90

W

dalszej czÍúci zosta≥y wypro-
wadzone wnioski ze szczegÛl-
nych w≥aúciwoúci dzia≥ania

tych aparatÛw, ktÛre znaczπco wp≥ywajπ na
praktyczne zastosowanie bezpiecznikÛw
i wy≥πcznikÛw nadprπdowych w ochronie
instalacji elektroenergetycznych.

Dzia≥anie wy≥πcznikÛw

w czasie zwarcia

Poniøsze rysunki przedstawiajπ prosty

schemat wy≥πcznika nadprπdowego i od-
powiadajπce mu graficzne wykresy prze-
biegu prπdu i napiÍcia. System ≥ukowo-
-stykowy wy≥πcznika przedstawiony jest
schematycznie za pomocπ modelu. System
wyzwalajπcy jest natomiast pokazany
w postaci cewki elektromagnesu, ktÛry si-
≥π F dzia≥a na styk ruchomy wy≥πcznika
w kierunku otwierania.

Na rysunku 1 czas t

0

to czas opÛü-

nienia mechanicznego. Prπd zwarcio-
wy zaczyna p≥ynπÊ, jednak si≥a F jest
jeszcze za ma≥a, aby mog≥a rozpoczπÊ
proces otwierania stykÛw, napiÍcie
w wy≥πczniku U jest bardzo niskie i jest
rÛwne spadkowi napiÍcia na rezystan-
cji pomiÍdzy zaciskami, system styko-
wy jest juø zwolniony, jednak styki
z powodu opÛünieÒ mechanicznych
wciπø jeszcze sπ zwarte.

Rysunek 2 przedstawia czas t

1

(przed≥ukowy) ñ poczπtek palenia siÍ
≥uku elektrycznego miÍdzy stykami.
Prπd osiπga takπ wartoúÊ, øe si≥a F za-
czyna juø otwieraÊ styk ruchomy.

Rysunek 3 to czas t

1

(≥ukowy) ñ ko-

niec fazy przed≥ukowej miÍdzy styka-
mi. Styki sπ otwarte do tego stopnia, øe
pojawia siÍ ≥uk, ktÛry pali siÍ dok≥ad-
nie miÍdzy miejscami stykowymi.

styczeÒ 2006

b e z p i e c z n i k i t o p i k o w e i w y ≥ π c z n i k i n a d p r π d o w e n i s k i e g o n a p i Í c i a

90

Bezpieczniki topikowe
i wyłączniki nadprądowe
niskiego napięcia

Roman Kłopocki

W artykule, bÍdπcym drugπ czÍúciπ publikacji, przedstawiono w prosty sposÛb fizyczne t≥o

dzia≥ania bezpiecznikÛw topikowych i wy≥πcznikÛw nadprπdowych niskiego napiÍcia w warun-

kach duøych prπdÛw zwarciowych.

Rys. 1. Czas t

0

opÛünienia mechanicznego

Rys. 2. Czas t

1

(przed≥ukowy)

Rzeczywista odleg≥oúÊ miÍdzy stykami
wynosi 1-2mm, napiÍcie na zaciskach
wzrasta o wartoúÊ napiÍcia ≥uku elektrycz-
nego, ktÛre jest jeszcze bardzo niskie i wy-
nosi 10-20 V.

Rysunek 4 to czas t

r

ñ ≥uk pod wp≥ywem

si≥y Lorenza zaczyna przesuwaÊ siÍ w kie-
runku komory gaszenia (≥ukowej), rdzeÒ
≥uku zaczyna przesuwaÊ siÍ zarÛwno na
styku ruchomym, jak i na styku nierucho-

b e z p i e c z n i k i t o p i k o w e i w y ≥ π c z n i k i n a d p r π d o w e . . .

Rys. 3. Czas t

1

(≥ukowy)

Rys. 5. Koniec fazy t

r

Rys. 7. Faza utrzymywania siÍ wysokiego napiÍ-
cia ≥uku elektrycznego i ograniczania prπdu zwar-
ciowego

Rys. 4. Czas t

r

Rys. 6. Faza podzia≥u ≥uku elektrycznego pomiÍ-
dzy p≥ytkami komory gaszenia (≥ukowej)

Rys. 8. Zgaszenie ≥uku elektrycznego i przerwa-
nie prπdu zwarciowego

REKLAMA

92

92

mym oraz wsporniku styku. NapiÍcie ≥uku
elektrycznego roúnie.

