowych nie ma więc
znaczenia, który z aparatów się wybierze.
W obwodach trójfazowych wyłączenie jednofazowe może być niepożądane. W takim
przypadku bezpieczniki współpracujące z rozłącznikiem powinny spowodować przerwanie
zasilania w zdrowych fazach przez rozłącznik. W tym celu, np. bezpieczniki SN są
wyposażone w wybijaki oddziałujące na napęd rozłącznika.
Gabaryty współczesnych wyłączników i rozłączników mogą być porównywalne, jeśli
pominie się wyłączniki ograniczające, w tym nadprzewodnikowe. W przypadku
wyłączników zabezpieczenie może być rozbudowane i wówczas może zająć więcej miejsca.
Znaczna różnica wystąpi, gdy porówna się bezpieczniki z wyłącznikami statycznymi lub
hybrydowymi na korzyść bezpieczników. Orientacyjną ocenę miejsca niezbędnego do
zainstalowania bezpieczników można uzyskać w oparciu o dane z rys. 6.
5. WNIOSKI






Współczesne bezpieczniki są świetnym zabezpieczeniem przeciwzwarciowym
znacząco ograniczającym prąd i redukującym czas zwarciowy.
Są wyśmienitym zabezpieczeniem "życia" chroniącym przed skutkami awarii, które
nie wymaga wymiany, aż do momentu wystąpienia uszkodzenia zabezpieczanego
urządzenia.
Posiadają dużą zdolność wyłączania, szczególnie w przypadku umiarkowanych
prądów znamionowych. Dzięki temu mogą wspomagać słabsze wyłączniki
w wyłączaniu prądów zwarciowych.
Straty mocy, choć znacznie mniejsze niż w wyłącznikach statycznych czy
hybrydowych, są znaczące w porównaniu z wyłącznikami zestykowymi. W przypadku
zainstalowania dużej liczby bezpieczników w ciasnej obudowie konieczna staje się
sprawna wentylacja i zabezpieczenie wkładek przed przegrzaniem. Współczesne
wkładki bezpiecznikowe SN są często wyposażone w odpowiednie zabezpieczenia
termiczne.
Bezpieczniki nie nadają się do zdalnej obsługi. W niektórych przypadkach może to
być zaletą, gdyż wymusza kontrolę powodu wystąpienia awarii.
Najczęstszą przyczyną nieodpowiedniego działania bezpiecznika jest nieodpowiedni
dobór wkładki.
Literarura
1. Gomez, Juan Carlos: "Intelligent fuse for M.V. distribution systems: a current need",
Int. Conf. on Electric Fuses and Their Applications, Sep. 2003, Gdańsk - Jurata, s. 50.
2. Wang Jimei, Ma Zhicheng: "High voltage vacuum type full-range current limiting
fuse", Int. Conf. on Electric Fuses and Their Applications, Sep. 2003, Gdańsk - Jurata,
s. 91.
3. Bessei, Herbert: "The future of Fuses", Int. Conf. on Electric Fuses and Their
Applications, Sep. 2003, Gdańsk - Jurata, s. 11.
4. Ossowicki J.: "Nowoczesna zabezpieczenia transformatorów rozdzielczych",
Przedsiębiorstwo Energo-Eko-Tech Poznań - Kiekrz, paźdxiernik 2000.
5. Newberry, Gordon: "21st centuary guidance using international standards", Int. Conf.
on Electric Fuses and Their Applications, Sep. 2003, Gdańsk - Jurata, s. 57.
11
6. Leach, John G.: "The impact of HV fuse design and application on the development of
international standards.
7. Wolny A.: "What can fuses offer to survive the next centuary", Int. Conf. on Electric
Fuses and Their Applications, Wenecja 1999, s. 1.
12