Ei A p a r a t u r a ł ą c z e n i o w a i z a b e z p i e c z a j ą c a
BEZPIECZNIKI TOPIKOWE
Roman
i wyłączniki nadprądowe (1) Kłopocki
Celem artykułu jest przedstawienie w prosty
sposób zasady działania bezpieczników topikowych
i wyłączników nadprądowych niskiego napięcia
w przypadku występowania dużych prądów
zwarciowych. W dalszej części zostały sformułowane
wnioski dotyczące szczególnych właściwości
działania tych aparatów w ochronie instalacji
elektroenergetycznych. W myśl hasła  najważniejsze
jest bezpieczeństwo przedstawione zostały
bezpieczniki topikowe i wyłączniki nadprądowe
niskiego napięcia jako najważniejsze
i najczęściej stosowane aparaty zabezpieczające
w elektrotechnice i instalacjach elektroenergetycznych.
l różnorodność (wielkość,
W artykule przedstawiono zalety i wady obu
szereg prądów znamionowych):
aparatów zabezpieczających oraz pokazano sposób
 zastosowanie w obwodach
ich wzajemnego współdziałania w warunkach
nisko i wysokonapięciowych,
występowania dużych prądów zwarciowych.  zabezpieczenie przewodów, aparatów i urządzeń,
 zabezpieczenia urządzeń elektronicznych.
l gospodarność (efektywność):
 porównując techniczne właściwości bezpiecznika, jego wymiary
Informacje ogólne
oraz cenę, jest to najoszczędniejsze rozwiązanie.
Przy wyborze elementów zabezpieczających należy kierować się Słabe strony wkładek topikowych:
przede wszystkim następującymi kryteriami:  wkładka musi być po zadziałaniu wymieniona (trzeba w tym
 bezpieczeństwo, celu dysponować nową), a przedtem znalez
ć powód jej zadziałania,
 niezawodność (pewność działania), co wiąże się z przerwą w dostawie energii elektrycznej;
 jakość (trwałość),  brak możliwości pełnego zabezpieczenia obwodu przed prze-
 różnorodność (wielkość, szereg prądów znamionowych), ciążeniem.
 gospodarność (efektywność).
Instalacja elektroenergetyczna powinna być tak zaprojektowana,
Zalety i wady wyłączników nadprądowych
aby urządzenie zabezpieczające przerwało w sposób niezawodny
obwód elektryczny tylko wtedy, gdy jest to rzeczywiście uzasadnione Porównanie wyłączników według tych samych kryteriów:
(przy wystąpieniu zwarcia lub przeciążenia). Ponadto urządzenie l bezpieczeństwo:
zabezpieczające nie może tracić swoich parametrów w ciągu długie-  możliwość dokładnego ustawienia charakterystyki czasowo-prą-
go czasu użytkowania. dowej,
 duża zdolność ograniczenia prądu zwarciowego, jednak kosztem
efektywności zabezpieczenia,
Zalety i wady bezpieczników topikowych
 brak możliwości tzw.  watowania wyłącznika przez użytkowników.
Jak już wcześniej zaznaczono, przy ocenie zalet i wad aparatu l niezawodność:
zabezpieczającego należy wziąć pod uwagę z góry określone kry-  nowoczesne rozwiązania konstrukcyjne zapewniają ich wysoki
teria: stopień niezawodności, jednak każdy wyłącznik z czasem traci swoje
l bezpieczeństwo: właściwości (zależy od częstotliwości wyłączeń).
 wysoki stopień ograniczenia prądu, l jakość:
 niskie wartości całek Joule a,  to samo dotyczy jakości.
 brak wytwarzania gazów jonizujących, l różnorodność:
 niskie straty mocy.  bardzo szerokie możliwości zastosowania,
l niezawodność (pewność działania):  rozwój elektroniki zwiększa ich zakres stosowania.
 po wyłączeniu wkładkę topikową się wymienia na nową, o takich l gospodarność (efektywność):
samych właściwościach jak poprzednia,  krótki czas ponownego załączenia, (krótka przerwa w zasilaniu),
 odporność na starzenie,  duże koszty produkcji wyłączników trójfazowych.
 proste użytkowanie. Wady wyłączników są następujące:
l jakość (trwałość):  przy wyłączeniu występuje wydzielanie gazów jonizujących, które
 dzisiejsza produkcja bezpieczników jest wysoko zautomatyzowa- mogą spowodować w rozdzielnicy wiele skutków ubocznych,
na, co zapewnia niewielkie odstępstwa w ich technicznych właściwoś-  w przypadku częstych wyłączeń zwarć wyłącznik traci swoje tech-
ciach przy masowej produkcji. niczne właściwości.