Na rysunku 5 pod koniec fazy t

r

rdzeÒ ≥u-

ku przechodzi na drugi wspornik styku ñ za-
czyna siÍ faza wnikania ≥uku do komory ga-
szenia (≥ukowej) wy≥πcznika. NapiÍcie ≥u-
ku elektrycznego bardzo szybko wzrasta.

Rysunek 6 przedstawia fazÍ podzia≥u ≥u-

ku elektrycznego pomiÍdzy p≥ytkami ko-
mory gaszenia (≥ukowej). NapiÍcie ≥uku
przekracza napiÍcie sieciowe, nastÍpuje fa-
za ograniczania prπdu.

Rysunek 7 to faza utrzymywania siÍ wy-

sokiego napiÍcia ≥uku elektrycznego i tym
samym ograniczania prπdu zwarciowego.

PomiÍdzy p≥ytkami komory gaszenia (≥u-
kowej) utrzymujπ siÍ ≥uki czÍúciowe. Ca≥-
kowite napiÍcie ≥uku elektrycznego jest su-
mπ napiÍÊ ≥ukÛw czÍúciowych. Tak wiÍc
wysokoúÊ napiÍcia ≥uku elektrycznego za-
leøy od liczby p≥ytek w komorze gaszenia
(≥ukowej) wy≥πcznika. Mechanizm inicjo-
wania napiÍcia ≥uku elektrycznego w pa-
kiecie p≥ytek komory gaszenia jest poka-
zany w dalszej czÍúci.

£uk elektryczny

£uk elektryczny to samoistne wy≥ado-

wanie w gazie ñ palπca siÍ plazma powsta-

jπca przy rozwarciu stykÛw, przez ktÛre
p≥ynie prπd. Sk≥ada siÍ z kolumny plazmo-
wej i spadku katodowego oraz anodowego
(rys. 9).

£uk elektryczny, p≥onπcy w komorze ≥u-

kowej wy≥πcznika, gdzie obecne sπ rÛøne
rodzaje gazÛw lub para, to plazma w rÛw-
nowadze termicznej. Katoda produkuje
elektrony na potrzeby prπdu poprzez ≥uk
elektryczny. Natomiast w obrÍbie anody sπ
wytwarzane jony. Podzia≥ napiÍcia miÍdzy
obiema elektrodami nie jest wiÍc liniowy,
lecz blisko obu elektrod pojawiajπ siÍ tzw.
anodowy i katodowy spadek napiÍcia. Na
rdzeÒ ≥uku elektrycznego przypada mniej-
sza czÍúÊ napiÍcia. Suma wszystkich
trzech wartoúci to sumaryczne napiÍcie ≥u-
ku elektrycznego, ktÛre wynosi oko≥o 20 V.

Rzeczywisty kszta≥t ≥uku elektrycznego

jest w duøej mierze okreúlony charaktery-
stycznymi cechami konstrukcyjnymi prze-
≥πcznika i z regu≥y rÛøni siÍ znacznie od
opisanego schematu ideowego.

Przy podziale ≥uku elektrycznego na

tzw. ≥uki ÑczÍúcioweî dochodzi do sumo-
wania siÍ poszczegÛlnych napiÍÊ ≥uko-
wych i do osiπgniÍcia przez napiÍcie ≥uku
elektrycznego niezbÍdnego poziomu na-
piÍcia, ktÛry wraz ze spadkiem napiÍcia na
wy≥πczniku stanowi dostatecznie wysokπ
wartoúÊ napiÍcia na zaciskach wy≥πcznika,
dla zapewnienia funkcji ograniczania prπ-
du zwarciowego.

W praktyce w wy≥πcznikach nadprπdo-

wych uøywa siÍ komÛr gaszenia z 12-13
p≥ytkami, co oznacza, øe wytwarza siÍ
w nich 13-14 ≥ukÛw czÍúciowych. NapiÍ-
cie ≥uku elektrycznego w komorze gasze-
nia ma wiÍc decydujπce znaczenie w ogra-
niczaniu prπdu zwarciowego.

Jeúli teraz wrÛcimy do oscylogramu prπ-

du i napiÍcia, to widzimy, øe wartoúÊ na-
piÍcia ≥uku elektrycznego jest w zasadzie
niezaleøna od wartoúci spodziewanego
prπdu zwarciowego, co oznacza, øe ze
wzrostem prπdu zwarciowego wzrasta
rÛwnieø cieplna ca≥ka wy≥πczania wy≥πcz-
nika.

