Może w rozważaniach tego tematu pomoże nam poniższy artykuł. Miałem kiedyś książkę z IMPE w której były fajnie opisane zjawiska zwarć i układy selektywnego zabezpieczania odbiorów.
Antoni Klajn
ZABEZPIECZENIA NADPRĄDOWE W INSTALACJACH ELEKTRYCZNYCH
ZE SZCZEGÓLNYM UWZGLĘDNIENIEM SELEKTYWNOŚCI
Informacje wstępne
Jednym z podstawowych warunków poprawnej pracy instalacji elektrycznych jest
prawidłowe zabezpieczenie odbiorników, przewodów instalacyjnych i innych elementów
obwodów od skutków nienormalnych stanów pracy. Jednym z takich stanów są przetę enia,
czyli sytuacje, w których następuje wzrost prądu w obwodzie ponad wartość dopuszczalną
długotrwale. Przetę enia dzieli się z kolei na przecią enia i zwarcia [1, 2]. Przecią eniem
nazywa się wzrost prądu ponad wartość dopuszczalną długotrwale w obwodzie
nieuszkodzonym, przy czym przyczyną tego wzrostu jest najczęściej nadmierny pobór energii
przez zasilane odbiorniki, wynikający z ich warunków eksploatacji. Natomiast wzrost
wartości prądu podczas zwarcia wynika z uszkodzenia obwodu, zwykle uszkodzenia izolacji
przewodów zasilających, aparatury łączeniowej bądź samego odbiornika.
Do ochrony obwodów niskiego napięcia od przetę eń stosowane są następujące
urządzenia:
1. bezpieczniki niskiego napięcia [3 – 5],
2. wyłączniki niskiego napięcia [6 - 8],
3. przekaźniki termobimetalowe,
stycznikami,
przystosowane
zwykle
do
współpracy ze
4. zabezpieczenia termiczne wbudowane do urządzeń, głównie silników [9].
Wymienione urządzenia cechują się ró nymi właściwościami w zakresie ochrony
obwodów instalacyjnych przed skutkami prądów przecią eniowych i zwarciowych, a ich
dobór jest dokonywany według następującej kolejności postępowania:
a) dobór zabezpieczenia do ochrony zasilanego odbiornika bądź grupy odbiorników,
b) sprawdzenie, czy dobrane zabezpieczenie spełnia warunki ochrony przewodów
instalacyjnych i łączników roboczych tworzących obwód na drodze od zabezpieczenia
do zacisków odbiornika,
c) sprawdzenie selektywności (wybiórczości) działania dobranego zabezpieczenia z
innymi zabezpieczeniami przetę eniowymi znajdującymi się od strony źródła
zasilania.
Dobór zabezpieczenia przetę eniowego w instalacjach elektrycznych wymaga znajomości
następujących, podstawowych parametrów prądowych:
•
zastępczy prąd obcią enia IB (rys. 1) grupy odbiorników zasilanych w danym
obwodzie, lub w przypadku zasilania pojedynczego odbiornika, jego prąd
znamionowy (IB = IN),
•
prąd dopuszczalny długotrwale przewodów IZ (rys. 1), z uwzględnieniem warunków
ich uło enia,
•
prąd zwarciowy maksymalny IKmax i minimalny IKmin analizowanego obwodu.
Parametry zabezpieczenia dobrane w punkcie a) nie powinny być zasadniczo zmieniane, z
wyjątkiem sytuacji, gdy projektant decyduje się na inny rodzaj zabezpieczenia, przykładowo
zmiana zabezpieczenia zło onego z bezpiecznika i przekaźnika termobimetalowego na
wyłącznik. Negatywny wynik sprawdzenia w punkcie b) oznacza natomiast, e nale y
zmienić parametry przewodów (zwykle zwiększyć ich przekrój) lub parametry chronionego
łącznika roboczego. Ostatni punkt sprawdzania c) polega na analizie charakterystyk działania
zabezpieczeń i mo e się wiązać ze zmianą parametrów zabezpieczeń znajdujących się od
strony źródła zasilania. Większość obwodów w instalacjach niskiego napięcia to obwody
promieniowe, w których kolejne stopnie zabezpieczeń nadprądowych tworzą strukturę
kaskadową patrząc w stronę źródła zasilania. Nale y jednak pamiętać o tym, e zmiana
parametrów zabezpieczenia przetę eniowego na którymkolwiek stopniu tej kaskady wymaga
ponownego sprawdzenia warunków ochrony odcinka przewodów instalacyjnych, objętego
działaniem tego zabezpieczenia. Do podstawowych kryteriów uzyskania selektywnego
działania zabezpieczeń nadprądowych zalicza się:
•
stopniowanie prądów zadziałania,
•
stopniowanie czasu działania,
•
równoczesne stosowanie kombinacji zarówno prądów jak i czasów zadziałania.
Selektywne działanie zabezpieczeń nadprądowych jest jednym z warunków poprawnego
wykonania instalacji elektrycznej, wymaganym m.in. w rozporządzeniu [10]. W artykule
omówiono podstawowe zagadnienia dotyczące doboru zabezpieczeń nadprądowych w
instalacjach elektrycznych oraz skupiono się bli ej na problematyce sprawdzania warunków
ich selektywnego działania.
Podstawowe charakterystyki i właściwości zabezpieczeń nadprądowych w instalacjach
niskiego napięcia
Zabezpieczenie obwodów instalacji niskiego napięcia mo e być zrealizowane na trzy
zasadnicze sposoby zilustrowane na rys.1.
a)
b)
F
(INF)
c)
F
Pt
(IZ)
Odbiornik (IB)
(INF)
W
(INW , INr, IG)
(INr)
(IZ)
Odbiornik (IB)
(IZ)
Odbiornik (IB)
Rys. 1. Typowe sposoby zabezpieczenia obwodów instalacji niskiego napięcia od przetę eń:
a) bezpiecznikiem (F), b) bezpiecznikiem i przekaźnikiem termobimetalowym (Pt), c)
wyłącznikiem W z wyzwalaczami: termobimetalowym i elektromagnetycznym (opis w tabeli
1); INF – prąd znamionowy bezpiecznika, INr – znamionowy prąd nastawy przekaźnika
(wyzwalacza) termobimetalowego, INW – prąd znamionowy wyłącznika, IG – prąd nastawy
progu wyzwolenia wyzwalacza elektromagnetycznego; IZ, IB – wyjaśnione w tekście
Tabela 1. Symbole wyzwalaczy w torach prądowych wyłączników niskiego napięcia
Lp.
Nazwa
wyzwalacza
Funkcja w obwodzie
1
Wyzwalacz
(przekaźnik)
termobimetalowy
(przecią eniowy)
Ochrona od przecią eń
2
Wyzwalacz
elektromagnetyczny
(zwarciowy)
Ochrona od prądów
zwarciowych
Wyzwalacz
elektromagnetyczny
z nastawialną
zwłoką czasową
Selektywna ochrona
od prądów
zwarciowych
Wyzwalacz
ró nicowoprądowy
Wykrywanie prądów
upływnościowych /
doziemnych i ochrona
przed ich skutkami
3
4
Symbole graficzne
w schemacie
elektrycznym
w schemacie
blokowym
I & gt;
I & gt;
I
Wyposa enie wyłączników niskiego napięcia w wyzwalacze w torze prądowym jest w
zasadzie opcjonalne, choć zdecydowana większość wyłączników niskiego napięcia jest
wyposa ona zarówno w wyzwalacz termobimetalowy jak i elektromagnetyczny. Parametry
tych wyzwalaczy ró nią się zasadniczo dla wyłączników:
a) do zastosowań przemysłowych (wyłączniki silnikowe, wyłączniki przemysłowe o
budowie otwartej i kompaktowej) [6, 7]; aparaty te mają zwykle nastawialne
wyzwalacze termobimetalowe i elektromagnetyczne, stąd powinny być obsługiwane
przez personel wykwalifikowany,
b) do zastosowań domowych i podobnych [8], które są wyposa one w wyzwalacze bez
mo liwości dokonywania zmiany nastaw; obsługa tych wyłączników mo e być
dokonywana zarówno przez personel wykwalifikowany jak i przez osoby nie
posiadające kwalifikacji.
