bezpieczniki.com

>

informacje techniczne

Informacje techniczne

Konferencja naukowa "Zabezpieczenia obwodów elektrycznych

za pomoc

ą

bezpieczników topikowych" w Poznaniu 21.06.2005

Dr inż. Edward Musiał
Politechnika Gdańska

Współdziałanie bezpieczników i ograniczników przepięć

Dla poprawnego funkcjonowania instalacji i urządzeń elektrycznych ważne jest skoordynowanie
rozmaitych systemów zabezpieczenia i ochrony, działających na różnej zasadzie i
wykorzystujących odmienne kryteria działania. Dotyczy to między innymi współdziałania
zabezpieczeń nadprądowych z zabezpieczeniami podnapięciowymi i różnicowoprądowymi oraz
odgromnikami bądź ogranicznikami przepięć. Odgromniki bądź ograniczniki przepięć mogą
wymagać dobezpieczenia za pomocą bezpieczników. Dobór bezpieczników i miejsca ich
zainstalowania powinien uwzględniać nie tylko skuteczność dobezpieczenia, ale również
konsekwencje wprowadzenia w instalacji kolejnego zabezpieczenia nadprądowego, które
powinno współdziałać wybiorczo z innymi.

Ograniczniki przepięć wchodzące w skład układu ochrony przeciwprzepięciowej instalacji
elektrycznej mogą wymagać koordynacji z zabezpieczeniami nadprądowymi, które
dobezpieczają ograniczniki i/lub zabezpieczają urządzenia i ich obsługę przed skutkami zwarcia
w ogranicznikach.

W instalacjach narażonych na wnikanie prądu piorunowego z zasilającej linii napowietrznej
i/lub z piorunochronu, pierwszy stopień ochrony, na granicy stref ochronnych 0 i 1, wymaga
ograniczników przepięć klasy I. Są to ograniczniki wyładowcze o nieciągłej charakterystyce
napięciowo-prądowej, ucinające przepięcie, zdolne odprowadzać prądy piorunowe o kształcie
udaru 10/350 µs. Instaluje się je w złączu lub w głównej rozdzielnicy i zarazem w pobliżu
głównej szyny wyrównawczej obiektu. Można wyróżnić trzy stany ich działania:

1.

Stan izolowania przy napięciu roboczym, nieprzekraczającym największego napięcia
trwałej pracy ogranicznika U

C

, kiedy rezystancja między jego zaciskami jest rzędu

gigaoma.

2.

Przewodzenie prądu wyładowczego po zapłonie ogranicznika. Między jego zaciskami
przepięcie narasta do poziomu udarowego napięcia zapłonu, wywołuje zapłon, po czym
napięcie maleje do wartości napięcia obniżonego U

res

(spadku napięcia na łuku, na ogół

10÷50 V). Odprowadzany przez ogranicznik prąd piorunowy pochodzi z fikcyjnego źródła
o właściwościach zbliżonych do idealnego źródła prądu. Jest zatem wymuszeniem
prądowym, którego wartość szczytowa i przebieg w czasie nie zależą od zjawisk
zachodzących w ograniczniku, w bezpieczniku i w innych elementach znajdujących się na
drodze jego przepływu. Co najwyżej, stwarzając równoległe drogi przepływu i
odpowiednio dobierając ich impedancje udarowe można wpływać na wartość
cząstkowego prądu płynącego określonym torem. Zdolność przewodzenia przez
ogranicznik określoną liczbę razy prądu wyładowczego charakteryzuje znamionowy prąd
wyładowczy oraz największy (graniczny) prąd wyładowczy o umownym kształcie udaru
T

1

/T

2

(czas czoła/czas grzbietu).

3.

