38
fi rmy, l udzi e, produkty
Bezpieczniki topikowe
i wyłączniki nadprądowe
niskiego napięcia
Roman Kłopocki
Celem niniejszego artykue"u, kt�ry jest pierwszĄ cz�ściĄ cyklu publikacji, jest przedstawienie
w prosty spos�b fizycznego te"a dziae"ania bezpiecznik�w topikowych i wye"Ącznik�w nadprĄdo-
wych niskiego napi�cia w warunkach dułych prĄd�w zwarciowych. W dalszej cz�ści zostae"y
wyprowadzone wnioski ze szczeg�lnych we"aściwości dziae"ania tych aparat�w, kt�re znaczĄ-
co wpe"ywajĄ na praktyczne zastosowanie bezpiecznik�w i wye"Ącznik�w nadprĄdowych
w ochronie instalacji elektroenergetycznych.
dalszej cz�ści artykue"u przed- kim nast�pujĄcymi kryteriami: Zalety i wady
stawione zostae"y bezpieczniki bezpiecze�stwo, bezpiecznik�w topikowych
�
Wtopikowe i wye"Ączniki nadprĄ- �
niezawodnośĘ (pewnośĘ dziae"ania),
dowe niskiego napi�cia jako najwałniej- �
jakośĘ (trwae"ośĘ), Jak zostae"o wcześniej przedstawione,
sze i najcz�ściej stosowane aparaty zabez- �
r�łnorodnośĘ (wielkośĘ, szereg prĄd�w przy ocenie zalet i wad aparatu zabezpie-
pieczajĄce w elektrotechnice i instalacjach znamionowych), czajĄcego naleły wziĄĘ pod uwag� z g�ry
elektroenergetycznych. gospodarnośĘ (efektywnośĘ). określone kryteria:
�
Opisane zostae"y podstawowe procesy fi- Instalacja elektroenergetyczna powinna bezpiecze�stwo ń wysoki stopie� ogra-
�
zyczne i elektryczne w warunkach wye"Ą- byĘ tak zaprojektowana, aby urzĄdzenie niczenia prĄdu, niskie wartości cae"ek Jo-
czania zwarĘ. Artykue" z jednej strony pr�- zabezpieczajĄce przerwae"o w spos�b nie- ule'a, brak wytwarzania gaz�w jonizujĄ-
buje pokazaĘ zalety i wady obu aparat�w zawodny obw�d elektryczny tylko wtedy, cych, niskie straty mocy,
zabezpieczajĄcych, z drugiej zaś strony po- gdy jest to rzeczywiście potrzebne (przy niezawodnośĘ (pewnośĘ dziae"ania) ń po
�
kazuje spos�b ich wsp�e"dziae"ania w wa- wystĄpieniu zwarcia lub przeciĄłenia). Po- wye"Ączeniu wke"adk� topikowĄ si� wy-
runkach wysokich prĄd�w zwarciowych. nadto, urzĄdzenie zabezpieczajĄce nie mo- mienia, nowa oferuje swoje pee"ne we"aści-
Przy wyborze element�w zabezpiecza- łe traciĘ swoich parametr�w w ciĄgu de"u- wości, odpornośĘ na starzenie, proste
jĄcych naleły kierowaĘ si� przede wszyst- giego czasu ułytkowania. ułytkowanie.
Rys. 1. Charakterystyka czasowo-prĄdowa t-I wke"adki topikowej Rys. 2. Przew�łone miejsca elementu topikowego
38 grudzie� 2005
fi rmy, l udzi e, produkty
jakośĘ (trwae"ośĘ) ń dzisiejsza produkcja wości zastosowa�, rozw�j elektroniki
�
bezpiecznik�w jest wysoko zautomaty- zwi�ksza zakres zastosowa�.
zowana, co zapewnia niewielkie odst�p- �
gospodarnośĘ (efektywnośĘ) ń kr�tki
stwa w ich technicznych we"aściwościach czas ponownego zae"Ączenia (kr�tka prze-
w masowej produkcji, rwa w zasilaniu), dułe koszty produkcji
r�łnorodnośĘ (wielkośĘ, szereg prĄd�w wye"Ącznik�w tr�jfazowych.
�
znamionowych) ń zastosowanie w obwo-
dach nisko i wysokonapi�ciowych, za- Wady wye"Ącznik�w
bezpieczenie przewod�w, aparat�w przy wye"Ączeniu wyst�puje wydzielanie
�
i urzĄdze�, zabezpieczenia urzĄdze� gaz�w jonizujĄcych, kt�re mogĄ spowo-
elektronicznych, dowaĘ w rozdzielnicy wiele skutk�w
gospodarnośĘ (efektywnośĘ) ń por�wnu- ubocznych,
�
jĄc techniczne we"aściwości bezpiecznika, w przypadku cz�stych wye"Ącze� zwarĘ
�
wymiary oraz cen�, jest to najoszcz�d- wye"Ącznik traci swoje techniczne we"aści-
niejsze rozwiĄzanie. wości.