Wyzwalacze termobimetalowe (przecią eniowe) do wyłączników przemysłowych (rys. 2)
mają zakres nastaw prądu INr od ok. 0,6 do 1 swego prądu znamionowego (INr min i INr max, rys.
2a). Największa wartość prądu nastawy (INr max) jest równocześnie prądem znamionowym
wyzwalacza. Prąd znamionowy wyzwalacza odpowiada zwykle prądowi znamionowemu
wyłącznika (INr max = INW). Czas próby tp wynosi 1h dla wyłączników o INW ≤ 63 A i 2h dla
wyłączników o INW & gt; 63 A. Prąd niezadziałania wyzwalacza INt (najwieksza wartość prądu
przy którym wyzwalacz nie zadziała przed upływem czasu próby tp) wynosi 1,05INr,
natomiast prąd zadziałania wyzwalacza It (najmniejsza wartość prądu, przy której wyzwalacz
zadziała przed upływem czasu próby tp) wynosi 1,3INr [7]. Przy doborze wyzwalaczy
termobimetalowych nale y wziąć po uwagę równie to, e katalogi podają najczęściej
charakterystykę pradowo-czasową dla stanu zimnego. Charakterystyka ta dla stanu
nagrzanego prądem roboczym zbli onym do prądu znamionowego wyzwalacza ulega
przesunięciu tak, jak to zilustrowano na rysunku 2b, przy czym skrócenie czasów zadziałania
charakterystyki nagrzanej w stosunku do charakterystyki zimnej szacuje się na ok. 25% [2].
Omówione parametry wyzwalaczy termobimetalowych stosowanych w wyłącznikach
przemysłowych odnoszą się analogicznie do takich samych parametrów przekaźników
termobimetalowych, stosowanych zwykle do współpracy ze stycznikami.
a)
t
tp
INt = 1,05INr
b)
It = 1,3INr
t
tp
INt = 1,05INr
Zakres regulacji prądu
nastawienia INr wyzwalacza
It = 1,3INr
Charakterystyka wyzwalacza
zimnego (katalogowa)
Charakterystyka wyzwalacza
nagrzanego (robocza)
∆t ok. 25%
1,3INr max
INr min
INr max 1,05INr max
1,3INr max
I
INr max
1,05INr max
I
Rys. 2. Charakterystyka wyzwalaczy termobimetalowych wyłączników przemysłowych [7];
a) – ilustracja zakresu prądu nastawianego INr i prądów: niezadziałania INt oraz zadziałania It;
b) – ilustracja przesunięcia charakterystyki wyzwalacza nagrzanego w stosunku do
wyzwalacza zimnego; tp – czas próby; pozostałe wyjaśnienia oznaczeń w tekście
Wyzwalacze termobimetalowe w wyłącznikach do zastosowań domowych i podobnych
nie mają mo liwości zmiany nastawień prądu INr, Prąd ten jest ustawiony fabrycznie jako
równy prądowi znamionowemu wyłącznika (INr = INW). Inne są natomiast (w porównaniu z
wyzwalaczami do wyłączników przemysłowych) prądy [8]:
•
niezadziałania INt = 1,13 INW,
•
zadziałania It = 1,45 INW.
Tak ustalona wartość prądu zadziałania pozwala w sposób optymalny spełnić warunek
ochrony przewodów instalacyjnych od przecią eń [1. 2, 11]. Norma [8] wymaga ponadto, aby
przy prądzie równym 2,55 INr nastąpiło zadziałanie w czasie t1, przy czym:
•
1s & lt; t1 & lt; 60 s dla wyłączników o INW ≤ 32 A,
•
1s & lt; t1 & lt; 120 s dla wyłączników o INW & gt; 32 A.
W wyłącznikach do zastosowań przemysłowych dość powszechnie stosuje się obecnie
zintegrowane wyzwalacze przetę eniowe, zawierające człon przecią eniowy i człon
zwarciowy. Wyzwalacze te są urządzeniami elektronicznymi, zasilanymi zwykle z uzwojeń
wtórnych przekładników prądowych umieszczonych w głównych torach prądowych
wyłącznika. Do zalet wyzwalaczy elektronicznych zalicza się:
•
brak efektu przesunięcia charakterystyki wskutek nagrzania wyzwalacza, co ma
miejsce w wyzwalaczach termobimetalowych (rys. 2b),
•
mo liwość zastosowania ujednoliconego wyzwalacza dla całej serii wyłączników
o ró nych prądach znamionowych, dzięki zró nicowaniu przekładni przekładnika
prądowego o jednakowej wartości znamionowego prądu wtórnego.
Przebieg typowej charakterystyki wyzwalacza przecią eniowego elektronicznego (w osiach o
skali logarytmicznej) przedstawiono na rysunku 3. Na rysunku tym zilustrowano równie
mo liwości zmian nastaw charakterystyki (strzałki 1, 2 i 3).
t
tp
1
zakres regulacji prądu
nastawienia INr
3
2
Inw
Inn min
INr
I
INt It
Rys. 3. Przebieg typowej charakterystyki elektronicznego wyzwalacza przecią eniowego;
oznaczenia jak na rysunku 2 oraz wyjaśnione w tekście
Wyzwalacze zwarciowe wyłączników przemysłowych wykonywane są zarówno jako
wyzwalacze elektromagnetyczne jak i mogą stanowić człon zwarciowy wyzwalacza
elektronicznego. Zgodnie z wymaganiami normy [7] rozrzut prądu zadziałania wyzwalacza
elektromagnetycznego wynosi ±20% (IG min = 0,8 IG, IG max = 1,2 IG, rys. 4a), natomiast dla
wyzwalaczy elektronicznych rozrzut ten wynosi ±15%, czyli (IG min = 0,85 IG, IG max = 1,15 IG,
rys. 4b). Czas zwłoki w wyzwalaczach zwłocznych (poz. 3, tab. 1) zawiera się w zakresie
(0,1÷ 0,6)s.
wyzw. bezzwłoczny
a) t
b) t
wyzw. zwłoczny
tw2
2
człon
krótkozwłoczny
tw2
człon
bezzwłoczny
∆tw2
∆t
tw
tw
∆t w
∆IG
IG min
1
IG
IG max
Iw
I
∆IG1
IG1
∆IG2
IG2
Iw
I
Rys. 4. Charakterystyki wyzwalacza zwarciowego elektromagnetycznego (a) i
elektronicznego dwustopniowego (b); IG, IG1, IG2 – prądy nastawienia odpowiednich progów
zadziałania wyzwalacza IW – prąd wyłączalny wyłącznika, tw – czas własny wyzwalacza, t2 –
nastawienie zwłoki czasowej, 1 – wyzwalacz bez włączonej funkcji I2t, 2 - wyzwalacz z
włączoną funkcją I2t; wyjaśnienie pozostałych oznaczeń w tekście
Przykładową charakterystykę wyzwalacza elektronicznego wyłącznika typu DS
przedstawiono na rysunku 5. Widoczne są na niej zakresy nastaw opóźnień czasowych oraz
prądów zadziałania członu przecią eniowego i zwarciowego. Linia oznaczona krzy ykami to
przykładowe nastawienie charakterystyki prądowo-czasowej.
