Współdziałanie bezpieczników i ograniczników przepięć

Strona 1 z 8

bezpieczniki.com > informacje techniczne

Informacje techniczne

Konferencja naukowa "Zabezpieczenia obwodów elektrycznych za pomocą

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 , kiedy rezystancja między jego zaciskami jest rzędu

C

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

(spadku napięcia na łuku, na ogół

res

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 /T (czas czoła/czas grzbietu).

1

2

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

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

2006-06-12

Współdziałanie bezpieczników i ograniczników przepięć

Strona 2 z 8

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

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 I2t. 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

Poziom ochrony

I

II

III i IV

Wartość szczytowa prądu I

G

kA

200

150

100

Całka Joule'a P

G

kA2s

10000

5600

2500

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.

Rys. 1. Rozpływ prądu piorunowego przy bezpośrednim uderzeniu pioruna w chroniony

budynek z instalacją o układzie TN

Największe narażenia ograniczników w budowlach z piorunochronem występują przy

bezpośrednim uderzeniu pioruna (rys. 1). Prąd piorunowy I dzieli się na część (1-

)×I

G

G

odpływającą bezpośrednio do ziemi i część I = ×I odprowadzaną przewodami zasilającej

Z

G

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

2006-06-12

Współdziałanie bezpieczników i ograniczników przepięć

Strona 3 z 8

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 zwykłych ograniczników (nieograniczających prądu

f

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 If

przepuszczaną przez ogranicznik w przeciągu 10 ms.

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

Wytwórca podaje największy dopuszczalny prąd znamionowy I

bezpiecznika klasy gG,

nmax

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

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

nmax

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.

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

2006-06-12

Współdziałanie bezpieczników i ograniczników przepięć

Strona 4 z 8

Rys. 3. Zachowanie się wkładek bezpiecznikowych gG o napięciu znamionowym 500 V

poddanych przepływowi prądu piorunowego 10/350 m s o różnej wartości [1]

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 I2t , ale nie uwzględniają

p

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]

Prąd znamionowy

Całka Joule'a

Prąd zadziałania [kA] przy udarze o kształcie

wkładki I

n

przedłukowa I2t

p

10/350 µs

8/20 µs

A

A2s

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

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

2006-06-12

Współdziałanie bezpieczników i ograniczników przepięć

Strona 5 z 8

250

185000

27,5

115,0

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]

Prąd znamionowy

A

40 50 63 80 100 125 160 200 250

I2t bezpiecznika

kA2s 1,3 2,0 3,2 5

8

12 22 39 69

I2t wyłącznika SHU kA2s 33 38 50 50

55

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

I2t 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

albo nawet żadnych wymagań w tym względzie nie

nmax

stawiają. Przydają się w miejscach, gdzie prądy zwarciowe są duże, przy złączach instalacji

odbiorczych zasilanych bezpośrednio ze stacji o dużej mocy.

Rys. 4. Przebieg prądu i

napięcia

między

zaciskami

bezpiecznika

gG 25 A

poddanego przepływowi prądu

piorunowego

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 = 50 kA i czasie trwania t = 10+2 × (350 - 10)

m

u

= 690 µs, czyli równy

Takie obciążenie cieplne wytrzymuje z dużym zapasem przewód miedziany o izolacji

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

2006-06-12

Współdziałanie bezpieczników i ograniczników przepięć

Strona 6 z 8

polwinitowej, o przekroju 10 mm2, 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 = 50002 × 0,010 = 250000 A2s. Przewód o przekroju

n

10 mm2 nadal wystarcza, co wynika z obliczenia

Wstępnie dobrany przewód 10 mm2 w warunkach nagrzewania adiabatycznego dopuszcza

skutek cieplny prądu (k × s )2 × 1 = (115 × 10)2 × 1 = 1322500 A2s. 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 I2t

= 1021520 A2s) albo

w5

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

G

połowę prądu piorunowego i można szacować, że do przewodów elektroenergetycznych

przedostanie się prąd I niewiększy niż 40 % ( = 0,4) podanej wartości

Z

I = × I = 0,4 × 100 = 40 kA

Z

G

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

2006-06-12

Współdziałanie bezpieczników i ograniczników przepięć

Strona 7 z 8

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 = 2500 kA2s (tabl. 1),

G

wobec czego prądowi cząstkowemu odpowiada całka Joule'a P

mniejsza, proporcjonalna do

ZZ

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 kA2s. Łączna całka Joule'a prądu piorunowego i prądu następczego przepuszczona przez

ogranicznik wynosi

P = P

+ P = 25 + 10 = 35 kA2s

R

ZZ

F

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 kA2s, czyli dalece niewystarczającą. Obliczoną całkę

P =35 kA2s przetrzymuje bezpiecznik 200 A. Projektantowi pozostaje wybrać jedną z

R

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 >=200 A)

w

sieci

n

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 = 10002 × 0,01 = 10000 A2s = 10 kA2s. W rzeczywistości całka P będzie

F

F

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 kA2s i takie

wartości pojawiały się w piśmiennictwie fachowym i w katalogach. Niesłusznie pomijano skutek

cieplny uprzednio płynącego prądu piorunowego P

oraz wpływ naskórkowości i innych

ZZ

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

bezpiecznika.

Literatura

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

2006-06-12

Współdziałanie bezpieczników i ograniczników przepięć

Strona 8 z 8

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.

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

2006-06-12