Politechnika Gdańska
Wydział Elektrotechniki i Automatyki
Katedra Wysokich Napięć i Aparatów Elektrycznych
Laboratorium Aparatów Elektrycznych
Laboratorium Aparatury Elektrycznej
Ćwiczenie nr 8
Temat: BEZPIECZNIKI TOPIKOWE NISKONAPI
CIOWE
Opracował: mgr inż. Daniel Kowalak
Gdańsk 2007
0
1. Definicje [8]
bezpiecznik topikowy  aparat, który wskutek stopienia jednego lub więcej specjalnie
skonstruowanych i dobranych elementów topikowych przerywa obwód w określonym czasie,
wyłączając prąd po przekroczeniu przez ten prąd określonej wartości
podstawa bezpiecznikowa  część stała bezpiecznika, wyposażona w styki, zaciski i obudowę, jeśli
jest zastosowana
główka bezpiecznikowa  część ruchoma bezpiecznika przeznaczona do utrzymywania wkładki
topikowej
wkładka topikowa  część bezpiecznika zawierająca topik, przeznaczona do wymiany po jego
zadziałaniu
topik  część wkładki topikowej przeznaczona do stopienia podczas działania bezpiecznika. Wkładka
topikowa może zawierać kilka równoległych topików
wkładka topikowa zamknięta  wkładka topikowa, w której topik(i) jest (są) całkowicie zamknięty(e)
tak, że podczas działania wkładki, w zakresie jej parametrów znamionowych, nie może ona
powodować żadnych zagrożeń zewnętrznych
prąd spodziewany obwodu  prąd, który popłynie w obwodzie, gdy bezpiecznik zostanie zastąpiony
połączeniem o pomijalnej impedancji
zdolność wyłączania wkładki topikowej  wartość (przy prądzie przemiennym wartość skuteczna
składowej okresowej) prądu spodziewanego, który wkładka topikowa jest w stanie przerwać przy
określonym napięciu w danych warunkach użytkowania i działania
zakres wyłączania  zakres prądów spodziewanych, w którym zapewniona jest zdolność wyłączania
wkładki topikowej
prąd ograniczony  największa chwilowa wartość, jaką osiąga prąd podczas wyłączania przez
wkładkę topikową, jeśli jej działanie zapobiega osiągnięciu przez prąd największej możliwej wartości
charakterystyka prądu ograniczonego  krzywa przedstawiająca zależność prądu ograniczonego
od prądu spodziewanego w określonych warunkach działania bezpiecznika
czas przedłukowy  przedział czasu między początkiem wystąpienia prądu mogącego przetopić
topik, a chwilą zapłonu łuku
czas łukowy  przedział czasu między chwilą zapłony łuku, a chwilą jego ostatecznego zgaszenia
czas wyłączania  suma czasów przedłukowego i łukowego
I2t (całka Joule a)  całka kwadratu prądu w danym czasie:
t1
2 2
I t = dt
+"i
t0
Wartość I2t przedłukowa jest całką I2t w czasie przedłukowym bezpiecznika. Wartość I2t wyłączania
jest całką I2t w czasie wyłączania. Energia wyrażona w dżulach, wydzielająca się na rezystancji 1 &! w
obwodzie zabezpieczanym przez bezpiecznik jest liczbowo równa wartości I2t wyłączania wyrażonej
w A2s
charakterystyka I2t  krzywa przedstawiająca wartości I2t w zależności od prądu spodziewanego w
określonych warunkach wyłączania
prąd znamionowy wkładki bezpiecznikowej (In)  wartość prądu, który wkładka topikowa może bez
uszkodzenia przewodzić ciągle w określonych warunkach
charakterystyka czasowo-prądowa  krzywa przedstawiająca czas przedłukowy lub czas
wyłączania w zależności od prądu spodziewanego w określonych warunkach wyłączania
1
Bezpiecznik topikowy jest aparatem, który ma za zadanie wyłączenie, chronionego
przez niego obwodu, w przypadku przekroczenia dopuszczalnej wartości prądu. Wyłączenie
powinno nastąpić w takim czasie, aby w następstwie przeciążenia lub zwarcia nie wystąpiło
uszkodzenie lub zniszczenie odbiornika energii elektrycznej i chronionego obwodu.