Z drugiej strony ca≥ka wy≥πczania wy-

≥πcznika zaleøy w znacznej mierze od cza-
sÛw opÛünieÒ. Inaczej mÛwiπc, im szyb-
ciej powstanie dostatecznie wysokie napiÍ-
cie ≥uku elektrycznego, tym mniejsza jest
wartoúÊ ca≥ki wy≥πczania wy≥πcznika. To
oznacza, øe wielkoúÊ ca≥ki wy≥πczania
w wy≥πczniku w duøym stopniu zaleøy od
mechanicznych zdolnoúci mechanizmu
oraz konstrukcji komory gaszenia (≥uko-
wej) i stykÛw.

styczeÒ 2006

b e z p i e c z n i k i t o p i k o w e i w y ≥ π c z n i k i n a d p r π d o w e n i s k i e g o n a p i Í c i a

92

Rys. 9.
Uproszczony
schemat ≥uku
elektrycznego
(U

A

ñ anodowy spadek

napiÍcia;
U

K

ñ katodowy spadek

napiÍcia;
U

S

ñ napiÍcie rdzenia ≥uku

elektrycznego;
U

≥uk

ñ napiÍcie ≥uku

elektrycznego)

Rys. 10.
Powstawanie
wysokiego napiÍcia
≥uku elektrycznego

Rys. 11. PorÛwnanie charakterystyk energetycznych bezpiecznika (ca≥ka przed≥ukowa) i wy≥πcznika
(ca≥ka wy≥πczania).

91

Po≥πczenie

szeregowe

PorÛwnanie dzia≥ania bezpiecznikÛw

i wy≥πcznikÛw nadprπdowych podczas
zwarcia, przede wszystkim w warunkach
wzrastajπcego spodziewanego prπdu zwar-
ciowego, pokazuje nastÍpujπce w≥aúciwo-
úci:

ï

bezpiecznik topikowy ñ wartoúÊ ca≥ki
przed≥ukowej (topienia) zmniejsza siÍ od
wartoúci przy prπdzie krytycznym I

2

do

wartoúci przy I

1

,

ï

wy≥πcznik nadprπdowy ñ wartoúÊ ca≥ki
wy≥πczania wzrasta liniowo do najwiÍk-
szego prπdu zdolnoúci zwarciowej.

Selektywna

wspÛ≥praca

Rysunek 12 ilustruje przyk≥ad odcinka

instalacji z

wy≥πcznikiem nadprπdo-

wym 63 A dobezpieczonym bezpieczni-
kiem topikowym gG 100 A. Do wyznacze-
nia warunkÛw selektywnoúci potrzeba cha-
rakterystyk ca≥ek przed≥ukowych bez-
piecznikÛw topikowych i charakterystyk
wy≥πczania wy≥πcznikÛw nadprπdowych,
ktÛre nanosi siÍ na diagram ze skalπ loga-
rytmicznπ, podobny do tego na rysun-
ku 11.

Energia wy≥πczania wy≥πcznika: obo-

wiπzuje ta sama definicja co dla bezpiecz-
nikÛw z rozdzia≥u 3.1, a wiÍc chodzi
o energiÍ cieplnπ, ktÛra wydziela siÍ w wy-
≥πczniku pomiÍdzy stykami.

Ca≥ka wy≥πczania wy≥πcznika: dla wy-

≥πcznikÛw nadprπdowych nie istnieje wy-
raøenie Ñca≥ka przed≥ukowa (topienia), ist-
nieje tylko cieplna ca≥ka wy≥πczania.

Na rys. 12 moøna sobie wyobraziÊ rÛw-

nieø inne odpowiednie wartoúci, na przy-
k≥ad prπd znamionowy bezpiecznika
gG 50 A i prπd znamionowy wy≥πcznika
nadprπdowego B 20A.

b e z p i e c z n i k i t o p i k o w e i w y ≥ π c z n i k i n a d p r π d o w e . . .

