38
W
dalszej czÍúci artyku≥u przed-
stawione zosta≥y bezpieczniki
topikowe i wy≥πczniki nadprπ-
dowe niskiego napiÍcia jako najwaøniej-
sze i najczÍúciej stosowane aparaty zabez-
pieczajπce w elektrotechnice i instalacjach
elektroenergetycznych.
Opisane zosta≥y podstawowe procesy fi-
zyczne i elektryczne w warunkach wy≥π-
czania zwarÊ. Artyku≥ z jednej strony prÛ-
buje pokazaÊ zalety i wady obu aparatÛw
zabezpieczajπcych, z drugiej zaú strony po-
kazuje sposÛb ich wspÛ≥dzia≥ania w wa-
runkach wysokich prπdÛw zwarciowych.
Przy wyborze elementÛw zabezpiecza-
jπcych naleøy kierowaÊ siÍ przede wszyst-
kim nastÍpujπcymi kryteriami:
ï
bezpieczeÒstwo,
ï
niezawodnoúÊ (pewnoúÊ dzia≥ania),
ï
jakoúÊ (trwa≥oúÊ),
ï
rÛønorodnoúÊ (wielkoúÊ, szereg prπdÛw
znamionowych),
ï
gospodarnoúÊ (efektywnoúÊ).
Instalacja elektroenergetyczna powinna
byÊ tak zaprojektowana, aby urzπdzenie
zabezpieczajπce przerwa≥o w sposÛb nie-
zawodny obwÛd elektryczny tylko wtedy,
gdy jest to rzeczywiúcie potrzebne (przy
wystπpieniu zwarcia lub przeciπøenia). Po-
nadto, urzπdzenie zabezpieczajπce nie mo-
øe traciÊ swoich parametrÛw w ciπgu d≥u-
giego czasu uøytkowania.
Zalety i wady
bezpiecznikÛw topikowych
Jak zosta≥o wczeúniej przedstawione,
przy ocenie zalet i wad aparatu zabezpie-
czajπcego naleøy wziπÊ pod uwagÍ z gÛry
okreúlone kryteria:
ï
bezpieczeÒstwo ñ wysoki stopieÒ ogra-
niczenia prπdu, niskie wartoúci ca≥ek Jo-
ule'a, brak wytwarzania gazÛw jonizujπ-
cych, niskie straty mocy,
ï
niezawodnoúÊ (pewnoúÊ dzia≥ania) ñ po
wy≥πczeniu wk≥adkÍ topikowπ siÍ wy-
mienia, nowa oferuje swoje pe≥ne w≥aúci-
woúci, odpornoúÊ na starzenie, proste
uøytkowanie.
grudzieÒ 2005
f i r m y , l u d z i e , p r o d u k t y
38
Bezpieczniki topikowe
i wyłączniki nadprądowe
niskiego napięcia
Roman Kłopocki
Celem niniejszego artyku≥u, ktÛry jest pierwszπ czÍúciπ cyklu publikacji, jest przedstawienie
w prosty sposÛb fizycznego t≥a dzia≥ania bezpiecznikÛw topikowych i wy≥πcznikÛw nadprπdo-
wych niskiego napiÍcia w warunkach duøych prπdÛw zwarciowych. W dalszej czÍúci zosta≥y
wyprowadzone wnioski ze szczegÛlnych w≥aúciwoúci dzia≥ania tych aparatÛw, ktÛre znaczπ-
co wp≥ywajπ na praktyczne zastosowanie bezpiecznikÛw i wy≥πcznikÛw nadprπdowych
w ochronie instalacji elektroenergetycznych.
Rys. 1. Charakterystyka czasowo-prπdowa t-I wk≥adki topikowej
Rys. 2. PrzewÍøone miejsca elementu topikowego
ï
jakoúÊ (trwa≥oúÊ) ñ dzisiejsza produkcja
bezpiecznikÛw jest wysoko zautomaty-
zowana, co zapewnia niewielkie odstÍp-
stwa w ich technicznych w≥aúciwoúciach
w masowej produkcji,
ï
rÛønorodnoúÊ (wielkoúÊ, szereg prπdÛw
znamionowych) ñ zastosowanie w obwo-
dach nisko i wysokonapiÍciowych, za-
bezpieczenie przewodÛw, aparatÛw
i urzπdzeÒ, zabezpieczenia urzπdzeÒ
elektronicznych,
ï
gospodarnoúÊ (efektywnoúÊ) ñ porÛwnu-
jπc techniczne w≥aúciwoúci bezpiecznika,
wymiary oraz cenÍ, jest to najoszczÍd-
niejsze rozwiπzanie.
