Ad 3.) Dobór zabezpieczeń przewodów oraz ich koordynacja
Obwód zasilania odbiornika musi być chroniony przed cieplnymi skutkami przepływu
prądu przetężeniowego (przeciążeniowego lub zwarciowego). Jako zabezpieczenia
nadprądowe w budownictwie mieszkaniowym stosuje się najczęściej:
– bezpieczniki instalacyjne (w złączu bezpieczniki mocy), nie zapewniają one
jednak wystarczająco szybkiego wyłączenia, dlatego można je obecnie
stosować tylko w obwodach zasilających jako zabezpieczenie przedlicznikowe
(rys.1.);
– wyłączniki automatyczne (wkręcane), stosowane są w instalacji odbiorczej,
najczęściej o prądach znamionowych 10 i 16A (rys.1.);
– wyłączniki nadprądowe wyposażone w zwłoczny wyzwalacz termiczny
(bimetalowy) – przeciążenia, oraz w bezzwłoczny wyzwalacz
elektromagnetyczny – zwarcia, najczęściej stosowane w instalacjach
domowych są wyłączniki jednobiegunowe o prądach znamionowych 10 lub
16A, wyjątek stanowią odbiorniki większej mocy np. kuchnie elektryczne
(rys.2. i tab.1.);
Wyłączniki instalacyjne nadprądowe o charakterystyce B służą do zabezpieczania obwodów
zasilających urządzenia oświetleniowe, obwody gniazd wtykowych oraz urządzenia grzejne.
Wyłączniki instalacyjne o charakterystyce C służą do zabezpieczania obwodów zasilających niewielkie
silniki (o mocach do kilku kW), natomiast o charakterystyce D do zabezpieczania obwodów
zasilających duże silniki, zatem w instalacjach mieszkaniowych raczej nie występują.
Rysunek 1. Z prawej strony wyłącznik automatyczny przystosowany do wkręcania w gniazdo
bezpiecznika topikowego, z lewej – wkładki bezpieczników topikowych.
Rysunek 2. Wyłącznik
nadprądowy
firmy
Legrand Fael.
Tabela 1. Przykładowe wyłączniki nadprądowe do instalacji domowych.
Sprawdzenie przekrojów przewodów ze względu na cieplne działanie prądów
przeciążeniowych.
Prąd znamionowy zabezpieczenia nadprądowego (
) jest to prąd znamionowy
ciągły urządzenia zabezpieczającego ( w urządzeniach mających możliwość regulowania
wartości prądu, jest to prąd nastawiony). Powinien on być dobrany z uwzględnieniem prądu
obciążenia obwodu zabezpieczanego (
) oraz obciążalności prądowej długotrwałej
(
) żył przewodu zasilającego dany obwód.
N
I
B
I
(
Z
Z
I
I
′
)
Prąd zadziałania zabezpieczenia nadprądowego (
) jest to najmniejsza wartość
prądu, która niezawodnie wywołuje zadziałanie zabezpieczenia nadprądowego (ew. jego
członu przeciążeniowego) w określonym czasie. Wartość prądu lub krotność (
) konieczną
do jego określenia podaje producent w danych katalogowych.
2
I
2
k
Warunki koordynacji zabezpieczeń:
(1)
( )
Z
Z
N
B
I
I
I
I
′
≤
≤
Obciążalność długotrwała przewodu
(
powinna być nie mniejsza niż prąd znamionowy lub prąd
nastawczy
urządzenia zabezpieczającego przed przeciążeniem, a on z kolei – aby zapobiec
zbędnym zadziałaniom – powinien być nie mniejszy niż obliczeniowy prąd szczytowy obwodu
.
)
Z
I
(
N
I
)
( )
B
I
(2)
( )
Z
Z
I
I
I
′
≤ 45
,
1
2
N
I
k
I
2
2
=
Prąd przeciążeniowy o wartości
, przy której przyrost temperatury przewodu ustala się na
poziomie dwukrotnie większym od dopuszczalnego długotrwale, powinien wywoływać zadziałanie
nadprądowego zabezpieczenia obwodu.