Se"abe strony wke"adek topikowych Dziae"anie wke"adek topikowych
Wke"adk� po zadziae"aniu trzeba wymie- w czasie zwarcia
�
niĘ, a przedtem znale�Ę pow�d jej za-
dziae"ania, co wiĄłe si� z przerwĄ w do- Dziae"anie wke"adek topikowych w czasie
stawie energii elektrycznej, wye"Ączania przet�łenia e"atwo analizuje si�
brak mołliwości pee"nego zabezpieczenia na podstawie charakterystyki czasowo-prĄ-
�
obwodu przed przeciĄłeniem. dowej t-I. Przy przet�łeniu od prĄdu zna-
mionowego In do 4-8 krotności prĄdu zna-
Zalety i wady mionowego m�wimy o przeciĄłeniu.
wye"Ącznik�w nadprĄdowych W zakresie wyłszych prĄd�w m�wimy
o zwarciu (rys. 1).
Por�wnanie wye"Ącznik�w wede"ug tych Do stopienia przew�łonych miejsc ele-
samych kryteri�w: mentu topikowego (rys. 2) potrzebny jest
bezpiecze�stwo ń mołliwośĘ doke"adne- odpowiednio duły prĄd, kt�ry w czasie
�
go ustawienia charakterystyki czasowo- (wede"ug charakterystyki) dostarczy dośĘ
-prĄdowej, duła zdolnośĘ ograniczenia dułĄ energi� potrzebnĄ do stopienia i wy-
prĄdu zwarciowego, jednak kosztem parowania metalu w tych ose"abionych, spe-
efektywności zabezpieczenia, brak moł- cjalnie obliczonych miejscach.
liwości Ńwatowania� wye"Ącznika przez Symbol Ip oznacza spodziewany prĄd
osoby niekompetentne. zwarciowy, tzn. ten prĄd (wartośĘ skutecz-
niezawodnośĘ ń nowoczesne rozwiĄza- na), kt�ry pe"ynĄe"by przez obw�d elektrycz-
�
nia konstrukcyjne zapewniajĄ wysoki ny, gdyby bezpiecznik bye" zastĄpiony po-
stopie� niezawodności, jednak kałdy e"Ączeniem o mae"ej impedancji.
wye"Ącznik z czasem traci swoje we"aści- Bardzo wałnym parametrem dla kałde-
wości (zaleły od cz�stotliwości wye"Ą- go bezpiecznika jest jego zwarciowa zdol-
cze�), nośĘ wye"Ączania. Jest to zdolnośĘ bez-
jakośĘ ń to samo dotyczy jakości, piecznika do przerwania obwodu elek-
�
r�łnorodnośĘ ń bardzo szerokie mołli- trycznego w czasie zwarcia, kt�ry odpo-
�
REKLAMA
40
fi rmy, l udzi e, produkty
Rys. 4. PoczĄtek zwarcia Rys. 5. Chwilowa wartośĘ prĄdu zwarciowego wzrasta
wiada doke"adnie określonym warunkom, stawiajĄ przebieg prĄdu i napi�cia od po- du spada do zera,
bez skutk�w ubocznych. Te warunki sĄ czĄtku wystĄpienia zwarcia do ko�cowe- �
rysunek 8: prĄd nie pe"ynie, e"uki gasnĄ,
opisane nast�pujĄcymi wartościami gra- go przerwania prĄdu w obwodzie. powstaje napi�cie zwrotne, r�wne napi�-
nicznymi: ciu w sieci elektrycznej. WyglĄd prze-
najwyłszy i najniłszy spodziewany prĄd Faza topienia rwanego elementu topikowego pokazano
�
zwarciowy Rysunek 4: poczĄtek zwarcia, wartośĘ na rysunku 9.
�
ksztae"t prĄdu i cz�stotliwośĘ prĄdu jest przedstawiona szerokościĄ ł�e"- Aby e"atwiej zrozumieĘ dziae"anie bez-
�
cos� (dla AC), stae"a czasowa L/R (dla tej linii, piecznika w czasie zwarcia, dobrze jest
�
DC) rysunek 5: chwilowa wartośĘ prĄdu znaĘ dwie wartości prĄdu:
�
zwarciowego wzrasta, jednak doprowa- I1 ń maksymalna zdolnośĘ zwarciowa
Ograniczanie prĄdu dzona energia jeszcze nie jest dostatecz- (dla wke"adek WT wynosi 120 kA),
Bezpiecznik spee"nia swojĄ funkcj� ogra- nie duła do przetopienia elementu topi- I2 ń prĄd krytyczny (dla wke"adki topiko-
niczania prĄdu wtedy, gdy w czasie po- kowego w przew�łeniach (miejscach wej WT mi�dzy 1 kA a 5 kA).