Wyłączanie prądu następczego, który w przestrzeni międzyelektrodowej, uprzednio
zjonizowanej przez prąd wyładowczy, płynie pod działaniem napięcia roboczego. Prąd
następczy jest równy spodziewanemu prądowi zwarciowemu w miejscu zainstalowania
ogranicznika (przy rodzaju zwarcia odpowiadającym zwarciu biegunów, między którymi
są włączone ograniczniki). Prąd następczy powinien być wyłączony przez sam
ogranicznik przy pierwszym naturalnym przejściu przez zero, zatem czas jego przepływu

Strona 1 z 8

Współdziałanie bezpieczników i ograniczników przepięć

2006-06-12

http://www.bezpieczniki.com/strony/wyklady/6/wspoldzialanie.htm

w sieci 50 Hz nie powinien przekraczać 10 ms. Zdolność wyłączania prądu następczego I

f

jest związana z przebiegiem spodziewanego napięcia powrotnego TRV. Zwykłe
ograniczniki przepięć, wtrącając do obwodu rezystancję łuku, nieznacznie zmniejszają

wartość prądu następczego i jego skutek cieplny I

2

t

. Przed rokiem 2000 zaczęły

pojawiać się konstrukcje coraz silniej ograniczające prąd następczy oraz jego skutek
cieplny i wykazujące bardzo dużą zdolność wyłączania prądu następczego I

f

.

Tablica 1. Obliczeniowe parametry prądu piorunowego 10/350 µs w zależności od poziomu
ochrony

Znamionowy i graniczny prąd wyładowczy ogranicznika tak się dobiera zależnie od stopnia
ochrony (tabl. 1), aby prawdopodobieństwo ich przekroczenia było dostatecznie małe, ale ze
względu

na

rozkład

losowy

parametrów

piorunów

i

znikome,

ale

niezerowe

prawdopodobieństwo wystąpienia wartości większych, wykluczyć tego nie można. Trzeba się
liczyć z możliwością uszkodzenia ogranicznika, również ze zwarciem elektrod, na co powinno
zareagować poprzedzające zabezpieczenie nadprądowe. Do zwarcia elektrod może też dojść
w następstwie stopniowego ich zużywania się, po wielokrotnym przepływie prądu
wyładowczego o wartości zbliżonej do znamionowej.

Największe narażenia ograniczników w budowlach z piorunochronem występują przy
bezpośrednim uderzeniu pioruna (rys. 1). Prąd piorunowy I

G

dzieli się na część (1-

)×I

G

odpływającą bezpośrednio do ziemi i część I

Z

= ×I

G

odprowadzaną przewodami zasilającej

Poziom ochrony

I

II

III i IV

Wartość szczytowa prądu I

G

kA

200

150

100

Całka Joule'a P

G

kA

2

s

10000

5600

2500

Rys. 1. Rozpływ prądu piorunowego przy bezpośrednim uderzeniu pioruna w chroniony
budynek z instalacją o układzie TN

Strona 2 z 8

Współdziałanie bezpieczników i ograniczników przepięć

2006-06-12

http://www.bezpieczniki.com/strony/wyklady/6/wspoldzialanie.htm

sieci elektroenergetycznej. Zakłada się, że wszystkie przewody doprowadzone do złącza w
liczbie m w jednakowym stopniu w tym uczestniczą, a więc każdy odprowadza prąd

Jest to zarazem największy prąd obliczeniowy, jaki może przepływać przez pojedynczy
ogranicznik i pojedynczy bezpiecznik. Jak widać, z tego punktu widzenia korzystne są przyłącza
trójfazowe (m = 4). Korzystna jest też mała wartość współczynnika ( < 0,5), czemu sprzyja
mała udarowa rezystancja uziemienia układu uziomu piorunochronowego.

Zdolność wyłączania prądu następczego I

f

zwykłych ograniczników (nieograniczających prądu

następczego) jest nieduża, nie przekracza 4 kA. Jeśli spodziewany prąd zwarciowy jest od niej
większy, to ogranicznik wymaga dobezpieczenia, a tę rolę zwykle spełnia bezpiecznik klasy gG.
Jego rolą jest przetrzymać prąd następczy przynajmniej do chwili pierwszego przejścia przez
zero, by mógł go wyłączyć ogranicznik wyładowczy, a gdyby to się nie stało - samemu go
wyłączyć. W tym celu bezpiecznik powinien przetrzymywać bez nadwerężenia sumaryczną
całkę Joule'a najpierw prądu piorunowego, a zaraz potem - prądu następczego I

f

przepuszczaną przez ogranicznik w przeciągu 10 ms.

Wytwórca podaje największy dopuszczalny prąd znamionowy I

nmax

bezpiecznika klasy gG,

który jest w stanie dobezpieczyć ogranicznik i zarazem podaje prąd zwarciowy wytrzymywany
przez ogranicznik wespół z tym bezpiecznikiem.