(0,5 - 1,25) I/In
(4 - 10) I/In
5000
[s]
L
2000
1000
500
200
100
50
4 - 36 s
20
10
t
5
S
0,2-0,5 s
2
1
0,5
0,35
0,2
I
czas własny
wyłącznika
0,1
0,05 s
0,05
0,5
1
1,25
2
3
4
5
6 7 8 10 12
20
I/In
Rys. 5. Przykładowa charakterystyka prądowo-czasowa wyłącznika typu DS; L – człon
przecią eniowy, S – człon zwarciowy krótkozwłoczny, I – człon zwarciowy bezzwłoczny
Wyzwalacze zwarciowe wyłączników do instalacji domowych i podobnych [8] mają
charakterystyki nienastawialne, lecz próg prądowy ich zadziałania IG jest określony w
stosunku do wartości prądu znamionowego wyłącznika IW (rys. 6). Najczęściej spotykane są
trzy nastawienia o następujących oznaczeniach literowych i zakresach działania:
•
B – zakres IG = (3 ÷ 5) INW,
•
C - zakres IG = (5 ÷ 10) INW,
•
D - zakres IG = (10 ÷ 20) INW.
Przykładowo symbol C 20 na wyłączniku instalacyjnym oznacza, e jest to wyłącznik o
prądzie znamionowym INW = 20 A i charakterystyce wyzwalacza elektromagnetycznego typu
C, czyli o progu zadziałania IG zawierającym się w zakresie (5 ÷ 10) INW, czyli od 100 A do
200 A. Wyłącznik ten będzie skutecznie wyłączał prądy zwarciowe, jeśli minimalny prąd
zwarciowy w obwodzie IK min będzie większy od 200 A.
t
tp
Charakterystyka wyzwalacza
termobimetalowego
Charakterystyka wyzwalacza
elektromagnetycznego
B
C
D
tw
1,45
1,13
1
3
5
10
20
Iw I/INW
Rys. 6. Charakterystyki prądowo-czasowe wyłącznika do instalacji domowych i podobnych;
oznaczenia jak na poprzednich rysunkach lub wyjaśnione w tekście
Charakterystyki prądowo-czasowe bezpieczników (rys. 7) podobnie jak charakterystyki
wyzwalaczy, są charakterystykami pasmowymi. Są one podawane w osiach log/log, przy
czym na skali czasu jest to zakres od ok. 5 ms, (1/4 okresu prądu o częstotliwości 50 Hz),
czyli najkrótszego czasu dla którego mo na określić wartość skuteczną prądu sinusoidalnego,
do czasu próby tp. Czas próby tp mieści się w zakresie [1]:
•
od 1h do 4h w zale ności od prądu znamionowego bezpiecznika, dla
bezpieczników o charakterystykach pełnozakresowych (oznaczenie g na
pierwszym miejscu, np. gL, gTr, gB, gG, – bezpieczniki odpowiednio do
zabezpieczania linii, transformatorów, urządzeń górniczych i ogólnego
przeznaczenia),
•
od 30s do 120s dla bezpieczników o charakterystykach niepełnozakresowych,
(oznaczenie a na pierwszym miejscu, np. aM, aR – odpowiednio bezpieczniki do
zabezpieczania silników elektrycznych i półprzewodnikowych elementów mocy).
Dolna obwiednia charakterystyki bezpiecznika jest nazywana charakterystyką
minimalnych czasów przedłukowych i od góry kończy się na wartości prądu nazywanego
prądem probierczym dolnym Inf. Wartości tego prądu dla najbardziej rozpowszechnionych
bezpieczników typu gL i gG zawierają się w zakresie (1,25 ÷ 1,5) INF (INF – prąd znamionowy
bezpiecznika). Górna obwiednia charakterystyki jest nazywana charakterystyką najdłu szych
czasów wyłączenia i kończy się od góry prądem probierczym górnym If. Wartości tego prądu
dla bezpieczników typu gL i gG zawierają się w zakresie (1,6 ÷ 2,1) INF. Znaczenie i definicje
prądów Inf i If są identyczne jak prądów: niezadziałania INt i zadziałania It w wyzwalaczach
przecią eniowych (rys. 2).
Wa ną pozytywną właściwością bezpieczników jest mo liwość ograniczania prądów
zwarciowych, polegająca na zapoczątkowaniu procesu przepalania topika przed osiągnięciem
pierwszej amplitudy przez prąd zwarciowy i ograniczenie najwy szej wartości prądu
zwarciowego poni ej spodziewanej wartości prądu udarowego. Z właściwością tą jest
związana stałość wartości całki Joule’a I2t dla spodziewanych prądów zwarciowych
mieszczących się w zakresie, w którym dochodzi do ich ograniczenia [1, 2]. Przykładowy
wykres całki Joule’a dla bezpieczników typu gL przedstawiono na rysunku 8. Stała wartość
tej całki (zakres, w którym charakterystyka ma przebieg poziomy do osi prądu) oznacza, e w
tym zakresie bezpiecznik ogranicza prąd zwarciowy. Zakres, w którym charakterystyka ulega
zakrzywieniu przybierając rosnące wartości całki Joule’a odpowiada takim wyłączeniom
prądu zwarciowego, gdy czas przedłukowy przekracza czas jednego półokresu prądu
zwarciowego i nie dochodzi do ograniczenia prądu.
Rys. 7. Charakterystyki prądowo-czasowe bezpieczników typu gL [1]; IK – spodziewany prąd
zwarciowy początkowy
Charakterystyki całki Joule’a są, podobnie jak charakterystyki prądowo-czasowe, równie
charakterystykami pasmowymi. Na rysunku 8 przedstawiono jedynie dolne obwiednie
charakterystyk całki Joule’a w celu przejrzystości rysunku. Jedynie dla bezpiecznika o
prądzie znamionowym INF = 25 A przedstawiono równie górną obwiednię charakterystyki
pasmowej, czyli charakterystykę najdłu szych czasów wyłączenia, a polem zakreskowanym
oznaczono całe pasmo charakterystyki. Zarówno z rysunku 7 jak i 8 wynika, e
charakterystyki pasmowe bezpieczników o kolejnych prądach znamionowych zachodzą na
siebie i mają części wspólne. Wspólnych części nie mają natomiast charakterystyki o co
drugim prądzie w szeregu prądów znamionowych danego typu bezpiecznika. Dotyczy to
jednak bezpieczników określonego typu. Przykładowo nie oznacza to, e bezpiecznik typu gL
o prądzie znamionowym 16 A nie ma części wspólnych pasma z bezpiecznikiem typu gG o
prądzie znamionowym 25 A.
105
A2s
6
I2t
W 32
4
W 16
3
INF
100 A
2
80 A
104
63 A
8
6
50 A
4
25 A - obwiednia najdłuzszych
czasów wyłączenia
3
35 A
2
25 A
103
0,4 0,6 0,8 1
2
3
4 5 6 kA 10
IK
Rys. 8. Przykładowe charakterystyki przedłukowe (linie ciągłe) całki Joule’a bezpieczników
typu gL oraz wyłączania wyłączników instalacyjnych o prądach znamionowych 16A i 32 A
[12]; linią przerywaną oznaczono górną obwiednię pasma bezpiecznika o prądzie
znamionowym 25 A, a polem zakreskowanym całą charakterystykę pasmową tego
bezpiecznika
Selektywność działania zabezpieczeń w obwodach promieniowych
Układy zasilania w instalacjach niskiego napięcia są w przewa ającej części układami
promieniowymi, w których kolejne stopnie zabezpieczenia nadprądowego są połączone
szeregowo, począwszy od zabezpieczenia transformatora SN/nn, a skończywszy na
zabezpieczeniu rozpatrywanego obwodu odbiorczego. Przedstawione na rysunku 1 ró ne
sposoby zabezpieczenia obwodów niskiego napięcia dotyczą obwodu odbiorczego, czyli
ostatniego w rozpatrywanym ciągu zasilania. Przez selektywność (wybiórczość) działania
zabezpieczeń nadprądowych rozumie się takie działanie kolejnych stopni zabezpieczenia w
ten sposób (rys. 9), e w przypadku przetę enia w którymkolwiek miejscu obwodu, w
szczególności w obwodzie odbiorczym, wyłączenie zasilania ogranicza się do jak
najmniejszej części instalacji. Warunek spełnienia selektywności oznacza, e zadziała jedynie
zabezpieczenie najbli sze miejsca zakłócenia, patrząc w stronę źródła zasilania. Wymóg
selektywnego działania zabezpieczeń nadprądowych jest zawarty m.in. w rozporządzeniu
[10]. Jest to jeden z podstawowych warunków zapewnienia odpowiedniej jakości zasilania
energią elektryczną.