Bezpiecznik odpowiadający wymaganiom instalacji elektrycznej pod względem
poprawności zabezpieczenia i nie stwarzający zagrożenia dla otoczenia jest urządzeniem o
złożonej budowie. Budowa jego zależy m.in. od: rodzaju chronionej instalacji, rodzaju obiektu
zabezpieczonego, dopuszczalnego stopnia zagrożenia dla otoczenia oraz stopnia narażenia
bezpieczników ze strony otoczenia.[1]
2. Budowa bezpiecznika
KonstrukcjÄ™ bezpiecznika instalacyjnego przedstawiono na rys. 1a.
a) b)
Rys. 1a). Bezpiecznik instalacyjny w przekroju: 1  korpus gniazda, 2  pokrywa gniazda, 3 
wstawka kalibrowa, 4  główka, 5  wziernik główki, 6  szyna gniazda, 7  zacisk wejściowy, 8 
zestyk gwintowy, 9  zacisk wyjściowy, 10  wkładka bezpiecznikowa z topikiem, [3], b) rozwiązania
elementów topikowych
Podstawowym elementem każdego bezpiecznika jest wkładka topikowa zbudowana z
korpusu wykonanego w postaci rury. Korpus wkładki wykonany jest najczęściej z porcelany i
pełni rolę izolatora oraz zapewnia dobre odprowadzenie ciepła. Rura izolacyjna powinna
wytrzymać długotrwale podwyższoną temperaturę wynikającą z przepływu prądu przez
bezpiecznik oraz być odporna na udary cieplne powstające podczas wyłączania prądu.
W środku rury izolacyjnej znajduje się topik wykonany w postaci drutu lub taśmy,
rys.1b. Zadaniem topika jest przerywanie prądu przeciążeniowego poprzez jego przepalenie
lub zwarciowego poprzez jego rozpad. Topiki na małe prądy znamionowe rzędu 1 mA  10 A
wykonane są najczęściej w postaci drutu ze srebra ze względu na intensywne utlenianie się
miedzi w powietrzu. Dla prądów znamionowych powyżej 10 A topiki buduje się w postaci
taśm srebrnych, miedzianych posrebrzonych. Konstrukcja topika ma szczególne znaczenie
na kształtowanie właściwości wyłączeniowych wkładki bezpiecznikowej, wobec czego stosuje
się specjalne zabiegi polegające na miejscowym przewężeniu topika lub stosuje się tzw.
miejsca przeciążeniowe wykonane ze stopu cyny i ołowiu. Istnieje możliwość łączenia
równolegle kilku topików ze sobą. Dzięki temu zabiegowi można zwiększać dowolnie prądy
znamionowe wkładek topikowych.
Topik jest umieszczony w gasiwie z piasku kwarcowego o odpowiednim granulacie.
Zadaniem gasiwa jest intensywne chłodzenie i szybkie odprowadzenie ciepła z łuku
elektrycznego, który powstaje po przepaleniu topika. Ponadto gasiwo musi zapewniać
odpowiednią wytrzymałość elektryczną zarówno przed i po przepaleniu topika.
2
Topik zamocowany jest to okuć (styków) znajdujących się na końcach korpusu
wkładki. Okucia i styki wykonywane są blachy mosiężnej lub miedzianej pokrytej srebrem.
Okucia służą do szczelnego zamknięcia komory gaszeniowej w celu uniemożliwienia
przedostania się na zewnątrz produktów powstałych w wyniku wyłączania prądu. Okucia
powinny cechować się możliwie małą rezystancją (jeśli przewodzą prąd), jak również muszą
być odporne na gwałtowne zmiany temperatury i ciśnienia. Styki powinny charakteryzować
się przede wszystkim możliwie małą rezystancją, niezmienną w wyniku zmian temperatury.
Podstawa bezpiecznikowa składa się z części izolacyjnych oraz z części
przewodzących prąd. Konstrukcja podstawy bezpiecznikowej powinna odznaczać się:
odpornością na długotrwałe i którtkotrwałe temperatury i ich zmiany podczas normalnej pracy
bezpiecznika, odpowiednią wytrzymałością elektryczną, pomiędzy częściami przewodzącymi
prąd oraz częściami konstrukcyjnymi, wytrzymałością na naprężenia mechaniczne powstałe
w czasie montażu, eksploatacji oraz podczas przepływu prądów zwarciowych, zdolnością
utrzymania kształtu i wymiarów pomimo zmian temperatury [1].