Jeśli bezpiecznik dobezpieczający jest potrzebny, nie musi być on umieszczony w gałęzi
ochrony (rys. 2a, b); równie dobrze rolę dobezpieczenia może pełnić bezpiecznik w torze
zasilania (rys. 2c), np. bezpiecznik w złączu, jeśli jego prąd znamionowy nie jest większy niż
wymagana wartość I

nmax

. Zadziałanie bezpiecznika w gałęzi ochrony (rys. 2a, b) odcina

ogranicznik od chronionej instalacji, a bezpiecznika w torze zasilania (rys. 2c) - zakłóca
zasilanie instalacji. Obydwa zdarzenia są niepożądane i dlatego bezpiecznik powinien
zadziaływać tylko w razie konieczności, jeśli ogranicznik wyładowczy nie jest w stanie sam
poprawnie wyłączyć prądu następczego. Bezpiecznik powinien więc z zasady mieć prąd
znamionowy równy największemu dopuszczalnemu, podanemu przez wytwórcę.

Rys. 2. Usytuowanie ograniczników wyładowczych pierwszego stopnia ochrony względem
bezpieczników złącza (F1.F3) i ewentualnych bezpieczników gałęzi poprzecznej (F4.F6) przy
zasilaniu z sieci o układzie TN-C

Strona 3 z 8

Współdziałanie bezpieczników i ograniczników przepięć

2006-06-12

http://www.bezpieczniki.com/strony/wyklady/6/wspoldzialanie.htm

Zachowanie się bezpieczników klasy gG, przez które przepływa prąd piorunowy 10/350 µs jest
poglądowo przedstawione na rys. 3. Bezpiecznik przetrzymuje prądy mniejsze niż udarowy
prąd zadziałania (tabl. 2). Jego wartości podane na rysunku w oparciu o wcześniejsze
oszacowania są nieco zawyżone. Uwzględniają one wprawdzie, że przy dużej stromości prądu

piorunowego naskórkowość silnie obniża całkę Joule'a przedłukową I

2

t

p

, ale nie uwzględniają

marginesu na wielokrotne przetrzymywanie impulsów prądowych i nie uwzględniają skutku
cieplnego prądu następczego [4]. Bardziej miarodajną informacją jest podana w tabl. 3 całka
Joule'a wielokrotnie przetrzymywana przez bezpiecznik, którą należy porównywać z łączną
całką Joule'a prądu piorunowego i prądu następczego.

W razie przekroczenia udarowego prądu zadziałania dochodzi do rozpadu topika i zapłonu łuku,
co jednak nie wpływa na przebieg prądu piorunowego (rys. 4), pochodzącego z fikcyjnego
idealnego źródła prądu. Bezpiecznik nie jest w stanie przerwać przepływu tego prądu ani
ograniczyć jego wartości szczytowej; zresztą topik na ogół rozpada się już po jej przeminięciu.

Nie ma mowy o wybiorczym działaniu bezpieczników poddanych przepływowi prądu
piorunowego, skoro bezpiecznik takiego prądu nie wyłącza. Wymaga się wprawdzie, aby
bezpieczniki poprzedzające w torze zasilania F1.F3 (rys. 5a) miały prąd znamionowy co
najmniej 1,6-krotnie większy niż bezpieczniki F4.F6 w gałęzi poprzecznej ograniczników, ale
chodzi tylko o wybiorczość podczas przepływu prądu następczego, gdyby bezpieczniki miały go
wyłączać.

Tablica 2. Udarowy prąd zadziałania wkładek bezpiecznikowych klasy gG [3]

Rys. 3. Zachowanie się wkładek bezpiecznikowych gG o napięciu znamionowym 500 V
poddanych przepływowi prądu piorunowego 10/350 m s o różnej wartości [1]