(
Z
I
⋅
45
,
1
)
gdzie:
–
prąd znamionowy urządzenia zabezpieczającego
N
I
–
prąd zadziałania urządzenia zabezpieczającego
2
I
2
k
–
krotność prądu zadziałania urządzenia zabezpieczającego w stosunku do jego
prądu znamionowego (nastawionego) – podawany przez producenta
dla
wkładek topikowych (bezpieczniki) :
)
1
,
2
6
,
1
(
2
÷
=
k
dla
wyłączników instalacyjnych :
45
,
1
2
=
k
UWAGA! Powyższe wartości współczynnika (
) są jedynie wartościami orientacyjnymi. Dla
konkretnych urządzeń zabezpieczających należy korzystać z danych zawartych w katalogu.
2
k
Sprawdzenie przekrojów przewodów ze względu na cieplne działanie prądów
zwarciowych
Zgodnie z wymaganiami normy czas od chwili powstania zwarcia do chwili przerwania
prądu zwarciowego powinien być na tyle krótki, aby temperatura żył przewodów nie była
wyższa niż wartość graniczna dopuszczalna przy zwarciu dla danego typu przewodów. Czas
ten nie powinien przekroczyć wartości (
), którą wyznacza się z zależności:
km
t
2
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
′′
=
k
km
I
s
k
t
gdzie :
– przekrój przewodu [ mm
s
2
]
k
I ′′
– spodziewany początkowy prąd zwarciowy [A]
km
t
– graniczny dopuszczalny czas trwania zwarcia [s]
k
– współczynnik zależny od właściwości materiałów przewodowych i
izolacyjnych danego przewodu (tab.1.)
Tabela1. Współczynnik k dla różnych rodzajów przewodów.
Rodzaj przewodu
Wartość współczynnika k
[As
1/2
/mm
2
]
Przewody o izolacji z gumy powszechnego użytku,
butylenu, polietylenu usieciowanego lub gumy
etylenowo-propylenowej :
– z
żyłami miedzianymi
– z
żyłami aluminiowymi
135
87
Przewody o izolacji z PVC :
– z
żyłami miedzianymi
– z
żyłami aluminiowymi
115
74
Warunki koordynacji:
(1)
k
W
I
I
′′
≤
(2)
km
k
t
t
≤
gdzie
:
W
I
–
zdolność wyłączalna danego urządzenia zabezpieczającego (zdolność zwarciowa)
k
t
– czas zadziałania zabezpieczenia przy danym prądzie zwarciowym, odczytywany dla
danego zabezpieczenia z jego charakterystyki czasowo-prądowej
Pozostałe oznaczenia jak wyżej.
Gdy obliczona wartość granicznego czasu trwania zwarcia jest mniejsza od 0,1s
wówczas nie powinno się już korzystać z charakterystyk czasowo-prądowych (dla wkładek
topikowych). W przypadku czasów wyłączenia prądu przez zabezpieczenie krótszych niż
10ms, należy się posłużyć całką Joule’a (
). Wyraża ona energię ograniczoną przez
bezpiecznik lub wyłącznik, jaka przepływa w obwodzie podczas zwarcia, do chwili
wyłączenia prądu zwarciowego. Energia ta powinna być mniejsza od energii równej (
) ,
jaka może być skumulowana w przewodzie, bez przekroczenia temperatury granicznej
dopuszczalnej. Uwzględniając oba przypadki warunki koordynacji można zapisać
następująco:
t
I
2
2
2
s
k
Warunki koordynacji:
(1)
k
W
I
I
′′
≤
jeżeli
]
[
1
,
0
2
s
I
s
k
t
k
km
≥
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
′′
=
jeżeli
]
[
1
,
0
2
s
I
s
k
t
k
km
<
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
′′
=
(2)
(2)
km
k
t
t
≤
t
I
s
k
2
2
2
≥
gdzie
:
t
I
2
–
wartość całki Joule’a dla danego urządzenia zabezpieczającego podawana przez
producenta lub odczytana z odpowiedniej charakterystyki dla danej wartości prądu
zwarciowego zamieszczonej w katalogu
Pozostałe oznaczenia jak wyżej.