wstania zwarcia istotnie ograniczy prĄd ose"abionych),
zwarciowy do wartości Ig, a wi�c, gdy rysunek 6: prĄd osiĄga wartośĘ, przy kt�- Wye"Ączenie przy prĄdzie I1
�
przerwie obw�d zanim chwilowa wartośĘ rej energia jest dostatecznie duła do Wszystkie przew�łenia elementu topi-
prĄdu spodziewanego osiĄgnie wartośĘ przetopienia przew�łe�, faza topienia kowego (ose"abione miejsca) sĄ w jednym
maksymalnĄ ń krytycznĄ. jest zako�czona, zaczyna si� faza e"uko- momencie przerwane. PojawiajĄ si� tzw.
Graficznie jest to pokazane na rysun- wa. e"uki elektryczne cz�ściowe, kałdy o de"u-
ku 3. Efekt ograniczania prĄdu zwarciowe- gości przew�łenia. Na kałdym przew�łe-
go wystĄpi w�wczas, gdy napi�cie e"uku Faza e"ukowa niu istnieje napi�cie e"uku o wartości 150-
elektrycznego przekroczy napi�cie w sieci We"aściwościĄ fazy e"ukowej jest szybki 200 V.
elektrycznej, przy czym chwilowa wartośĘ wzrost napi�cia na elemencie topikowym WartośĘ napi�cia e"uku elektrycznego
prĄdu zacznie szybko spadaĘ do zera. Naj- (oznaczenie U ń kolor niebieski), kt�re po- jest zalełna od:
wyłszĄ chwilowĄ wartośĘ prĄdu nazywa wstaje na e"ukach czĄstkowych w poszcze- �
warunk�w odprowadzania ciepe"a po-
si� prĄdem ograniczonym Ig. g�lnych przew�łeniach. przez piasek kwarcowy ń im lepsze wa-
Cae"Ą faz� wye"Ączania bezpiecznika dzie- �
rysunek 7: faza e"ukowa w pee"ni, poszcze- runki (jakośĘ piasku i wypee"nienia), tym
li si� na: faz� topienia elementu topikowe- g�lne e"uki elektryczne che"odzĄ si� w pia- mniejsza jest temperatura e"uku elektrycz-
go i faz� e"uku. Rysunki od 4 do 8 przed- sku kwarcowym, chwilowa wartośĘ prĄ- nego i wyłsze jego napi�cie,
Rys. 6. Faza topienia jest zako�czona, zaczyna si� faza e"ukowa Rys. 7. Faza e"ukowa
40 grudzie� 2005
fi rmy, l udzi e, produkty
Rys. 8. PrĄd nie pe"ynie, e"uki gasnĄ
wielkości prĄdu ń im wyłszy prĄd, tym wi�ksze napi�cie e"uku
�
elektrycznego,
de"ugości e"uku elektrycznego ń im wi�ksza de"ugośĘ, tym wyłsze
�
napi�cie e"uku elektrycznego,
przekroju poprzecznego e"uku elektrycznego ń im mniejszy prze-
�
kr�j, tym wi�ksze napi�cie e"uku elektrycznego
Oscylogram prĄdu i napi�cia w momencie wye"Ączenia przy I1
przedstawia rysunek 10.
WartośĘ cae"ki wye"Ączania I2t = 24 630 A2s (wartośĘ cae"kowita).
Charakterystyczny jest bardzo kr�tki czas topienia elementu topi-
kowego i szybki wzrost napi�cia e"uku elektrycznego.
Wye"Ączenie przy prĄdzie I2
Przew�łenia przepalajĄ si� pojedynczo i to tylko w jednym
punkcie. W kałdym przew�łeniu powstaje najpierw bardzo kr�t-
ki e"uk cz�ściowy, kt�ry potem pali si� w bezpieczniku pomi�dzy
elektrodami (nołami stykowymi). Łuk elektryczny wyde"uła si�
ze stae"Ą szybkościĄ. SzybkośĘ topienia elementu topikowego
Rys. 9.
Przerwany
element
topikowy
REKLAMA
42
fi rmy, l udzi e, produkty
przede"ukowej I2tsń obszar koloru pomara�-
czowego, a dla wke"adki topikowej 2 ń war-
tośĘ jej cae"ki wye"Ączania I2tA ń obszar ko-
loru niebieskiego.