Prąd znamionowy

wkładki I

n

Całka Joule'a

przedłukowa I

2

t

p

Prąd zadziałania [kA] przy udarze o kształcie

10/350 µs

8/20 µs

A

A

2

s

kA

kA

25

1210

2,2

9,3

32

2500

3,2

13,4

40

4000

4,0

16,9

50

5750

4,8

20,3

63

9000

6,0

25,4

80

13700

7,5

31,3

100

21200

9,3

38,9

125

36000

12,1

50,7

160

64000

16,1

67,6

200

104000

20,6

86,2

Strona 4 z 8

Współdziałanie bezpieczników i ograniczników przepięć

2006-06-12

http://www.bezpieczniki.com/strony/wyklady/6/wspoldzialanie.htm

Przy prądzie piorunowym kilkakrotnie większym niż udarowy prąd zadziałania bezpiecznika
dochodzi do wybuchowego rozpadu topika i wzrostu ciśnienia we wkładce powodującego
pękanie korpusu, a nawet jego eksplozyjne rozerwanie. Progowa wartość prądu piorunowego
zagrażającego eksplozją wkładki bezpiecznikowej jest tym większa, im większy jest jej prąd
znamionowy (rys. 3). To kolejny powód, aby ograniczniki dobezpieczać bezpiecznikami o
prądzie znamionowym równym największemu dopuszczalnemu I

nmax

.

Tablica 3. Całka Joule'a prądu piorunowego wielokrotnie przetrzymywana przez zabezpieczenia
nadprądowe o różnym prądzie znamionowym [2]

Nie można wyeliminować obciążeń, jakim ograniczniki wyładowcze i bezpieczniki podlegają
przy prądach wyładowczych, ale można zmniejszać obciążenia, które są wynikiem prądów
następczych. Ograniczniki przepięć ograniczające prąd następczy wykorzystują technikę
wymuszonego gaszenia łuku stosowaną w wyłącznikach, co pozwala uzyskać efekt
ograniczający i dużą zdolność wyłączania. Ograniczniki o łuku dzielonym wyłączają
samodzielnie prądy następcze o wartości do 25 kA, a ograniczniki samowydmuchowe o łuku
chłodzonym promieniowo i osiowo - do 50 kA. Te ostatnie spodziewany prąd następczy
o wartości skutecznej 50 kA ograniczają do wartości szczytowej poniżej 2 kA, a skutek cieplny

I

2

t

każdego prądu następczego do poziomu pozwalającego go przetrzymać bezpiecznikowi gG

40 A. Zależnie od stopnia ograniczania prądu następczego (rys. 8) takie ograniczniki przepięć
dopuszczają znacznie większy prąd I

nmax

albo nawet żadnych wymagań w tym względzie nie

stawiają. Przydają się w miejscach, gdzie prądy zwarciowe są duże, przy złączach instalacji
odbiorczych zasilanych bezpośrednio ze stacji o dużej mocy.

Bezpiecznikom poprzedzającym wszelkie ograniczniki przepięć przypada jeszcze jedno zadanie
- zwarciowe zabezpieczenie przewodów gałęzi ochrony. Przewody te, sporadycznie obciążane,
nie wymagają żadnych zabezpieczeń przeciążeniowych. Ich największe narażenia cieplne
występują podczas zwarcia w ogranicznikach, a nie podczas przepływu prądu piorunowego. Na
przykład prąd piorunowy 50 kA 10/350 µs wywołuje w przybliżeniu taki skutek cieplny, jak
impuls piłokształtny o wartości szczytowej I

m

= 50 kA i czasie trwania t

u

= 10+2 × (350 - 10)

= 690 µs, czyli równy

Takie obciążenie cieplne wytrzymuje z dużym zapasem przewód miedziany o izolacji

250

185000

27,5

115,0

Prąd znamionowy

A

40 50 63 80 100 125 160 200 250

I

2

t bezpiecznika

kA

2

s 1,3 2,0 3,2 5

8

12 22 39 69

I

2

t wyłącznika SHU kA

2

s 33 38 50 50

55

Rys. 4. Przebieg prądu i
napięcia

między

zaciskami

bezpiecznika

gG 25 A

poddanego przepływowi prądu
piorunowego

Strona 5 z 8

Współdziałanie bezpieczników i ograniczników przepięć

2006-06-12

http://www.bezpieczniki.com/strony/wyklady/6/wspoldzialanie.htm

polwinitowej, o przekroju 10 mm

2

, co wynika ze wzoru

W przypadku ogranicznika wyładowczego należałoby dodać skutek cieplny prądu następczego.
Na przykład, jeśli nie występuje ograniczanie prądu następczego 5 kA, to w ciągu 10 ms jego

skutek cieplny osiąga wartość W

n

= 5000

2

× 0,010 = 250000 A

2

s. Przewód o przekroju

10 mm

2

nadal wystarcza, co wynika z obliczenia

Wstępnie dobrany przewód 10 mm

2

w warunkach nagrzewania adiabatycznego dopuszcza

skutek cieplny prądu (k × s )