S≥abe strony wk≥adek topikowych
ï
Wk≥adkÍ po zadzia≥aniu trzeba wymie-
niÊ, a przedtem znaleüÊ powÛd jej za-
dzia≥ania, co wiπøe siÍ z przerwπ w do-
stawie energii elektrycznej,
ï
brak moøliwoúci pe≥nego zabezpieczenia
obwodu przed przeciπøeniem.
Zalety i wady
wy≥πcznikÛw nadprπdowych
PorÛwnanie wy≥πcznikÛw wed≥ug tych
samych kryteriÛw:
ï
bezpieczeÒstwo ñ moøliwoúÊ dok≥adne-
go ustawienia charakterystyki czasowo-
-prπdowej, duøa zdolnoúÊ ograniczenia
prπdu zwarciowego, jednak kosztem
efektywnoúci zabezpieczenia, brak moø-
liwoúci Ñwatowaniaî wy≥πcznika przez
osoby niekompetentne.
ï
niezawodnoúÊ ñ nowoczesne rozwiπza-
nia konstrukcyjne zapewniajπ wysoki
stopieÒ niezawodnoúci, jednak kaødy
wy≥πcznik z czasem traci swoje w≥aúci-
woúci (zaleøy od czÍstotliwoúci wy≥π-
czeÒ),
ï
jakoúÊ ñ to samo dotyczy jakoúci,
ï
rÛønorodnoúÊ ñ bardzo szerokie moøli-
woúci zastosowaÒ, rozwÛj elektroniki
zwiÍksza zakres zastosowaÒ.
ï
gospodarnoúÊ (efektywnoúÊ) ñ krÛtki
czas ponownego za≥πczenia (krÛtka prze-
rwa w zasilaniu), duøe koszty produkcji
wy≥πcznikÛw trÛjfazowych.
Wady wy≥πcznikÛw
ï
przy wy≥πczeniu wystÍpuje wydzielanie
gazÛw jonizujπcych, ktÛre mogπ spowo-
dowaÊ w rozdzielnicy wiele skutkÛw
ubocznych,
ï
w przypadku czÍstych wy≥πczeÒ zwarÊ
wy≥πcznik traci swoje techniczne w≥aúci-
woúci.
Dzia≥anie wk≥adek topikowych
w czasie zwarcia
Dzia≥anie wk≥adek topikowych w czasie
wy≥πczania przetÍøenia ≥atwo analizuje siÍ
na podstawie charakterystyki czasowo-prπ-
dowej t-I. Przy przetÍøeniu od prπdu zna-
mionowego In do 4-8 krotnoúci prπdu zna-
mionowego mÛwimy o przeciπøeniu.
W zakresie wyøszych prπdÛw mÛwimy
o zwarciu (rys. 1).
Do stopienia przewÍøonych miejsc ele-
mentu topikowego (rys. 2) potrzebny jest
odpowiednio duøy prπd, ktÛry w czasie
(wed≥ug charakterystyki) dostarczy doúÊ
duøπ energiÍ potrzebnπ do stopienia i wy-
parowania metalu w tych os≥abionych, spe-
cjalnie obliczonych miejscach.
Symbol Ip oznacza spodziewany prπd
zwarciowy, tzn. ten prπd (wartoúÊ skutecz-
na), ktÛry p≥ynπ≥by przez obwÛd elektrycz-
ny, gdyby bezpiecznik by≥ zastπpiony po-
≥πczeniem o ma≥ej impedancji.