3. Dane znamionowe bezpiecznika
Bezpieczniki topikowe charakteryzują następujące parametry elektryczne:
napięcie znamionowe  wartość najniższego napięcia znamionowego elementów
wchodzących w skład bezpiecznika (podstawa zespolona, wkładka topikowa);
prąd znamionowy  wartość prądu wyrażona w amperach, jaką można długotrwale
obciążyć bezpiecznik. Wartości prądów znamionowych są znormalizowane będące
liczbami normalnymi z ciągu R10 (zaokrąglona wartość wyrazu ciągu
10
geometrycznego o ilorazie 10 , np.: 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63,
80, 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250 A)
rodzaj prądu i częstotliwość znamionowa;
znamionowa strata mocy  moc wydzielona w postaci ciepła w bezpieczniku w
wyniku przepływu przez niego prądu znamionowego, nie powodująca
przekroczenie dopuszczalnej temperatury w określonych warunkach pracy;
charakterystyki czasowo-prądowe t-I  wykresy przedstawiające zależność czasu,
który upływa od chwili obciążenia aparatu prądem przeciążeniowym do chwili
wyłączenia jego przez wkładkę bezpiecznikową w funkcji wartości tego prądu;
zakres wyłączania  przedział prądów, w którym wyłączanie prądu zakłóceniowego
nie spowoduje wydzielenie nadmiernej ilości ciepła w wkładce topikowej, mogącej
doprowadzić do uszkodzenia bezpiecznika;
znamionowa zdolność wyłączania  największa wartość prądu spodziewanego,
przy której następuje pewne i bezpieczne wyłączenie prądu przez bezpiecznik w
określonych warunkach zasilania;
charakterystyki prądu ograniczonego  wykresu przedstawiającego zależność
prÄ…du ograniczonego przez bezpiecznik w funkcji prÄ…du spodziewanego
zwarciowego w określonych warunkach zasilania;
charakterystyki I2t przedłukowej i wyłączania  wykresu przedstawiającego całkę
Joule a w funkcji spodziewanego prÄ…du zwarciowego w danych warunkach
zasilania. Całkę Joule a można rozumieć jako energie przepuszczoną przez
wkładkę bezpiecznikową podczas przeciążenia i (lub) zwarcia, wytraconą na
rezystorze o wartości 1 &!.
4. Podział bezpieczników
Ze względu na stosowane napięcie znamionowe sieci wyróżnia się bezpieczniki
wysokonapięciowe i niskonapięciowe. Bezpieczniki pracujące przy napięciu nie
przekraczającym 1000 V zalicza się do grupy bezpieczników niskonapięciowych,
bezpieczniki pracujące przy napięciu powyżej 1000 V  do grupy bezpieczników
wysokonapięciowych.
W zależności od przeznaczenia rozróżnia się: bezpieczniki miniaturowe  stosowane
jako część składowa urządzeń elektronicznych i przyrządów i aparatów elektrycznych;
3
bezpieczniki instalacyjne  stosowane w układach instalacji elektrycznej, w których wartość
prądu znamionowego chronionych obwodów nie przekracza 63 A; bezpieczniki stacyjne 
stosowane w układach przemysłowych oraz układach wielkiej mocy.
Prawidłowy dobór bezpiecznika powinien wynikać z właściwości chronionych
urządzeń. Ze względu na typ charakterystyki czasowo  prądowej (klasę bezpiecznika)
bezpieczniki niskonapięciowe można podzielić na bezpieczniki o pełnozakresowej zdolności
wyłączeniowej oznaczanej literą  g i bezpieczniki o niepełnozakresowej zdolności
wyłączeniowej oznaczanej literą  a .
Ze względu na kategorię użytkowania wkładki bezpiecznikowe można podzielić na:
ogólnego przeznaczenia oznaczane literą  G , szybkie  literą  F , wkładki zabezpieczające
silniki i urządzenia rozdzielcze   M , wkładki do zabezpieczenia urządzeń
półprzewodnikowych   R , wkładki do zabezpieczenia transformatorów   Tr , wkładki do
zabezpieczenia urządzeń w podziemiach kopalń   B [2].
