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. [phone]

fax [phone]

e-mail: [e-mail]

www.etipolam.com.pl

REKLAMA