Bardzo waønym parametrem dla kaøde-
go bezpiecznika jest jego zwarciowa zdol-
noúÊ wy≥πczania. Jest to zdolnoúÊ bez-
piecznika do przerwania obwodu elek-
trycznego w czasie zwarcia, ktÛry odpo-
f i r m y , l u d z i e , p r o d u k t y
REKLAMA
40
wiada dok≥adnie okreúlonym warunkom,
bez skutkÛw ubocznych. Te warunki sπ
opisane nastÍpujπcymi wartoúciami gra-
nicznymi:
ï
najwyøszy i najniøszy spodziewany prπd
zwarciowy
ï
kszta≥t prπdu i czÍstotliwoúÊ
ï
cos
ϕ (dla AC), sta≥a czasowa L/R (dla
DC)
Ograniczanie prπdu
Bezpiecznik spe≥nia swojπ funkcjÍ ogra-
niczania prπdu wtedy, gdy w czasie po-
wstania zwarcia istotnie ograniczy prπd
zwarciowy do wartoúci Ig, a wiÍc, gdy
przerwie obwÛd zanim chwilowa wartoúÊ
prπdu spodziewanego osiπgnie wartoúÊ
maksymalnπ ñ krytycznπ.
Graficznie jest to pokazane na rysun-
ku 3. Efekt ograniczania prπdu zwarciowe-
go wystπpi wÛwczas, gdy napiÍcie ≥uku
elektrycznego przekroczy napiÍcie w sieci
elektrycznej, przy czym chwilowa wartoúÊ
prπdu zacznie szybko spadaÊ do zera. Naj-
wyøszπ chwilowπ wartoúÊ prπdu nazywa
siÍ prπdem ograniczonym Ig.
Ca≥π fazÍ wy≥πczania bezpiecznika dzie-
li siÍ na: fazÍ topienia elementu topikowe-
go i fazÍ ≥uku. Rysunki od 4 do 8 przed-
stawiajπ przebieg prπdu i napiÍcia od po-
czπtku wystπpienia zwarcia do koÒcowe-
go przerwania prπdu w obwodzie.
Faza topienia
ï
Rysunek 4: poczπtek zwarcia, wartoúÊ
prπdu jest przedstawiona szerokoúciπ øÛ≥-
tej linii,
ï
rysunek 5: chwilowa wartoúÊ prπdu
zwarciowego wzrasta, jednak doprowa-
dzona energia jeszcze nie jest dostatecz-
nie duøa do przetopienia elementu topi-
kowego w przewÍøeniach (miejscach
os≥abionych),
ï
rysunek 6: prπd osiπga wartoúÊ, przy ktÛ-
rej energia jest dostatecznie duøa do
przetopienia przewÍøeÒ, faza topienia
jest zakoÒczona, zaczyna siÍ faza ≥uko-
wa.
Faza ≥ukowa
W≥aúciwoúciπ fazy ≥ukowej jest szybki
wzrost napiÍcia na elemencie topikowym
(oznaczenie U ñ kolor niebieski), ktÛre po-
wstaje na ≥ukach czπstkowych w poszcze-
gÛlnych przewÍøeniach.
ï
rysunek 7: faza ≥ukowa w pe≥ni, poszcze-
gÛlne ≥uki elektryczne ch≥odzπ siÍ w pia-
sku kwarcowym, chwilowa wartoúÊ prπ-
du spada do zera,
ï
rysunek 8: prπd nie p≥ynie, ≥uki gasnπ,
powstaje napiÍcie zwrotne, rÛwne napiÍ-
ciu w sieci elektrycznej. Wyglπd prze-
rwanego elementu topikowego pokazano
na rysunku 9.
Aby ≥atwiej zrozumieÊ dzia≥anie bez-
piecznika w czasie zwarcia, dobrze jest
znaÊ dwie wartoúci prπdu:
I
1
ñ maksymalna zdolnoúÊ zwarciowa
(dla wk≥adek WT wynosi 120 kA),
I
2
ñ prπd krytyczny (dla wk≥adki topiko-
wej WT miÍdzy 1 kA a 5 kA).
Wy≥πczenie przy prπdzie I1
Wszystkie przewÍøenia elementu topi-
kowego (os≥abione miejsca) sπ w jednym
momencie przerwane. Pojawiajπ siÍ tzw.