5. Charakterystyki bezpieczników
5.1. Charakterystyka czasowo-prÄ…dowa t-I
Charakterystyka czasowo-prądowa t-I określa czas jaki upłynie od chwili obciążenia
bezpiecznika prądem przeciążeniowym do momentu wyłączenia tego prądu przez wkładkę
bezpiecznikową. Przykładową charakterystykę czasową-prądową t-I wkładek
bezpiecznikowych pokazano na rys. 2a.
Na osi odciętych zamieszczono wartości skuteczne prądów przepływających przez
bezpiecznik, który od chwili obciążenia go prądem ma temperaturę otoczenia.
Na osi rzędnych podaje się czas działania wkładki bezpiecznikowej zawierający się w
przedziale: od dołu linią najmniejszych czasów przedłukowych, a od góry największym
czasem wyłączania wkładki bezpiecznikowej.
Ukształtowanie charakterystyki czasowo-prądowej t-I realizuje się metodami
konstrukcyjnymi poprzez odpowiednie ukształtowanie przewężeń i ich liczby w elemencie
topikowym. Najczęściej realizuje się to poprzez: stosowanie przewężeń w topiku za pomocą
otworów o różnym kształcie i wielkości w stosunku do całkowitej powierzchni przekroju
elementu topikowego, nanoszenie na topik lutowia cynowo-ołowiowego , powodującego efekt
metalurgiczny albo substancji chemicznej wywołującej efekt chemiczny lub stosowanie
dodatkowych chłodnic lub grzejników.
Przewężenia topika powodują przyspieszone działanie bezpiecznika, lutowia
natomiast wywołują odzwłocznienie charakterystyki t-I.
5.2. Charakterystyka prądów ograniczonych i0-Ik
Charakterystyka prądów ograniczonych określają wartość prądu ograniczonego prze
bezpiecznik w funkcji wartości skutecznej składowej okresowej prądu zwarciowego.
Charakterystykę prądów ograniczonych wkładek bezpiecznikowych pokazano na rys. 2b.
Przy małych prądach przeciążeniowych efekt ograniczenia prądu nie występuje, tzn.
bezpiecznik przepuszcza jego pełną wartość szczytową. Przy odpowiednio dużych prądach
zwarciowych rozpad topika następuje przed wystąpieniem wartości udarowej prądu
zwarciowego, wobec czego szczytowa wartość przepuszczonego impulsu prądowego (prąd
ograniczony) jest mniejsza od szczytowej wartości prądu spodziewanego [3].
Zjawisko ograniczenia prądu zwarciowego pozwala określić stopień narażeń
chronionego obwodu od sił elektrodynamicznych.
4
 a) b)
Rys. 2. a) Charakterystyki czasowo-prądowe pasmowe bezpieczników klasy gL, b) prądów
ograniczonych bezpieczników klasy gL [2]
5.3. Charakterystyka całki Joule a przedłukowej I2tp, wyłączania I2tw
Charakterystyka I2t-I (przedłukowej I2tp, wyłączania I2tw) określa zależność pomiędzy
całką Joule a, a wartością skuteczną składowej okresowej prądu zwarciowego. Całka Joule a
jest miarą energii przepuszczonej przez wkładkę bezpiecznikową i wszystkie elementy
chronionego obwodu w określonym czasie (przedłukowym tp, wyłączania tw) i wydzieloną w
postaci ciepła. Charakterystykę całki Joule a przedłukową I2tp i wyłączania I2tw pokazano na
rys. 4.
Rys. 3. Charakterystyka całki Joule a przedłukowej I2tp i wyłączania I2tw [4]
Całka Joule a przedłukowa I2tp bezpiecznika ze wzrostem prądu spodziewanego
początkowo maleje, natomiast w zakresie dużych prądów zwarciowych ustala się na
określonym poziomie. Wartość przepuszczonej energii zależy od przekroju topika w
miejscach przewężeniowych i określa w ten sposób zdolność ograniczenia prądu
zwarciowego przez bezpiecznik. Całka Joule a przedłukowa I2tp zależy tylko od parametrów
konstrukcyjnych wkładki topikowej. Całka Joule a wyłączania I2tw natomiast zależy od
parametrów chronionego obwodu i jest większa, jeżeli napięcie obwodu jest większe i niższy
współczynnik mocy [3].