2

× 1 = (115 × 10)

2

× 1 = 1322500 A

2

s. Przy czasie wyłączania

zwarcia 5 s ten przekrój wystarczyłby tylko wtedy, gdyby poprzedzający bezpiecznik miał prąd

znamionowy 80 A (o całce Joule'a wyłączania przy 5 s równej I

2

t

w5

= 1021520 A

2

s) albo

mniejszy.

Reasumując, bezpieczniki poprzedzające ograniczniki przepięć mogą spełniać różnorodne
funkcje:

wspomagają wyłączanie prądu następczego, jeżeli spodziewany prąd zwarciowy
przekracza zdolność wyłączania ogranicznika wyładowczego,

zabezpieczają ogranicznik przed przekroczeniem jego obciążalności zwarciowej,

dokonują samoczynnego wyłączenia zasilania dla celów ochrony przeciwporażeniowej
w razie trwałego zwarcia L-PE w układzie ograniczników,

zabezpieczają przed skutkami zwarć przewody gałęzi poprzecznej ogranicznika.

Wszystkie te funkcje bierze się pod uwagę decydując o umiejscowieniu bezpieczników i doborze
ich prądu znamionowego. Wypada też zdawać sobie sprawę, że określenie "bezpieczniki
poprzedzające" jest umowne, bo kierunek propagacji fali przepięciowej nie musi się pokrywać z
kierunkiem przesyłania energii. Po uderzeniu pioruna w zasilającą linię napowietrzną część
prądu piorunowego z tej linii wnika do instalacji odbiorcy i jej uziemień. Po uderzeniu pioruna w
budynek, część prądu piorunowego poprzez główną szynę wyrównawczą i ograniczniki wpływa
do sieci zasilającej.

Przykład.

W sytuacji, jak na rys. 1, w trójfazowym czteroprzewodowym złączu instalacji TN-C o napięciu

400 V z bezpiecznikami gG 100 A spodziewany prąd zwarciowy wynosi

Do budynku z uziomem fundamentowym są doprowadzone i przyłączone do głównej szyny
wyrównawczej metalowe rurociągi oraz przewody sygnałowe o metalowej powłoce bądź żyle
zewnętrznej. Obowiązuje poziom ochrony przeciwprzepięciowej III i przewiduje się
zainstalowanie trzech ograniczników. Należy sprawdzić czy bezpieczniki w złączu można
traktować jako należyte dobezpieczenie tych ograniczników.

Przy poziomie ochrony III i IV należy liczyć się z całkowitym prądem piorunowym o wartości do
I

G

= 100 kA (tabl. 1). Uziom fundamentowy i liczne uziomy naturalne odprowadzą ponad

połowę prądu piorunowego i można szacować, że do przewodów elektroenergetycznych
przedostanie się prąd I

Z

niewiększy niż 40 % ( = 0,4) podanej wartości

I

Z

= × I

G

= 0,4 × 100 = 40 kA

Strona 6 z 8

Współdziałanie bezpieczników i ograniczników przepięć

2006-06-12

http://www.bezpieczniki.com/strony/wyklady/6/wspoldzialanie.htm

Przyłącze jest czteroprzewodowe (m = 4), wobec czego pojedynczym przewodem popłynie
prąd cząstkowy około

Jak wynika z rys. 3 i tabl. 2 cząstkowy prąd piorunowy 10 kA nie spowoduje eksplozji
bezpiecznika gG 100 A w złączu, ale przekracza jego udarowy prąd zadziałania (9,3 kA).
Nowsze dane liczbowe dotyczące koordynacji ogranicznika z bezpiecznikiem pozwalają
sprawdzić dokładniej, jaki należałoby zastosować bezpiecznik, aby uniknąć zbędnych zadziałań.