Zasadniczo rozró nia się selektywność zabezpieczeń przy przecią eniach i przy
zwarciach. W artykule omówiono tę problematykę łącznie, przy czym główny nacisk
poło ono na selektywność działania zabezpieczeń w przypadkach zwarć. Wynika to z faktu,
e spełnienie warunku selektywności zabezpieczeń przecią eniowych w praktyce nie stwarza
problemów. Zabezpieczenia te są nastawiane odpowiednio do prądów roboczych IB (rys. 1):
I Nr = ( 1,05 ÷ 1,1 )I B
(1)
i obcią alności długotrwałej przewodów IZ [11]:
I B ≤ I Nr ≤ I Z
(2a)
I 2 ≤ 1,45 I Z ,
(2b)
gdzie I2 – prąd zadziałania zabezpieczenia chroniącego przewody od przecią eń; prąd I2 jest
prądem zadziałania It wyzwalacza przecią eniowego w rozwiązaniu z rysunku 1c, lub prądem
zadziałania It przekaźnika termobimetalowego w rozwiązaniu z rysunku 1b lub prądem
probierczym górnym bezpiecznika If w przypadku gdy funkcję zabezpieczenia od przecią eń
(a zarazem i od zwarć) pełni bezpiecznik (rys. 1a).
Stopniowanie wartości prądu roboczego oraz przekrojów przewodów na poszczególnych
stopniach kaskady zabezpieczeń przcią eniowych (rys. 9) jest w praktyce na tyle du e, e
charakterystyki są dostatecznie daleko odsunięte od siebie.
Analiza selektywności zabezpieczeń nadprądowych jest przeprowadzana w oparciu o
I–t) poszczególnych stopni
charakterystyki
prądowo-czasowe
(charakterystyka
zabezpieczenia. Rozwa a się przy tym zarówno selektywność prądową jak i czasową, co w
praktyce sprowadza się do ogólnej zasady braku wspólnych obszarów działania
charakterystyk I-t poszczególnych stopni zabezpieczenia. W zale ności od zastosowanych
zabezpieczeń, z punktu widzenia selektywności ich działania rozró nia się cztery zasadnicze
kombinacje współpracujących ze sobą zabezpieczeń:
a) wyłącznik – wyłącznik,
b) wyłącznik – bezpiecznik,
c) bezpiecznik-wyłącznik,
d) bezpiecznik – bezpiecznik.
Układy te zostaną kolejno omówione.
Selektywność w układzie wyłącznik-wyłącznik
W układzie wyłącznik-wyłącznik najczęściej stosowanym sposobem uzyskania
selektywności jest selektywność czasowa, co zilustrowano na rysunkach 9 i 10. Wyłącznik
W1, stanowiący zabezpieczenie najdalszego obwodu mo e nie być wyposa ony w wyzwalacz
zwarciowy zwłoczny, natomiast wyłączniki w pozostałych strefach zabezpieczenia (W2 i W3)
powinny być wyposa one w wyzwalacze z mo liwością nastawiania opóźnień czasowych.
tw3
to3
td3 = tst2 + tst3
tz3
tst3
tw2
W3
to2
td2 = tst2
tz2
ts3 ta3
ts2
ta2
tw1
W2
to1
tz1 ts1
margines bezpieczeństwa
strefy 3
ta1
margines bezpieczeństwa
strefy 2
W1
M
Chwila wystąpienia
zwarcia
t
Rys. 9. Zasada selektywności czasowej zabezpieczeń nadprądowych w układzie szeregowym;
tz – czas pobudzenia i zadziałania wyzwalacza, ts – czas uzyskania metalicznej przerwy
styków, to – czas otwarcia styków wyłącznika, ta – czas łukowy, tw – czas własny wyłącznika,
od chwili powstania zakłócenia do chwili wyłączenia prądu, td – zwłoka czasowa
wyzwalacza, tst – opóźnienie czasowe dla danej strefy; cyfry dotyczą czasów w kolejnych
stopniach zabezpieczenia
Czas własny wyłącznika tw niezbędny do przerwania prądu jest sumą trzech czasów (rys.
9): czasu zadziałania wyzwalacza tz, czasu poruszenia mechanizmu zamka i otwarcie styków
ts oraz czasu łukowego ta. Czas opóźnienia zadziałania wyzwalacza td opóźnia zadziałanie
mechanizmu zamka, i powinien być tak dobrany, aby uwzględniał czasy ts i ta wyłącznika z
ni szej strefy oraz pewien margines bezpieczeństwa. W ten sposób nale y określić czasy
opóźnień kolejnych stref tst, przy czym czas opóźnień td wyłączników kolejnych stref jest
sumą kolejnych czasów tst . W praktyce czas opóźnienia strefy tst dobiera się następująco:
•
tst ≥ 70 ms dla wyłączników wyposa onych w wyzwalacze elektroniczne,
•
tst ≥ 150 ms dla wyłączników wyposa onych w wyzwalacze elektromagnetyczne
(mechanizmowe).
Ilustracje wzajemnego poło enia charakterystyk prądowo-czasowych wyłączników przy
zastosowaniu selektywności czasowej przedstawiono na rysunku 10. Wyłącznik W1 jest
wyłącznikiem bez opóźnienia czasowego, z progiem zadziałania IG1 natomiast wyłącznik W2
jest wyposa ony w wyzwalacz z z członem krótkozwłocznym (próg zadziałania IG2(1)) i
członem bezzwłocznym (próg zadziałania IG2(2)). Zakres prądowy członu krótkozwłocznego
powinien być w miarę mo liwości tak dobrany, aby prąd zwarciowy IK1 za wyłącznikiem W1
znajdował się w tej strefie, natomiast prąd zwarciowy IK2 w strefie pomiędzy wyłącznikami
W1 i W2, mieścił się w strefie członu bezzwłocznego wyzwalacza wyłącznika W2.
t
W1
W2
W2
wyzwalcz
zimny
IK2
wyzwalcz
nagrzany
td2
W1
IK1 t
W2
tW1
M
IG1
IK
IG2(2) IK2
IG2(1) IK1
Rys. 10 Ilustracja zasady selektywności czasowej wyłączników W1 i W2; opis oznaczeń w
tekście
104
0
80
A)
101
selektywność
pełna
W2
(
W3
IK max 2 = 20,5 kA
A)
IK min 3 = 17 kA
200
INW3 = 800A
A)
102
W3
(
W2
103
t
80
W1 (
IK max 3 = 22 kA
100
INW2 = 200A
IK min 2 = 4,5 kA
IK max 1 = 6,5 kA
W1
INW1 = 80A
M
10
selektywność
niepełna
-1
td = tst
10-2
IK min 1 = 750A
10-3
102
2
4
6 8 103
4
6 8 104
2
22 kA
20,5 kA
17 kA
6,5 kA
4,5 kA
750A
2
4
A 104
IK
Rys. 11. Ilustracja selektywności prądowej wyłączników W1 i W2 oraz selektywności
czasowej wyłączników W2 i W3
W układzie wyłącznik-wyłącznik mo liwe jest równie zastosowanie selektywności
prądowej, co zilustrowano na rysunku 11. W przykładzie tym zostały policzone minimalne i
maksymalne wartości prądów zwarciowych, odpowiadające końcowej i początkowej części
danej strefy. Próg zadziałania wyłącznika W1 nale y ustawić poni ej minimalnego prądu
zwarciowego strefy 1, czyli IK min1 = 750 A. Próg zadziałania wyłącznika W2 ustawiony na
poziomie minimalnego prądu zwarciowego strefy 2, IK min2 = 4,5 kA zapewnia tzw.