Należy pamiętać, że analiza całek Joule a w przypadku doboru prawidłowej
koordynacji zabezpieczeń nadaje się tylko w przypadku nagrzewania adiabatycznego topika,
które zachodzi przy czasach stosunkowo krótkich, nie przekraczających 0,1 s. W przypadku
dłuższych czasów podaje się charakterystykę czasowo prądową t-I. Połączenie obu
charakterystyk dobrze określają możliwości zabezpiecznieniowe wkładek bezpiecznikowych.
5
6. Wyłączanie prądu przez bezpiecznik
Wyłączanie prądu przemiennego polega najczęściej na wykorzystaniu okresowego
gaśnięcia łuku w chwili naturalnego przejścia prądu przez zero. Jeżeli powstającą w tym
momencie przerwa zostanie szybko zdejonizowana, czyli wartość napięcia wytrzymywanego
przez tą przerwę będzie wyższe od chwilowej wartości napięcia zasilania, w taki sposób, że
łuk nie będzie mógł się ponownie zapalić, to wystąpi ostateczne przerwanie obwodu.
6.1. Wyłączanie prądów przeciążeniowych przez bezpiecznik
Proces wyłączania prądów przeciążeniowych przez bezpiecznik można podzielić na
trzy odstępy czasu.
W pierwszym odstępie czasu następuje nagrzewanie topika przez płynący przez niego
prąd przeciążeniowy. Czas nagrzewania elementu topikowego jest na tyle długi, że
wytworzone w nim ciepło jest odprowadzane do otoczenia przez gasiwo i okucia za
pośrednictwem przewodnictwa cieplnego. Powoduje to nierównomierny rozkład temperatury
w topiku. W środku topika temperatura jest najwyższa, przyrosty temperatury są niewielkie,
natomiast w miarę zbliżania się do okuć temperatura maleje i zmiany temperatury są coraz
większe. W wyniku tego proces wytapiania się topika zacznie się w połowie odległości
pomiędzy okuciami.
W drugim odstępie czasu występuje punktowe przepalenie topika, a w miejsce
przerwy zapala się jeden łuk, który ulega stopniowemu wydłużaniu w kierunku okuć. Palący
się łuk oddając ciepło, powoduje roztapianie przyległych do topika ziaren gasiwa. Wzrost
ciśnienia w kanale łukowym powoduje ekspansję plazmy w głąb gasiwa, tworząc w ten
sposób z ciekłego gasiwa warstwę kształtem przypominającą rurkę. W tym odstępie czasu
może nastąpić wielokrotny, ponowny zapłon łuku, ponieważ nie została jeszcze osiągnięta
odpowiednia długość łuku, a tym samym napięcie łuku niezbędne do ostatecznego
przerwania prądu. Wydłużanie się łuku i wytapianie topika można zaobserwować na
przebiegu napięcia łuku. Wartość napięcia łuku wzrasta w czasie kolejnych półokresów
prądu, powodując przy tym zmniejszenie amplitudy prądu przeciążeniowego i wyłączenie go
przy naturalnym przejściu prądu przez zero [1].
W trzecim okresie następuje całkowita dejonizacja przerwy i ochłodzenie zawartych w
niej par metali i gazów. Pojawia się niewielki prąd resztkowy wynikający z procesów
dejonizacyjnych kolumny łukowej, a na zaciskach bezpiecznika występuje przepięcie
gaszeniowe. W miejscu topika powstaje zeszkleniec składający się ze stopionych par metali i
gasiwa kształtem przypominający rurkę.
Oscylogram wyłączania prądu przeciążeniowego przez bezpiecznik zamieszczono na
rys. 4.
Rys. 4 Oscylogram przebiegów podczas wyłączania prądu przeciążeniowego przez wkładkę
bezpiecznikową gG 80 (Ik H" 0,8 kA, U = 400 V, cosĆ = 0,67), z zaznaczonymi parametrami: i  prąd,
u  napięcie, i2  prąd podniesiony do potęgi 2, tp  czas przedłukowy, tł  czas łukowy, tw  czas
wyłączania, I2tł  całka Joule a łukowa
6
6.2. Wyłączanie prądów zwarciowych przez bezpiecznik
Podczas wyłączania prądu zwarciowego procesy występujące w wkładce
bezpiecznikowej są bardziej skomplikowane i zależą m.in. od rodzaju i kształtu topika. W
pierwszej fazie w wyniku gwałtownego wzrostu prądu, następuje adiabatyczne nagrzewanie
się topika. Przykładowy oscylogram prądu i napięcia podczas wyłączania prądu zwarciowego
przez bezpiecznik zamieszczono na rys. 5.