Rys. 12. Przyk≥ad odcinka instalacji z wy≥πcznikiem nadprπdowym 63 A dobezpieczonym bezpieczni-
kiem topikowym gG 100 A

Rys. 13. Wyznaczanie warunkÛw selektywnej wspÛ≥pracy

REKLAMA

94

94

Warunki

selektywnej wspÛ≥pracy

Najpierw trzeba odnaleüÊ punkt prze-

ciÍcia krzywej ca≥ki przed≥ukowej wybra-
nego bezpiecznika i krzywej ca≥ki wy≥π-
czania wybranego wy≥πcznika instalacyj-
nego (rys. 13). Jeúli z punktu przeciÍcia
poprowadzi siÍ pionowπ liniÍ na oú spo-
dziewanego prπdu zwarciowego, otrzyma
siÍ dwa pola:

ï

pole 1 ñ ca≥ka wy≥πczania wy≥πcznika
nadprπdowego jest mniejsza od ca≥ki
przed≥ukowej bezpiecznika ñ w tym ob-
szarze selektywnoúÊ jest zapewniona,

ï

pole 2 ñ ca≥ka wy≥πczania wy≥πcznika
instalacyjnego jest wiÍksza od ca≥ki
przed≥ukowej bezpiecznika. W tym ob-
szarze selektywnoúÊ nie jest zapewnio-
na stuprocentowo, i w przypadku zwar-
cia obydwa aparaty zabezpieczajπce
mogπ wy≥πczyÊ siÍ rÛwnoczeúnie.

Wykres prπdÛw

ograniczonych

ZarÛwno bezpieczniki topikowe jak

i wy≥πczniki nadprπdowe majπ zdolnoúÊ
ograniczania prπdu zwarciowego zanim
ten osiπgnie wartoúÊ krytycznπ i spowodu-
je szkody w instalacji. Rysunek ñ Rys. 14
pokazuje wykres prπdÛw ograniczonych
jako sposÛb podawania tych danych.

Dlaczego waøne jest jak najlepsze ogra-

niczenie prπdu zwarciowego?

Dlatego, øe zbyt wysoka wartoúÊ prπdu

ograniczonego (przejúciowego) powoduje
zbyt duøe dynamiczne obciπøenia wszyst-
kich elementÛw instalacji przez ktÛrπ p≥y-
nie prπd.

Rysunek 14 przedstawia przyk≥ad dla

bezpiecznikÛw topikowych typu WT, po-
dobne wykresy istniejπ teø dla wy≥πczni-
kÛw instalacyjnych, tylko z innymi warto-
úciami.

Z wykresu moøna odczytaÊ wartoúÊ prπ-

du ograniczonego przy 20 kA spodziewa-
nego prπdu zwarciowego. Maksymalna
wartoúÊ prπdu ograniczonego wynosi 5 kA
w przypadku uøycia wk≥adki topikowej
WT o prπdzie znamionowym 63 A.

Tak samo korzysta siÍ teø z wykresu dla

wy≥πcznikÛw instalacyjnych.

Podsumowanie

Dla optymalnej ochrony przewodÛw

i urzπdzeÒ w warunkach wysokich prπdÛw
zwarciowych w instalacji elektrycznej na-
leøy wykorzystaÊ wszystkie zalety zarÛw-
no bezpiecznikÛw topikowych, jak i wy-
≥πcznikÛw nadprπdowych.

OprÛcz tego bardzo waøne jest, aby znaÊ

w≥aúciwe dane techniczne poszczegÛlnych
wy≥πcznikÛw, ktÛre pomimo standaryzacji
w tej dziedzinie mogπ siÍ rÛøniÊ w zaleø-
noúci od producenta. Od obu urzπdzeÒ za-
bezpieczajπcych (bezpiecznikÛw i wy≥πcz-
nikÛw) oczekuje siÍ:

ï

jak najniøszej ca≥ki wy≥πczania, co
zmniejsza obciπøenie termiczne instala-
cji,

ï

jak najmniejszych prπdÛw ograniczo-
nych, co zmniejsza obciπøenia prπdowe
i dynamiczne instalacji elektrycznych.

inø.

Roman K≥opocki

Autor jest pracownikiem

firmy ETI Polam w Pu≥tusku

styczeÒ 2006

b e z p i e c z n i k i t o p i k o w e i w y ≥ π c z n i k i n a d p r π d o w e n i s k i e g o n a p i Í c i a

94

Rys. 14. Wykres prπdÛw ograniczonych ñ przyk≥ad dla bezpiecznikÛw topikowych typu WT

ETI-Polam Sp. z o.o.

06-100 Pu≥tusk

ul. Jana Pawla ll 18

tel. [phone]

fax [phone]

e-mail: [e-mail]

www.etipolam.com.pl

1/6

R

E

K

L

A

M

A

93