selektywność niepełną. Prąd ten mo e bowiem wystąpić zarówno przy zwarciu tu przed
wyłącznikiem W1 patrząc od strony źródła zasilania jaki i tu za tym wyłącznikiem. W
obydwu przypadkach wyłącznik W2 zadziała, w pierwszym prawidłowo, natomiast w drugim
wyłączą obydwa wyłączniki: W1 i W2, czyli układ będzie nie w pełni selektywny. Sytuacja
taka będzie miała miejsce dla wszystkich zwarć o prądach zwarciowych w zakresie pomiędzy
IK min2 = 4,5 kA a IK max 1= 6,5 kA. Jeśli natomiast próg zadziałania ustawiony będzie nieco
powy ej prądu IK max1 = 6,5 kA (linia przerywana na rysunku 11), to wówczas uzyskuje się
tzw. selektywność pełną, w której wyzwalacz zwarciowy wyłącznika W2 nie będzie reagował
na prądy zawierające się w zakresie pomiędzy IK min2 = 4,5 kA a IK max 1= 6,5 kA, które mogą
być prądami przy zwarciu za wyłącznikiem W1 patrząc od strony źródła zasilania. Jeśli
jednak zwarcie to jest przed wyłącznikiem W1, to zostanie ono ostatecznie wyłączone przez
wyłącznik W2, lecz dopiero po zadziałaniu jego wyzwalacza przecią eniowego, w
odpowiednio dłu szym czasie (ok. 1 s, rys. 11). Przy takim nastawieniu wyzwalacza W2
nale y sprawdzić, czy tak długi czas przepływu prądu zwarciowego tK jest dopuszczalny ze
względu na cieplną wytrzymałość zwarciową przewodów, korzystając z zale ności [1, 11]:
t k ≤ t k max
ks
=
I
K
2
,
(3)
gdzie: tKmax – dopuszczalny czas trwania zwarcia, k dopuszczalna 1-sekundowa gęstość prądu
zwarciowego, zale nie od materiału yły i izolacji przewodu [1, 11], s- przekrój przewodu, IK
– spodziewany prąd zwarciowy.
Znacznie bardziej jednoznacznym rozwiązaniem jest zastosowanie selektywności
czasowej, co przedstawiono na rys. 11 dla wyłączników W2 i W3. Próg zadziałania
wyłącznika W3 jest ustawiony nieco poni ej prądu IK min3 = 17 kA. Wszystkie zwarcia w
zakresie prądów IK min3 = 17 kA a IK max 2= 20,5 kA, które wystąpią za wyłącznikiem W2
patrząc od strony źródła zasilania, wyłączy wyłącznik W2. Wyłącznik W3 nie zadziała, gdy
ma ustawioną zwłokę czasową. Natomiast jeśli te zwarcia wystąpią przed wyłącznikiem W2 i
wyłącznik ten nie zareaguje, wówczas wyłączy je wyłącznik W3 ze zwłoką czasową ok. 0,1 s.
Podsumowując przykład zilustrowany na rysunku 11 nale y stwierdzić, e selektywność
prądowa w przypadku układu dwóch wyłączników instalacyjnych jest rozwiązaniem znacznie
mniej doskonałym technicznie od selektywności czasowej. W instalacjach budynkowych,
zwłaszcza w budynkach mieszkalnych przy stosunkowo niewielkich ró nicach w
stopniowaniu prądów znamionowych wyłączników instalacyjnych jest ona w praktyce bardzo
trudna czy wręcz niemo liwa do zastosowania. Dodatkową trudnością jest w takiej sytuacji
brak mo liwości nastaw wyzwalaczy wyłączników instalacyjnych do instalacji domowych
[8]. Zalecane są w tej sytuacji dwa rozwiązania:
•
zastosowanie bezpiecznika jako zabezpieczenia przed wyłącznikiem patrząc od
strony źródła zasilania,
•
zastosowanie wyłącznika instalacyjnego selektywnego (rys. 12).
Wyłącznik instalacyjny selektywny jest przeznaczony zasadniczo do stosowania jako
zabezpieczenie przelicznikowe w instalacjach domowych i podobnych (rys. 13). Tor prądowy
główny wyłącznika (rys. 12) jest zbocznikowany torem równoległym, w którym znajdują się
szeregowo połączone: szybki wyzwalacz bimetalowy B2, rezystor R ograniczający wartość
prądu zwarciowego i zestyk K2. W przypadku powstania zwarcia w jednym z obwodów
instalacji odbiorczej (rys. 13) wyzwalacz elektromagnetyczny M otwiera zestyk K1
przerywając przepływ prądu w obwodzie głównym. Prąd zwarciowy płynie jednak nadal
przez równoległy tor prądowy B2 – R – K2, przy czym rezystor R ogranicza znacznie jego
wartość. Jest to czas wystarczający na selektywne wyłączenie zwarcia przez wyłącznik w
dotkniętym zwarciem obwodzie odbiorczym. Po wyłączeniu zwarcia na przekaźniku S
pojawia się pełne napięcie fazowe i przekaźnik ten zamyka otwarty wcześniej zestyk K1,
przywracając prawidłowe zasilanie pozostałym obwodom instalacji odbiorczej.
Rys. 12. Schemat układu połączeń jednego bieguna wyłącznika instalacyjnego selektywnego
typu S90 [1]; wyjaśnienie oznaczeń w tekście
5
3
3
5
5
3
3
5
Wewnętrzna linia
zasilająca 1 (WLZ 1)
WS WS
Wyłącznik
instalacyjny
selektywny jako
zabezpieczenie
przedlicznikowe
5
5
3
Rozdzielnica
mieszkaniowa
3
5
Szafka licznikowa
Instalacja odbiorcza
3
kWh WS WS kWh
5
3
WLZ 2
WLZ 3
5
3
5
3
3
5
3
3
5
3
Obwody
5
R
3
Obwody
administracyjne
Rozdzielnica główna budynku
5 (4)
3
Złącze
4
Sieć rozdzielcza nn
Rys. 13. Przykładowe miejsce umieszczenia wyłączników instalacyjnych selektywnych WS,
jako zabezpieczeń przedlicznikowych w wielorodzinnym budynku mieszkalnym
Jeśli jednak w ciągu krótkiego czasu podtrzymania prądu w równoległym torze prądowym
B2 – R – K2, (rząd od ułamka sekundy do kilku sekund) prąd zwarciowy nie zostanie
wyłączony przez wyłącznik instalacyjny w instalacji odbiorczej np. wskutek jego
uszkodzenia, to wyzwalacz B2 spowoduje otwarcie zestyku K2 i ostateczne przerwanie
obwodu. Podobnie wyłącznik selektywny wyłączy obwód w przypadku zwarcia na odcinku
pomiędzy miejscem jego zainstalowanie a rozdzielnicą mieszkaniową.
Stosowanie w miejscu zainstalowania wyłączników WS (rys. 13) zwykłych wyłączników
instalacyjnych, lecz o większym prądzie znamionowym w praktyce nie zapewnia
selektywności, gdy jak ju wyjaśniono warunek selektywności prądowej w tym przypadku
jest niezwykle trudny do spełnienia. Niestety, mo na się stosunkowo często spotkać z takimi
rozwiązaniami, co mo e jedynie świadczyć o ewidentnych błędach popełnianych przez
projektantów.