≥uki elektryczne czÍúciowe, kaødy o d≥u-
goúci przewÍøenia. Na kaødym przewÍøe-
niu istnieje napiÍcie ≥uku o wartoúci 150-
200 V.
WartoúÊ napiÍcia ≥uku elektrycznego
jest zaleøna od:
ï
warunkÛw odprowadzania ciep≥a po-
przez piasek kwarcowy ñ im lepsze wa-
runki (jakoúÊ piasku i wype≥nienia), tym
mniejsza jest temperatura ≥uku elektrycz-
nego i wyøsze jego napiÍcie,
grudzieÒ 2005
f i r m y , l u d z i e , p r o d u k t y
40
Rys. 4. Poczπtek zwarcia
Rys. 5. Chwilowa wartoúÊ prπdu zwarciowego wzrasta
Rys. 6. Faza topienia jest zakoÒczona, zaczyna siÍ faza ≥ukowa
Rys. 7. Faza ≥ukowa
ï
wielkoúci prπdu ñ im wyøszy prπd, tym wiÍksze napiÍcie ≥uku
elektrycznego,
ï
d≥ugoúci ≥uku elektrycznego ñ im wiÍksza d≥ugoúÊ, tym wyøsze
napiÍcie ≥uku elektrycznego,
ï
przekroju poprzecznego ≥uku elektrycznego ñ im mniejszy prze-
krÛj, tym wiÍksze napiÍcie ≥uku elektrycznego
Oscylogram prπdu i napiÍcia w momencie wy≥πczenia przy I
1
przedstawia rysunek 10.
WartoúÊ ca≥ki wy≥πczania I
2
t = 24 630 A
2
s (wartoúÊ ca≥kowita).
Charakterystyczny jest bardzo krÛtki czas topienia elementu topi-
kowego i szybki wzrost napiÍcia ≥uku elektrycznego.
Wy≥πczenie przy prπdzie I
2
PrzewÍøenia przepalajπ siÍ pojedynczo i to tylko w jednym
punkcie. W kaødym przewÍøeniu powstaje najpierw bardzo krÛt-
ki ≥uk czÍúciowy, ktÛry potem pali siÍ w bezpieczniku pomiÍdzy
elektrodami (noøami stykowymi). £uk elektryczny wyd≥uøa siÍ
ze sta≥π szybkoúciπ. SzybkoúÊ topienia elementu topikowego
f i r m y , l u d z i e , p r o d u k t y
Rys. 8. Prπd nie p≥ynie, ≥uki gasnπ
Rys. 9.
Przerwany
element
topikowy
REKLAMA
42
jest 10 do 1000 mniejsza niø przy wy≥πcza-
niu prπdu I
1
. Oscylogram prπdu i napiÍcia
w momencie wy≥πczenia bezpiecznika
przy prπdzie I
2
przedstawia rysunek 11.
Maksymalne napiÍcie ≥uku elektryczne-
go jest wyøsze od wartoúci krytycznej na-
piÍcia elektrycznego w sieci, wzrost napiÍ-
cia ≥uku elektrycznego jest znacznie wol-
niejszy. WartoúÊ ca≥ki Joule'a I
2
t = 62 239
A
2
s. Czas topienia elementu topikowego
oraz czas ≥ukowy jest d≥uøszy.
SelektywnoúÊ wk≥adek
po≥πczonych szeregowo
W celu przedstawienia podstawowych
zasad selektywnej wspÛ≥pracy bezpieczni-
kÛw po≥πczonych szeregowo przedstawio-
ny zostanie schemat instalacji elektrycznej
(rys. 12) oraz wykresy energetyczne bez-
piecznikÛw I
2
t (rys. 13).
Na wykresach tych zaznaczono ñ dla
wk≥adki topikowej 1 ñ wartoúÊ jej ca≥ki
przed≥ukowej I
2
t
s
ñ obszar koloru pomaraÒ-
czowego, a dla wk≥adki topikowej 2 ñ war-
toúÊ jej ca≥ki wy≥πczania I
2
t
A
ñ obszar ko-
loru niebieskiego.