44 Elektroinstalator 7-8/2006 www.elektroinstalator.com.pl
A p a r a t u r a ł ą c z e n i o w a i z a b e z p i e c z a j ą c a Ei
Działanie wkładek topikowych w czasie zwarcia
Działanie wkładek topikowych w czasie wyłączania przetężenia
łatwo analizuje się na podstawie charakterystyki czasowo-prądowej
t-I. Przy przetężeniu w stosunku do prądu znamionowego In do 4-8
krotności jego wartości mówimy o przeciążeniu. W zakresie wyższych
prądów mówimy o zwarciu (rys. 1).
Rys. 3
Rys. 1
Do stopienia przewę-
żonych miejsc elementu
topikowego (rys. 2) jest
potrzebny odpowiednio
duży prąd, który w cza-
sie (według charakte-
rystyki) dostarczy dość
dużą energię do stopie-
nia i wyparowania meta-
lu w tych osłabionych,
Rys. 2
specjalnie obliczonych
Rys. 4
miejscach.
Symbol Ip oznacza spodziewany prąd zwarciowy, tzn. taką wartość
skuteczną prądu, który płynąłby przez obwód elektryczny, gdyby
bezpiecznik był zastąpiony połączeniem o małej impedancji. Bardzo
ważnym parametrem dla każdego bezpiecznika jest jego zwarciowa
zdolność wyłączania. Jest to zdolność bezpiecznika do przerwania
obwodu elektrycznego w czasie zwarcia, który odpowiada dokładnie
określonym warunkom, bez skutków ubocznych. Te warunki są opi-
sane następującymi wartościami granicznymi:
 najwyższy i najniższy spodziewany prąd zwarciowy,
 kształt prądu i częstotliwość,
 cos Ć (dla AC), stała czasowa L/R (dla DC).
Ograniczanie prądu
Bezpiecznik spełnia swoją funkcję ograniczania prądu wtedy,
gdy w czasie powstania zwarcia istotnie ograniczy prąd zwarciowy
do wartości Ig, a więc, gdy przerwie obwód zanim prąd spodziewany
osiągnie wartość maksymalną  krytyczną (rys. 3).
Efekt ograniczania prądu zwarciowego wystąpi wówczas, gdy Rys. 5
napięcie łuku elektrycznego przekroczy napięcie w sieci elektrycznej,
przy czym chwilowa wartość prądu zacznie szybko spadać do zera.  rys. 5: chwilowa wartość prądu zwarciowego wzrasta, jednak
Najwyższą chwilową wartość prądu nazywamy prądem ograniczo- doprowadzona energia jeszcze nie jest dostatecznie duża do przetopie-
nym Ig. nia elementu topikowego w przewężeniach (miejscach osłabionych),
Całą fazę wyłączania bezpiecznika dzieli sie na: fazę topienia ele-  rys. 6: prąd osiąga wartość, przy której energia jest dostatecznie
mentu topikowego i fazę łuku. duża do przetopienia przewężeń, faza topienia jest zakończona,
Rys. od 4 do 8 przedstawiają przebieg prądu i napięcia od początku zaczyna się faza łukowa.
wystąpienia zwarcia do końcowego przerwania prądu w obwodzie. Faza łukowa:
Faza topienia:  właściwością fazy łukowej jest szybki wzrost napięcia na ele-
 rys. 4: początek zwarcia, wartość prądu jest przedstawiona sze- mencie topikowym (oznaczone U  na niebiesko), które powstaje
rokością żółtej linii, na łukach cząstkowych w poszczególnych przewężeniach,
www.elektroinstalator.com.pl Elektroinstalator 7-8/2006 45
Ei A p a r a t u r a ł ą c z e n i o w a i z a b e z p i e c z a j ą c a
I2  prąd krytyczny (dla wkładki topikowej
WT między 1 a 5 kA)
Wyłączenie przy prądzie I1
Wszystkie przewężenia elementu topi-
kowego (osłabione miejsca) są w jednym
momencie przerwane.
Pojawiają się tzw. łuki elektryczne częś-
ciowe, każdy o długości przewężenia.
Na każdym przewężeniu występuje
napięcie łuku o wartości 150-200 V,
Wartość napięcia łuku elektrycznego
jest zależna od:
Rys. 9 Rys. 10
 warunków odprowadzania ciepła przez
piasek kwarcowy  im lepsze warunki (jakość piasku i wypełnienia),
tym mniejsza jest temperatura łuku elektrycznego i wyższe jego
napięcie,
 wielkości prądu  im wyższy prąd, tym większe napięcie łuku
Rys. 6
elektrycznego,
 długości łuku elektrycznego  im większa długość, tym wyższe
napięcie łuku elektrycznego,
 przekroju poprzecznego łuku elektrycznego  im mniejszy prze-
krój, tym większe napięcie łuku elektrycznego.
Oscylogram prądu i napięcia w momencie wyłączenia przy I1
przedstawiono na rys. 11 i 12.
Wartość całki wyłączania I2t = 24 630 A2s (wartość całkowita).