Selektywność w układzie wyłącznik-bezpiecznik
Innym często stosowanym rozwiązaniem układu zabezpieczeń w instalacjach
mieszkaniowych jest stosowanie bezpiecznika jako zabezpieczenia przedlicznikowego, jak to
widać na dwóch górnych odpływach do instalacji odbiorczych na rysunku 13. Układ ten jest
układem o selektywności względnej, zale nej od wartości maksymalnego spodziewanego
prądu zwarciowego. Problem polega na tym, e charakterystyka wyłącznika W w ka dej
sytuacji będzie miała obszar wspólny z charakterystyką bezpiecznika F (rys. 14), gdy czas
wyłączenia wyłącznika tw ma w przybli eniu stałą wartość, natomiast czasy wyłączenia dla
wyłącznika maleją sukcesywnie wraz ze wzrostem wartości prądu zwarciowego.
t
F
W
F
wyzwalcz
zimny
tA 1s
wyzwalcz
nagrzany
W
wspólny obszar
działania W i F
tF
IK
tW
IG IKmax1 Igr
IKmax2
IK
Rys. 14. Charakterystyki prądowo-czasowe układu zabezpieczeń wyłącznik (W)-bezpiecznik
(F); Igr – graniczny prąd selektywności układu, IKmax1 – przykładowy maksymalny prąd
zwarciowy dla którego układ jest selektywny, IKmax2 – przykładowy maksymalny prąd
zwarciowy dla którego układ nie jest selektywny; pozostałe oznaczenia jak na poprzednich
rysunkach bądź wyjaśnione w tekście
Jeśli przykładowo w jednym z obwodów instalacji odbiorczej maksymalny spodziewany
prąd zwarciowy będzie miał wartość IKmax1 (rys. 14), to w tym przypadku układ będzie działał
selektywnie. Jeśli natomiast prąd ten przekroczy graniczną wartość prądu Igr na przecięciu się
obydwu charakterystyk, jak to jest przykładowo w przypadku prądu IKmax2, to układ nie
będzie układem selektywnym. W tej sytuacji jest to jedynie kwestią przypadku jak przy
konkretnych prądach zwarciowych, które mogą być równe maksymalnemu IKmax2 bądź od
niego znacznie mniejsze, czy układ zadziała selektywnie czy te nie. Ponadto charakterystyki
prądowo-czasowe wyłącznika i bezpiecznika powinny być rozsunięte na określoną wartość
czasu tA (margines bezpieczeństwa), jak to uwidoczniono na rysunku 14.
Większość producentów wyłączników instalacyjnych podaje obecnie wartości prądu
granicznego Igr (rys. 14) z punktu widzenia selektywnego działania układu wyłącznik
instalacyjny-bezpiecznik, dla określonych typów bezpieczników, zwykle gL lub gG.
Przykładowe wartości takich prądów granicznych podano w tabeli 2. Przykładowo dla
wyłącznika o prądzie znamionowym INW = 16 A i bezpiecznika o prądzie znamionowym INF
= 25 A układ zabezpieczenia jest selektywny dla prądów zwarciowych do 0,68 kA. Dla
prądów przekraczających tę wartość układ nie zapewnia selektywności.
Tabela 2. Graniczne wartości prądów zwarciowych (Igr rys. 14) w kA, przy których
spełnione są jeszcze warunki selektywnego działania zabezpieczeń zwarciowych
o układzie bezpiecznik-wyłącznik instalacyjny typu S190B [12]
INW
[A]
Układ
INF
25
35
50
63
80
6
1,0
1,7
3,0
3,5
6
10 0,78
1,4
2,7
3,3
6
13 0,74
1,4
2,2
3,1
5,5
16 0,68
1,4
2,2
3,1
4,5
20 0,65
1,28
2,1
2,9
3,8
25
1,23
1,9
2,9
3,2
32
1,84
2,85
2,8
40
2,7
2,4
50
63 Prąd zwarcia w kA
INW – prąd znamionowy ciągły wyłącznika
INF – prąd znamionowy bezpiecznika typu gG
100
6
6
6
6
6
6
5
4
4
4
125
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
160
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
połączeń
INF
IK
Problem takiego rozwiązania układu zabezpieczenia jest szczególnie trudny w krajowych
realiach zasilania budynków mieszkalnych i u yteczności publicznej, gdy dostawca energii
określa wartość bezpiecznika przedlicznikowego w oparciu o moc zamówioną przez odbiorcę.
W takiej sytuacji projektant staje niejednokrotnie przed trudnym dylematem zapewnienia
selektywności układu, nie mogąc zwiększyć prądu znamionowego bezpiecznika ponad
wartość wskazaną przez spółkę dystrybucyjną. Po ądane byłoby, aby parametry zabezpieczeń
nadprądowych w instalacji wynikały z wymogów technicznych jej wymiarowania, do których
nale y m.in. warunek selektywnego działania zabezpieczeń [10]. Przykładowo w Niemczech
jest powszechnie przyjęte, e bezpiecznik przedlicznikowy nie powinien mieć wartości
mniejszej ni 63 A, przez co zapewnia się selektywne działanie zabezpieczeń dla typowych
układów zasilania.
Selektywność w układzie bezpiecznik - wyłącznik
Warunki selektywności czasowo-prądowej w układzie bezpiecznik-wyłącznik
przedstawiono na rysunku 15. Taki zestaw zabezpieczeń spotykany jest najczęściej w
instalacjach przemysłowych, gdzie po stronie niskiego napięcia transformatora jest wyłącznik,
natomiast wiele pól odpływowych jest zabezpieczone bezpiecznikami. Brak części wspólnych
charakterystyk prądowo-czasowych oraz zastosowanie odpowiedniego marginesu
bezpieczeństwa (czas tA, rys. 15), jest podstawowym warunkiem selektywności w tym
przypadku. Graniczne wartości czasu tA podano na rysunku 15. Nale y ponadto zwrócić
uwagę na to, e katalogi wyłączników podają zwykle charakterystykę wyzwalacza
termobimetalowego dla stanu zimnego. Przy porównaniu tej charakterystyki (W, rys. 15) z
charakterystyką bezpiecznika (F, rys. 15) nale y wziąć pod uwagę charakterystykę
wyzwalacza nagrzanego, a więc dla czasów zadziałania krótszych o ok. 25% [2] w stosunku
do charakterystyki wyzwalacza zimnego (rys. 15).
t
W
F
W
wyzwalcz
zimny
wyzwalcz
nagrzany
tA
tA
F
IK1
odbiorniki
0,1s dla wyzw. elektronicznych
0,15 s dla wyzw. elektromagnetycznych
tW
tF
IG1 IK1
IG2
IK
Rys. 15. Charakterystyki prądowo-czasowe zabezpieczeń układu bezpiecznik-wyłącznik,
ilustrujące warunek selektywnego działania; objaśnienie oznaczeń jak na poprzednich
rysunkach
W
F1a
35A
IN = 630A
F1b
63A
F1c
25A
IK1
odb. 1
odb. 2
odb. 3
Rys. 16. Przykład układu, w którym większa liczba pól zabezpieczonych bezpiecznikami
(F1a, F1b, F1c) powinna spełnić warunek selektywności z poprzedzającym je wyłącznikiem
W
Je eli za wyłącznikiem znajduje się większa liczba pól odpływowych zabezpieczonych
bezpiecznikami (rys. 16), to spełnienie warunku selektywności nale y rozpocząć od
bezpiecznika o największym prądzie znamionowym. W sytuacji z rysunku 16 jest to
bezpiecznik 63 A. Spełnienie warunku selektywności dla tego pola odpływowego oznacza, e
bezpieczniki we wszystkich pozostałych polach odpływowych, o prądach znamionowych
mniejszych od 63 A, będą równie działały selektywnie.
W niektórych przypadkach, gdy spodziewany prąd zwarciowy IK ma wartość bliską
prądowi zadziałania wyzwalacza zwarciowego (IG) wyłącznika W lub ją przekracza i wartość
prądu IK wykracza poza zakres określony charakterystyką prądowo-czasową bezpiecznika
(rys. 17), nale y dokonać sprawdzenia selektywności układu bezpiecznik-wyłącznik w
oparciu o charakterystykę prądu ograniczonego bezpiecznika. Sytuację taką zilustrowano to
na rysunkach 17 i 18, w odniesieniu do układu z rysunku 16. Jeśli wartość prądu zwarciowego
IK jest równa lub przekracza prąd zadziałania wyzwalacza IG = 6000 A to charakterystyka
prądowo-czasowa nie pozwala na jednoznaczną ocenę selektywności, gdy wartość prądu
zwarciowego wykracza poza zakres charakterystyki bezpiecznika, której górna obwiednia jest
określona dla maksymalnych prądów ok. 3200 A (rys. 17). Korzystając z charakterystyki
prądu ograniczonego (rys. 18) nale y odczytać wartość prądu ograniczonego iogr bezpiecznika
(w tym przypadku o prądzie znamionowym INF1b = 63 A) odpowiadającą progowi
wyzwolenia IG = 6 kA (czerwona linia na rysunku 18). Prąd ten wynosi iogr = 4,2 A, co jest
wartością mniejszą od 6 kA. Oznacza to, e bezpiecznik ograniczy prąd zwarciowy na
poziomie 4,2 kA i nie dojdzie do wyzwolenia wyzwalacza wyłącznika, czyli selektywność
układu zostanie zachowana. Warunek: iogr & lt; IG jest konieczny do uzyskania selektywności w
omawianym przypadku.