Selektywna wsp�e"praca wke"adki topiko-
wej 1 i wke"adki topikowej 2 jest zapewnio-
na wtedy, kiedy obszar koloru pomara�-
czowego jest wi�kszy od obszaru koloru
niebieskiego. Tak wi�c wtedy, kiedy war-
Rys. 10.
Oscylogram
tośĘ cae"ki przede"ukowej (topienia) wke"ad-
prĄdu i napi�cia
ki 1 jest wi�ksza od cae"ki wye"Ączania
w momencie
wke"adki 2. Taka selektywna wsp�e"praca
wye"Ączenia przy I1
jest zapewniona, jeśli prĄdy znamionowe
bezpiecznik�w sĄ dobrane w stosunku
wi�kszym nił 1: 1,6.
Przyke"ad:
wke"adka 1 ń 100A wke"adka 2 ń 63A
I2tS = 7700A2s
I2tLB = 10300 A2s
Rys. 11.
---------------------
Oscylogram prĄdu
Wtedy: I2tS = 24000A2s > I2tA = 18000 A2s
i napi�cia
w momencie
wye"Ączenia
Energia wye"Ączania
bezpiecznika
bezpiecznika
przy prĄdzie I2
jest 10 do 1000 mniejsza nił przy wye"Ącza- SelektywnośĘ wke"adek Energia wye"Ączania bezpiecznika to
niu prĄdu I1. Oscylogram prĄdu i napi�cia poe"Ączonych szeregowo energia elektryczna w obwodzie, kt�ra
w momencie wye"Ączenia bezpiecznika w czasie palenia si� e"uku elektrycznego we
przy prĄdzie I2 przedstawia rysunek 11. W celu przedstawienia podstawowych wke"adce zamienia si� w energi� cieplnĄ
Maksymalne napi�cie e"uku elektryczne- zasad selektywnej wsp�e"pracy bezpieczni- (kt�rĄ przejmuje element topikowy i wy-
go jest wyłsze od wartości krytycznej na- k�w poe"Ączonych szeregowo przedstawio- pee"niajĄcy wke"adk� piasek kwarcowy).
pi�cia elektrycznego w sieci, wzrost napi�- ny zostanie schemat instalacji elektrycznej
ta
cia e"uku elektrycznego jest znacznie wol- (rys. 12) oraz wykresy energetyczne bez-
Wa = +"uLB id dt =Wm + Wc
ts
niejszy. WartośĘ cae"ki Joule'a I2t =62239 piecznik�w I2t (rys. 13).
A2s. Czas topienia elementu topikowego Na wykresach tych zaznaczono ń dla - cae"kowita energia wydzielona w czasie
oraz czas e"ukowy jest de"ułszy. wke"adki topikowej 1 ń wartośĘ jej cae"ki palenia si� e"uku elektrycznego,
Rys. 12. Schemat instalacji elektrycznej
Rys. 13. Wykresy energetyczne bezpiecznik�w I2t
R E K L A M A
1/6
42 grudzie� 2005
fi rmy, l udzi e, produkty
Rys. 14.
Bezpiecznik topikowy
firmy Eti Polam
gdzie:
Wm = 1/2 LcI2
m
Im ń (energia elektromagnetyczna
w obwodzie elektrycznym,
Lc ń wartośĘ prĄdu w momencie
wye"Ączenia indukcyjnośĘ obwodu
elektrycznego
ta
Wc = +"uc id dt
ts
ń energia elek-
tryczna pobrana ze �r�de"a w czasie
palenia si� e"uku elektrycznego
Energia wye"Ączania jest r�wna co najmniej potencjalnej energii
elektromagnetycznej. Rośnie wraz ze stosunkiem: czas e"uku / czas
topienia.
Cae"ka wye"Ączania, cae"ka przede"ukowa (topienia),
cae"ka e"ukowa
Cae"ka przede"ukowa (topienia) bezpiecznika jest to wartośĘ po-
dana przez jego producenta i określa energi� potrzebnĄ do prze-
topienia ose"abionych miejsc elementu topikowego (przew�łe�)
bezpiecznika:
ts
Km = +" id dt
0
Cae"ka e"ukowa bezpiecznika:
ta
Ka = +" i2 dt
ts
Cae"ka wye"Ączania bezpiecznika:
ta
Km + Ka = +" i2 dt
ts
Cae"ka wye"Ączania bezpiecznika określa cae"kowitĄ energi� ciepl-
nĄ, oddanĄ do obwodu elektrycznego. Jest sumĄ cae"ki e"ukowej
i cae"ki przede"ukowej (topienia).
inł. Roman Ke"opocki
Autor jest pracownikiem
firmy ETI Polam w Pue"tusku
ETI-Polam Sp. z o.o.
06-100 Pue"tusk
ul. Solna 3
tel. [phone]
fax [phone]
e-mail: [e-mail]
www.etipolam.com.pl
REKLAMA