Tabela2. Przykładowe dane katalogowe dla wyłącznika instalacyjnego serii S300 firmy Legrand Fael.
WYZNACZANIE PRĄDÓW ZWARCIOWYCH
1) Prąd początkowy przy zwarciu trójfazowym oblicza się z zależności:
k
N
f
k
Z
U
c
I
3
3
=
′′
−
gdzie :
c
– współczynnik napięciowy, dla napięcia 230/400V prądu maksymalnego (c = 1,0)
N
U
–
napięcie znamionowe (400V)
– impedancja zastępcza obwodu zwarciowego
k
Z
2
2
k
k
k
X
R
Z
+
=
przy czym :
...
2
1
+
+
+
+
=
L
L
T
Q
k
R
R
R
R
R
...
2
1
+
+
+
+
=
L
L
T
Q
k
X
X
X
X
X
gdzie:
X
R,
– poszczególne rezystancje i reaktancje elementów wchodzących w skład obwodu
zwarciowego: układu zasilania (
), transformatora (
), linii i obwodów
odbiorczych (
)
Q
Q
X
R ,
T
T
X
R ,
L
L
X
R ,
2) Prąd początkowy przy zwarciu jednofazowym oblicza się z zależności (przybliżona):
2
2
1
k
k
f
N
f
k
X
R
U
c
I
+
=
′′
−
przy czym :
...
(
24
,
1
2
2
1
1
+
+
+
+
+
+
=
PEL
L
PEL
L
T
Q
k
R
R
R
R
R
R
R
...
2
2
1
1
+
+
+
+
+
+
=
PEL
L
PEL
L
T
Q
k
X
X
X
X
X
X
X
gdzie :
c
–
współczynnik napięciowy, dla napięcia 230/400V prądu minimalnego (c = 0,95)
f
N
U
–
napięcie fazowe (230V)
X
R,
– poszczególne rezystancje i reaktancje elementów wchodzących w skład obwodu
zwarciowego: układu zasilania (
), transformatora (
), linii i obwodów
odbiorczych (
)
Q
Q
X
R ,
T
T
X
R ,
L
L
X
R ,
UWAGA! Współczynnik 1,24 uwzględnia podwyższenie temperatury i zwiększenie rezystancji
przewodów wywołane przepływem prądu zwarciowego.
WYZNACZANIE IMPEDANCJI PĘTLI ZWARCIOWEJ
Układ zasilania
Q
Q
Q
Q
kQ
N
Q
Z
X
X
R
S
U
Z
995
,
0
1
,
0
1
,
1
2
2
=
=
′′
=
υ
gdzie:
N
U
–
napięcie znamionowe [V]
kQ
S ′′
– moc zwarciowa [VA]
υ
–
przekładnia transformatora
Transformator
2
2
2
2
2
%
100
T
T
T
T
N
N
Cu
T
T
N
N
k
T
R
Z
X
S
U
P
R
S
U
u
Z
−
=
∆
=
∆
=
gdzie :
%
k
u
∆
– napięcie zwarcia transformatora [%]
Cu
P
∆
– straty mocy czynnej w uzwojeniach transformatora [W]
NT
S
– moc znamionowa transformatora [VA]
Kable i przewody instalacyjne
L
PEL
L
L
PEL
L
X
X
l
x
X
R
R
s
l
R
=
′
=
=
=
γ
gdzie :
l
– długość przewodu [m]
γ
– konduktywność materiału żył (56 dla Cu oraz 33 dla Al) [m/
Ωmm
2
]
s
– przekrój przewodu [mm
2
]
x′
– reaktancja jednostkowa [m
Ω/m] (odczytane z rysunku)