Dodatkowo na rysunku 18 niebieską linią oznaczono graniczną, z punktu widzenia
selektywności, wartość spodziewanego prądu zwarciowego w przypadku, gdyby prąd
ograniczony rozpatrywanego bezpiecznika był na poziomie iogr = 6 kA. Oznacza to, e w
takiej sytuacji selektywność omawianego układu byłaby zachowana do wartości
spodziewanego prądu zwarciowego równego ok. 20 kA.
104
W
F1b
102
)
0A
(63
)
(63 A
103
t
101
100
10-1
10-2
10-3
102
2
4
6 8 103
2
4
6 8 104
2
4
A 105
IG = 6 kA
IK
Rys. 17. Charakterystyki prądowo-czasowe do sprawdzenia selektywności układu z rys. 16
400
[kA]
200
100
ip, iogr 80
60
40
iogr = 4,2 kA
20
A
100
A
80
63 A
10
8
6
50 A
4
2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0,1
0,1
0,2
0,4
1
2
4
10
20
IK = 6 kA
40 [kA]100
IK
Rys. 18. Charakterystyka prądu ograniczonego wybranych bezpieczników, ilustrująca
warunek selektywnego działania zabezpieczeń w układzie z rysunku 16, przy
uwarunkowaniach przedstawionych na rysunku 17
Selektywność w układzie bezpiecznik - bezpiecznik
Podstawowym warunkiem selektywnego działania zabezpieczenia bezpiecznik (F1) –
bezpiecznik (F2) (rys. 19) jest brak części wspólnych charakterystyk prądowo-czasowych
obydwu połączonych szeregowo bezpieczników. Z przedstawionych na rysunku 7
charakterystyk bezpieczników widać,
e pasma charakterystyk bezpieczników o
sąsiadujących ze sobą wartościach prądów znamionowych zachodzą na siebie. Wynika stąd,
e zastosowane jako F1 i F2 (rys. 19) dwa bezpieczniki o kolejnych prądach znamionowych
nie zapewniają selektywności. Dopiero bezpieczniki o co drugim prądzie znamionowym, tak
jak to zestawiono na górnej i dolnej części rysunku 7, zapewniają selektywne działanie układu
F1 – F2. W praktyce sprowadza się to do spełnienia warunku [1, 2]:
I NF 2
≥ 1,6 ,
I NF 1
(4)
gdzie INF1 , INF2 – prądy znamionowe bezpieczników F1 i F2.
Zale ność (4) jest słuszna jeśli porównujemy ze sobą bezpieczniki tego samego typu.
Porównanie prądów znamionowych bezpieczników ró nych typów, np. gL i gG mo e
prowadzić do błędnych wniosków co do selektywności układu.
Je eli prąd zwarciowy w zabezpieczanym obwodzie jest na tyle du y, e dochodzi do
ograniczenia prądu zwarciowego przez bezpiecznik, to czasy wyłączenia są krótsze od
jednego okresu częstotliwości sieciowej, czyli krótsze od 10 ms, a tym samym trudno jest w
tym zakresie oceniać selektywność na podstawie charakterystyki prądowo-czasowej, gdy jest
to zakres czasu na jej obrze u. Dlatego w takich sytuacjach nale y posługiwać się
charakterystykami całek Joule’a I2t bezpieczników (rys. 8), lub bezpośrednio porównaniem
wartości całek Joule’a:
I 2 t ( F 2) & gt; I 2 t ( F1) .
(5)
Charakterystyki pasmowe całek Joule’a bezpieczników o sąsiednich wartościach prądów
znamionowych zwykle mają pola wspólne (rys. 8), stąd dobór taki sprowadza się zwykle do
uwzględnienia bezpieczników o co najmniej drugim z kolei prądzie znamionowym.
Przykładowo z charakterystyk przedstawionych na rysunku 8 wynika, e bezpiecznik o INF =
25 A nie jest selektywny z bezpiecznikiem o INF = 35 A, natomiast jest selektywny z
bezpiecznikiem o INF = 50 A.
F1
t
F2
F2
F1
IK1
odbiorniki
tF2
tF1
IK1
IK
Rys. 19. Charakterystyki prądowo-czasowe zabezpieczeń układu bezpiecznik (F1) –
bezpiecznik (F2), ilustrujące warunek selektywnego działania; tF1, tF2 – zakres czasów
wyłączenia prądu zwarciowego IK1 odpowiednio dla bezpieczników F1 i F2
Charakterystyki całek Joule’a są określone równie dla wyłączników, przy czym są to
charakterystyki rosnące liniowo w osiach log/log. Na rysunku 8 przedstawiono
charakterystyki całki Joule’a wyłączania wyłączników instalacyjnych. Punkt przecięcia się
tych charakterystyk z charakterystykami przedłukowymi bezpieczników oznacza maksymalną
wartość prądu zwarciowego, dla którego układ wyłącznik-bezpiecznik (podobnie jak na
rysunku 14) jest selektywny. Przykładowo wyłącznik W16 jest selektywny z bezpiecznikiem
o INF = 35 A dla prądów zwarciowych nie przekraczających wartości ok. 1,5 kA.
Selektywność działania zabezpieczeń w obwodach rozgałęzionych, wielostronnie
zasilanych
Obwody wielostronnie zasilane są rzadko spotykane w instalacjach niskiego napięcia,
niemniej jednak sporadycznie mo na się spotkać z zagadnieniem sprawdzenia w nich
selektywności. Analizę taką przeprowadza się zwykle rozpatrując kilka linii zasilających
jeden węzeł sieci, z którego zasilany jest rozpatrywany fragment instalacji (rys. 20). Warunek
selektywnego działania zabezpieczeń polega w tym przypadku na przepaleniu się
bezpieczników F4 i F7 (rys. 20), znajdujących się najbli ej miejsca zwarcia, przy
pozostałych bezpiecznikach sprawnych. Spełniona jest przy tym relacja:
I K 4 = I K1 + I K 2 + I K 3 ,
oraz
I K7 = I K5 + I K6 .
(6)
Selektywność będzie zachowana, jeśli spełniony będzie następujący warunek [2]:
I K1 I K 2 I K 3
,
,
& lt; 0,8
IK4 IK4 IK4
(7a)
I K5 IK6
,
& lt; 0,8 ,
I K7 I K7
(7b)
dla prądu IK4, oraz
dla prądu IK7.
F1
F6
IK1
F2
IK6
F4
IK2
IK3
F3
IK4
IK7
F7
IK5
F5
Rys. 20. Układ ilustrujący zasadę selektywności w obwodach rozgałęzionych, wielostronnie
zasilanych.
W przypadku zabezpieczenia układów wielostronnie zasilanych wyłącznikami,
selektywność uzyskuje się przez zastosowanie zasad selektywności czasowej oraz z
wykorzystaniem kierunku przepływu prądu zwarciowego.