Selektywna wspÛ≥praca wk≥adki topiko-
wej 1 i wk≥adki topikowej 2 jest zapewnio-
na wtedy, kiedy obszar koloru pomaraÒ-
czowego jest wiÍkszy od obszaru koloru
niebieskiego. Tak wiÍc wtedy, kiedy war-
toúÊ ca≥ki przed≥ukowej (topienia) wk≥ad-
ki 1 jest wiÍksza od ca≥ki wy≥πczania
wk≥adki 2. Taka selektywna wspÛ≥praca
jest zapewniona, jeúli prπdy znamionowe
bezpiecznikÛw sπ dobrane w stosunku
wiÍkszym niø 1: 1,6.
Przyk≥ad:
wk≥adka 1 ñ 100A
wk≥adka 2 ñ 63A
I
2
t
S
= 7700A
2
s
I
2
t
LB
= 10300 A
2
s
---------------------
Wtedy: I
2
t
S
= 24000A
2
s > I
2
t
A
= 18000 A
2
s
Energia wy≥πczania
bezpiecznika
Energia wy≥πczania bezpiecznika to
energia elektryczna w obwodzie, ktÛra
w czasie palenia siÍ ≥uku elektrycznego we
wk≥adce zamienia siÍ w energiÍ cieplnπ
(ktÛrπ przejmuje element topikowy i wy-
pe≥niajπcy wk≥adkÍ piasek kwarcowy).
-
ca≥kowita energia wydzielona w czasie
palenia siÍ ≥uku elektrycznego,
W
a
=
∫
u
LB
i
d
dt =W
m
+ W
c
ta
ts
grudzieÒ 2005
f i r m y , l u d z i e , p r o d u k t y
42
Rys. 10.
Oscylogram
prπdu i napiÍcia
w momencie
wy≥πczenia przy I
1
Rys. 11.
Oscylogram prπdu
i napiÍcia
w momencie
wy≥πczenia
bezpiecznika
przy prπdzie I
2
Rys. 12. Schemat instalacji elektrycznej
Rys. 13. Wykresy energetyczne bezpiecznikÛw I
2
t
1/6
R
E
K
L
A
M
A
gdzie:
I
m
ñ (energia elektromagnetyczna
w obwodzie elektrycznym,
L
c
ñ wartoúÊ prπdu w momencie
wy≥πczenia indukcyjnoúÊ obwodu
elektrycznego
ñ energia elek-
tryczna pobrana ze ürÛd≥a w czasie
palenia siÍ ≥uku elektrycznego
Energia wy≥πczania jest rÛwna co najmniej potencjalnej energii
elektromagnetycznej. Roúnie wraz ze stosunkiem: czas ≥uku / czas
topienia.
Ca≥ka wy≥πczania, ca≥ka przed≥ukowa (topienia),
ca≥ka ≥ukowa
Ca≥ka przed≥ukowa (topienia) bezpiecznika jest to wartoúÊ po-
dana przez jego producenta i okreúla energiÍ potrzebnπ do prze-
topienia os≥abionych miejsc elementu topikowego (przewÍøeÒ)
bezpiecznika:
Ca≥ka ≥ukowa bezpiecznika:
Ca≥ka wy≥πczania bezpiecznika:
Ca≥ka wy≥πczania bezpiecznika okreúla ca≥kowitπ energiÍ ciepl-
nπ, oddanπ do obwodu elektrycznego. Jest sumπ ca≥ki ≥ukowej
i ca≥ki przed≥ukowej (topienia).
inø.
Roman K≥opocki
Autor jest pracownikiem
firmy ETI Polam w Pu≥tusku
K
m
+ K
a
=
∫
i
2
dt
ta
ts
K
a
=
∫
i
2
dt
ta
ts
K
m
=
∫
i
d
dt
ts
0
W
c
=
∫
u
c
i
d
dt
ta
ts
W
m
=
1
/
2
L
c
I
2
m
f i r m y , l u d z i e , p r o d u k t y
Rys. 14.
Bezpiecznik topikowy
firmy Eti Polam
ETI-Polam Sp. z o.o.
06-100 Pu≥tusk
ul. Solna 3
tel. (23) 691 91 00
fax (23) 692 32 12
e-mail: etipolam@etipolam.com.pl
www.etipolam.com.pl
REKLAMA