Charakterystyczny jest bardzo krótki czas topienia elementu topiko-
wego i szybki wzrost napięcia łuku elektrycznego.
Rys. 11
Rys. 7
Rys. 12
Wyłączenie przy prądzie I2
Przewężenia przepalają się pojedynczo i to tylko w jednym punkcie.
Rys. 8
W każdym przewężeniu powstaje najpierw bardzo krótki łuk
częściowy, który potem pali się w bezpieczniku między elektrodami
 rys. 7: faza łukowa w pełni, poszczególne łuki elektryczne chłodzą (nożami stykowymi). A
uk elektryczny wydłuża się ze stałą szybkością.
się w piasku kwarcowym, chwilowa wartość prądu spada do zera, Szybkość topienia elementu topikowego jest od 10 do 1000 razy
 rys. 8: prąd nie płynie, łuki gasną, powstaje napięcie zwrotne, mniejsza, niż przy wyłączaniu prądu I1.
równe napięciu w sieci elektrycznej. Przerwany element topikowy Oscylogram prądu i napięcia w momencie wyłączenia bezpieczni-
wygląda jak to jest pokazane na rys. 9 i 10. ka przy prądzie I2 przedstawia rys. 12.
Aby łatwiej zrozumieć działanie bezpiecznika w czasie zwarcia, Maksymalne napięcie łuku elektrycznego jest wyższe od wartości kry-
dobrze jest znać dwie wartości prądu: tycznej napięcia elektrycznego w sieci, wzrost napięcia łuku elektryczne-
I1  maksymalna zdolność zwarciowa (dla wkładek WT wynosi go jest znacznie wolniejszy, Wartość całki Joule a I2t = 62 239 A2s. Czas
120 kA), topienia elementu topikowego oraz czas łukowy jest dłuższy.
46 Elektroinstalator 7-8/2006 www.elektroinstalator.com.pl
A p a r a t u r a ł ą c z e n i o w a i z a b e z p i e c z a j ą c a Ei
Rys. 13
Rys. 14
Selektywność wkładek połączonych szeregowo
 (energia elektromagnetyczna w obwodzie elektrycznym
W celu przedstawienia podstawowych zasad selektywnej współ- Im = wartość prądu w momencie wyłączenia
pracy bezpieczników połączonych szeregowo, posłużymy się poniż- Lc = indukcyjność obwodu elektrycznego
szym schematem instalacji elektrycznej (rys. 13) oraz wykresami
energetycznymi bezpieczników I2t (rys. 14).  energia elektryczna pobrana ze z
ródła w czasie
Na wykresach tych zaznaczono  dla wkładki topikowej 1  wartość palenia się łuku elektrycznego
jej całki przedłukowej I2ts  obszar koloru pomarańczowego, a dla Energia wyłączania jest równa co najmniej potencjalnej energii
wkładki topikowej 2  wartość jej całki wyłączania I2tA  obszar koloru elektromagnetycznej. Rośnie wraz ze stosunkiem: czas łuku / czas
niebieskiego . topienia
Selektywna współpraca wkładki topikowej 1 i wkładki topikowej
2 jest zapewniona wtedy, kiedy obszar koloru pomarańczowego
Całka wyłączania, całka przedłukowa (topienia), całka łukowa
jest większy od obszaru koloru niebieskiego. Tak więc wtedy, kiedy
wartość całki przedłukowej (topienia) wkładki 1 jest większa od całki 1. Całka przedłukowa (topienia) bezpiecznika: wartość podana
wyłączania wkładki 2. Taka selektywna współpraca jest zapewniona, przez jego producenta, określa energię potrzebną do przetopienia
jeśli prądy znamionowe bezpieczników są dobrane w stosunku osłabionych miejsc elementu topikowego (przewężeń) bezpiecznika.
większym niż 1:1,6.
Przykład: wkładka 1  100 A wkładka 2  63 A
I2tS = 7700 A2s 2. Całka łukowa bezpiecznika:
I2tLB = 10300 A2s
                    
Wtedy : I2tS = 24000 A2s > I2tA = 18000 A2s
Całka wyłączania bezpiecznika:
Energia wyłączania bezpiecznika
Energia wyłączania bezpiecznika to energia elektryczna w obwo-
dzie, która w czasie palenia się łuku elektrycznego we wkładce Całka wyłączania bezpiecznika: określa całkowitą energię ciep-
zamienia się w energię cieplną (którą przejmuje element topikowy lną, oddaną do obwodu elektrycznego. Jest sumą całki łukowej i całki
i wypełniający wkładkę piasek kwarcowy) przedłukowej (topienia).
 całkowita energia wydzielona w czasie Ei
Inż. Roman Kłopocki
palenia się łuku elektrycznego
ETI POLAM Pułtusk
gdzie:
REKLAMA 06/00391-01
iglotech
www.elektroinstalator.com.pl Elektroinstalator 7-8/2006 47