Wybrane aspekty selektywności działania zabezpieczeń nadprądowych po stronie
niskiego (nn) i średniego napięcia (SN) w stacji transformatorowej
W stacjach transformatorowych SN/nn, często stosowanym rozwiązaniem, głównie w
komunalnych sieciach rozdzielczych, jest zabezpieczenie transformatora po stronie średniego
napięcia bezpiecznikami współpracującymi z rozłącznikiem (rys. 21), natomiast po stronie
niskiego napięcia wyłącznikiem, poni ej którego znajdują się pola odpływowe zabezpieczone
bezpiecznikami.
Strefa ochrony zabezpieczenia bezpiecznikiem SN (F2)
UN = 20 kV
F2
INF2 = 63 A
SNT = 400 kVA
20/0,4 kV
∆uK = 4%
INT = 580A
W
INW = 630A
IK min = 13,5 kA
INF =250A
INF =160A
F1
INF1 = 400A
Selektywność sprawdzamy dla bezpiecznika o
największym prądzie znamionowym
Rys. 21. Schemat przykładowego rozwiązania zabezpieczeń w stacji transformatorowej
SN/nn w sieci komunalnej
Zagadnienie to zostanie omówione na przykładzie przedstawionym na rysunku 21, w
którym nale y dokonać sprawdzenia selektywności układu bezpiecznik F1 –wyłącznik W po
stronie niskiego napięcia oraz selektywności zabezpieczeń wyłącznika W z bezpiecznikiem
wysokiego napięcia F2. Sprawdzenie selektywności F1 – W zostało omówione we
wcześniejszej części artykułu, natomiast w tym miejscu skupiono się na zagadnieniu
selektywności układu W – F2 (rys. 21).
Powszechnie stosowane bezpieczniki wysokiego napięcia mają charakterystyki
niepełnozakresowe (rys. 22), tj. część charakterystyki oznaczona linią ciągłą oznacza zakres
działania bezpiecznika przy wyłączaniu prądów zwarciowych, natomiast część oznaczona
linią przerywaną oznacza zakres prądów przecią eniowych, w którym producent nie
gwarantuje poprawnego działania bezpiecznika. Nale y unikać pracy bezpiecznika w zakresie
prądów przecią eniowych, gdy długo palący się łuk przy niewielu miejscach przetopienia
topika mo e doprowadzić do eksplozji bezpiecznika. Obydwa zakresy są rozgraniczone
prądem IAmin, który jest najmniejszym prądem jaki przez bezpiecznik powinien być
wyłączany. Selektywne działanie układu W-F2 wymaga w tym przypadku aby:
•
punkt przecięcia się obydwu charakterystyk prądowo-czasowych znajdował się w
zakresie prądów większych od IAmin,
•
maksymalny prąd zwarciowy nie przekraczał punktu przecięcia się charakterystyki
bezpiecznika F2 i wyłącznika W, w skali, w której prąd jednej strony
transformatora jest przeliczony przez jego przekładnię na stronę drugą. .
t [s]
101
10-2
V
0k
=2
A
U N = 63
10-1
I NF
100
IA min
230 A
I
Rys. 22. Szklic przykładowej charakterystyki bezpiecznika wysokiego napięcia (objaśnienia
oznaczeń w tekście)
Na rysunku 23 przedstawiono charakterystykę prądowo-czasową ilustrującą analizę
selektywności działania zabezpieczeń w układzie z rysunku 21. Selektywność układu
bezpiecznik F1 – wyłącznik W jest zapewniona przez odstęp czasu ∆t ≈ 100 ms pomiędzy
obydwiema charakterystykami.
Prąd IAmin przeliczony na stronę niskiego napięcia transformatora wynosi:
I A min( nn ) = 230 A
20kV
= 11,5kA .
0,4kV
(8)
Spodziewana wartość maksymalnego prądu zwarciowego po stronie niskiego napięcia:
I K max =
I NT
580 A
100% =
100% = 14,5kA ,
∆u k %
4%
(9)
gdzie: INT jest prądem znamionowym transformatora a ∆uK% jest napięciem zwarcia
transformatora.
Ze względu na rozrzut charakterystyki bezpiecznika wysokiego napięcia, spodziewany
maksymalny prąd zwarciowy IKmax powinien być większy od powiększonego o 25% prądu
IAmin:
(I A min ) ⋅ 25% = (11,5kA) ⋅ 25% = 14,38kA ≤ I K max
= 14,5kA .
(10)
Warunek ten jest spełniony.
104
W
)
0A
(63
)
00 A
F1 (4
103
t
102
IKmax = 14,5 kA
101
100
∆t = 100 ms
10-1
10-2
10-3
102
2
4
6 8 103
B
2
IG = 6,3 kA
A 105
IAmin = 230 A
IK
2
4
8 12 20
40
80 120 200 400
(skala dla UN = 20 kV)
IK [A]
2000
1400
1200
4
6 8 104
800
2
4
Rys. 23. Ilustracja sprawdzenia selektywności działania zabezpieczeń strony niskiego i
średniego napięcia w stacji transformatorowej z rysunku 21
Przecięcie się charakterystyki bezpiecznika F2 z charakterystyką wyłącznika W le y
poni ej punktu B, w którym następuje przecięcie się wartości maksymalnego prądu
zwarciowego IKmax = 14,5 kA z charakterystyką wyłącznika. Oznacza to, e w omawianym
przykładzie selektywność zabezpieczeń nadprądowych jest zachowana.
Podsumowanie
Selektywne działanie zabezpieczeń nadprądowych w instalacjach elektrycznych jest
jednym z warunków ich prawidłowego zaprojektowania i funkcjonowania. W artykule
omówiono wybraną grupę podstawowych kryteriów wymiarowania instalacji dotyczącą
spełnienia tych warunków.
Literatura
[1] Markiewicz H. Instalacje elektryczne. WNT, Warszawa 2008.
[2] Seip G.G. Electrical installations handbook. John Wiley & Sons, Publics MCD Verlag,
Third Edition 2000.
[3] PN-EN 60269-1:2008 Bezpieczniki topikowe niskonapięciowe – Część 1: Wymagania
ogólne.
[4] PN-EN 60269-2:2003 Bezpieczniki topikowe niskonapięciowe – Część 2: Wymagania
dodatkowe dotyczące bezpieczników przeznaczonych do wymiany przez osoby
wykwalifikowane (bezpieczniki głównie do stosowania w przemyśle)
[5] PN-EN 60269-3:1997 Bezpieczniki topikowe niskonapięciowe – Część 3 Wymagania
dodatkowe dotyczące bezpieczników instalacyjnych przeznaczonych do stosowania przez
osoby niewykwalifikowane (bezpieczniki głównie dla gospodarstw domowych i
podobnych zastosowań)
[6] PN-EN 60947-1:2006: Aparatura rozdzielcza i sterownicza niskonapięciowa -- Część 1:
Postanowienia ogólne
[7] PN-EN 60947-2:2006 Aparatura rozdzielcza i sterownicza niskonapięciowa – Część2.
Wyłączniki
[8] PN-EN 60898-1:2007 Sprzęt elektroinstalacyjny -- Wyłączniki do zabezpieczeń
przetę eniowych instalacji domowych i podobnych -- Część 1: Wyłączniki do obwodów
prądu przemiennego
[9] PN-EN 60947-8:2005. Aparatura rozdzielcza i sterownicza niskonapięciowa -- Część 8:
Urządzenia sterujące zabezpieczeń termicznych (PTC) wbudowanych w maszyny
wirujące.
[10] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 w sprawie warunków
technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, Dz. U. Nr 75, poz.
690, z późniejszymi zmianami: z 2003 r.: Dz. U. Nr. 33, poz. 270, z 2004 r.: Dz. U. Nr.
109, poz. 1156 oraz z 2008 r.: Dz. U. Nr. 201, poz. 1238.
[11] PN-IEC 60364-4-43:1999 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych - Ochrona
dla zapewnienia bezpieczeństwa - Ochrona przed prądem przetę eniowym.
[12] N SEP-E- 002 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Instalacje elektryczne w
obiektach mieszkalnych. Podstawy planowania. Wytyczne i komentarz. COSiW SEP
2003.