W przypadku topika wykonanego w postaci drutu z wyjątkiem końców zmiany
temperatury sÄ… niewielkie. Rozpad topika poprzedzony jest zjawiskami magneto-
termosprężystymi, które powodują wygięcie jego w kształt fali. Duże znaczenie ma również
oddziaływanie elektrodynamiczne mogące rozerwać topik zanim ulegnie stopieniu. Topik
ulega rozpadowi na wiele części pomiędzy, którymi zapalają się łuki. Wyróżnia się dwa
podstawowe mechanizmy rozpadu: kroplowy, w którym topik rozpada się na krople, a drut
zaczyna nabiera kształt unduloidu oraz prążkowy, w którym topik rozpada się na segmenty
stopionego metalu [1,7].
W przypadku topika wykonanego w postaci taśmy również mogą wystąpić
zniekształcenia topika, a rozpad jego przypomina rozpad prążkowy. Duży prąd zwarciowy
płynący przez topik taśmowy powoduje nierównomierny jego rozkład na całej powierzchni
poprzecznej przekroju (zjawisko naskórkowości prądu). W skutek naskórkowości najpierw
ulegają roztopieniu krawędzie taśmy. W skutek działania sił elektrodynamicznych nadtopiony
metal przesuwa się w kierunku osi symetrii topika. Następnie topik ulega rozpadowi na części
z przerwami prostopadłymi do kierunku płynącego przez niego prądu [1].
W przewężeniach unduloidu lub pomiędzy metalowymi resztkami topika
rozpadającego się zgodnie z mechanizmem prążkowym zapala się wiele łuków. Zapłon ich
jest prawie równoczesny w całej długości topika. Wiele łuków powoduje gwałtowny wzrost
napięcia powyżej napięcia zasilania, a tym samym rozpoczyna proces ograniczania prądu
zwarciowego. Duża wartość napięcia łuku wynikająca z wielu spadków na poszczególnych
łukach i intensywnego chłodzenia przez gasiwo, powoduje gwałtowne zmniejszenie wartości
prądu zwarciowego. Palące się łuki ulegają wydłużaniu i mogą otworzyć jeden łuk palący się
na całej długości topika. Napięcie na łuku ulega niewielkiemu obniżeniu, czemu towarzyszy
zmniejszenie stromości opadającego prądu i sprowadzenie go do wartości bliskiej zera.
Rys. 5. Oscylogram przebiegów podczas wyłączania prądu zwarciowego przez wkładkę
bezpiecznikową gG 50 (Ik H" 4 kA, U = 400 V, cosĆ = 0,5), z zaznaczonymi parametrami: i  prąd,
u  napiÄ™cie, u·i  moc, i2  prÄ…d podniesiony do potÄ™gi 2, Ik  spodziewany prÄ…d zwarciowy,
iogr  prąd ograniczony, uł  napięcie łuku, Eł  energia łuku, tp  czas przedłukowy, tł  czas łukowy,
I2tp  całka Joule a przedłukowa, I2tł  całka Joule a łukowa
W dalszym etapie następuje zgaszenie łuku dejonizacja kolumny połukowej, czemu
towarzyszy niewielki prąd resztkowy, a na zaciskach bezpiecznika pojawia się napięcie
powrotne.
7
W miejscu topika, w zależności od rodzaju rozpadu, pojawia się unduloid w postaci
zeszklonego topika i miejscowych zgrubień, w których znajdują się kropelki zastygłego topika
lub topik przybiera postać zeszklonej rurki składającej się z ciemnych i jasnych prążków.
Jasne prążki zawierające stopione gasiwo, oznaczają miejsca, w których palił się łuk,
natomiast ciemne prążki składające się z par metali i ciekłego gasiwa określają miejsca, w
których nastąpiło zebranie się ciekłego topika.