Prądowi piorunowemu 100 kA 10/350 µs przypisuje się całkę Joule'a P

G

= 2500 kA

2

s (tabl. 1),

wobec czego prądowi cząstkowemu odpowiada całka Joule'a P

ZZ

mniejsza, proporcjonalna do

kwadratu stosunku wartości prądów

Całka Joule'a prądu następczego dla dobranych ograniczników przy spodziewanym prądzie
zwarciowym 2 kA i przy napięciu 230 V według danych wytwórcy nie przekracza wartości P

F

=

10 kA

2

s. Łączna całka Joule'a prądu piorunowego i prądu następczego przepuszczona przez

ogranicznik wynosi

Tę całkę Joule'a powinny przetrzymywać poprzedzające zabezpieczenia nadprądowe, aby nie
powodowały zbędnych wyłączeń. Bezpiecznik w złączu gG 100 A ma przy prądzie piorunowym

całkę Joule'a przetrzymywania tylko 8 kA

2

s, czyli dalece niewystarczającą. Obliczoną całkę

P

R

=35 kA

2

s przetrzymuje bezpiecznik 200 A. Projektantowi pozostaje wybrać jedną z

następujących możliwości:

układ połączeń jak na rys. 2c z bezpiecznikami w złączu gG 100 A i ryzyko ich zbędnych
zadziałań, co jest bardzo niepożądane,

układ połączeń jak na rys. 2c z bezpiecznikami w złączu gG 200 A, jeśli takie
zwiększenie ich prądu znamionowego jest dopuszczalne z innych powodów,

układ połączeń jak na rys. 2c ale z użyciem selektywnego wyłącznika SHU zamiast
bezpiecznika,

układ połączeń jak na rys. 2d z bezpiecznikami w złączu gG 100 A, jeśli można
akceptować

interwencję

poprzedzających

bezpieczników

(I

n

>=200 A)

w

sieci

rozdzielczej w razie uszkodzenia ogranicznika przepięć w złączu.

Wypada dodać, że przed rokiem 2000 koordynację ograniczników z bezpiecznikami opierano na
bardzo uproszczonym rozumowaniu. W niniejszym przykładzie wyglądałoby ono następująco:

przy spodziewanym prądzie zwarciowym

przy napięciu 230 V ogranicznik przepuszcza

prąd następczy 1 kA (katalog firmowy), co w przeciągu półokresu (0,01 s) odpowiada całce

Joule'a P

F

= 1000

2

× 0,01 = 10000 A

2

s = 10 kA

2

s. W rzeczywistości całka P

F

będzie

przeważnie mniejsza, bo prawidłowo wyłączany prąd następczy tylko wyjątkowo płynie przez

cały półokres. Wystarczy zatem bezpiecznik gG 63 A o całce Joule'a przedłukowej 9 kA

2

s i takie

wartości pojawiały się w piśmiennictwie fachowym i w katalogach. Niesłusznie pomijano skutek
cieplny uprzednio płynącego prądu piorunowego P

ZZ

oraz wpływ naskórkowości i innych

zjawisk towarzyszących przepływowi prądu piorunowego na wartość całki Joule'a przedłukowej
bezpiecznika.

Literatura

P

R

= P

ZZ

+ P

F

= 25 + 10 = 35 kA

2

s

Strona 7 z 8

Współdziałanie bezpieczników i ograniczników przepięć

2006-06-12

http://www.bezpieczniki.com/strony/wyklady/6/wspoldzialanie.htm

Hasse P., Noack F.: Neue Blitzschutznormen in der Praxis. Elektromeister + Deutsches
Elektrohandwerk, 1998, nr 1-2, s. 41-47, nr 3, s. 140-142.

Hering E.: Blitzstoßstromableiter und Überstrom-Schutzeinrichtungen. Elektropraktiker,
1999, nr 7, s. 630-634.

Raab V.: Blitz- und Überspannungsschutz-Maßnahmen in NS-Anlagen. Elektropraktiker,
1996, nr 11, s. 944-950, nr 12, s. 1043-1046.

Schönau J., Noack F.: Blitzstromverhalten von Niederspannungs-Hochleistungs-(NH)-
Sicherungen. etz 2004, nr 1, s. 24-27.

Strona 8 z 8

Współdziałanie bezpieczników i ograniczników przepięć

2006-06-12

http://www.bezpieczniki.com/strony/wyklady/6/wspoldzialanie.htm