7. Przebieg ćwiczenia:
7.1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze zjawiskami występującymi podczas
przerywania prądu przeciążeniowego i zwarciowego przez wkładki bezpiecznikowe
niskonapięciowe z gasiwem piaskowym, określenie warunków pracy bezpieczników podczas
poszczególnych prób, określenie mocy i energii wyzwolonej podczas wyłączania prądu przez
bezpiecznik, porównanie wyników z poszczególnych prób.
7.2. Opis układu
Schemat stanowiska probierczego zamieszczono na rys. 6. Stanowisko probiercze
składa się z zespołu aparatów łączeniowych (OW, WB, ZZ), dławika D, rezystora R i
transformatora wielkoprądowego TW, stanowiska, na którym umieszczane są badane
wkładki bezpiecznikowe B, układu pomiarowego, w skład którego wchodzą: przekładnik
prądowy PP, napięciowy PN, optoizolator, oscyloskop, komputer PC. Stanowisko zasilane
jest z sieci elektroenergetycznej napięciem 15 kV. Wszelkie operacje łączeniowe
dokonywane są po stronie średniego napięcia. Wartości spodziewanych prądów
probierczych oraz warunki pracy układu reguluje się za pomocą dławika D i rezystora R.
Rys. 6. Schemat układu probierczego do badań bezpieczników topikowych niskonapięciowych:
OW  odłącznik wysokonapięciowy, WB  wyłącznik bezpieczeństwa, ZZ  załącznik zwarciowy,
NC  nastawnik czasowy, NF  nastawnik fazowy, D  dławik, R  rezystor, TW  transformator
wielkoprądowy, PP  przekładnik prądowy kPP = 1500/5 A/A, Rb  bocznik przekładnika prądowego
Rb = 0,1 &!, PN  przekładnik napięciowy kPN = 6000/100 V/V, B  badana wkładka bezpiecznikowa,
[5]
7.3. Metodyka i warunki przeprowadzania badań
W pierwszej kolejności należy zapoznać się z podstawowymi parametrami
przetworników wielkości elektrycznych, układem rejestracyjno  pomiarowym oraz metodami
obliczania: prądu, napięcia, energii i mocy, w oparciu o wcześniej zarejestrowane przebiegi.
W części pomiarowo  badawczej należy dobrać prawidłowe nastawy układu rejestracyjnego,
a następnie wykonać próby z bezpiecznikami, przy odpowiednich nastawach R i D układu
probierczego. Należy rejestrować odpowiednie prąd płynący przez bezpiecznik oraz napięcie
występujące na zaciskach obiektu badanego.
Obliczenia przekładni pomiarowych dla poszczególnych kanałów pomiarowych
określają zależności (1), (2), (3).
8
Ch1: k1 = kPP Å" Rb -1 Å" kopt1 Å" 0,1-1 (1)
Ch2: k2 = kPN Å" kopt 2 Å" 0,1-1 (2)
Moc, energia: k12 = k1 Å" k2 (3)
, gdzie: kPP  przekładnia przekładnika prądowego, Rb  rezystancja bocznika,
kopt  przekładnia pomiarowa optoizolatora, kPN  przekładnia przekładnika napięciowego
7.4. Zakres przeprowadzanych pomiarów
Podczas ćwiczenia należy przeprowadzić próbę i analizę procesów występujących
podczas:
wyłączania prądu przeciążeniowego przez wkładkę bezpiecznikową gG 80 A,
wyłączania prądu zwarciowego przez wkładkę bezpiecznikową gG 50 A, przy różnych
spodziewanych prÄ…dach zwarciowych.
Każda próba powinna być poprzedzona próbą kalibracyjną mającą na celu określenie
warunków, w jakich pracują badane bezpieczniki oraz spodziewanych wartości prądów
zwarciowych, jakie będą wyłączane przez badany aparat.
Podczas każdej próby dokonywana będzie rejestracja prądu płynącego przez wkładkę
bezpiecznikową (kanał 1) oraz napięcie występujące na zaciskach aparatu (kanał 2). Na
podstawie otrzymanych rejestracji należy określić: wartości spodziewanego prądu
zwarciowego Ik, maksymalnego napięcia łuku uł, wartości prądu ograniczonego przez
bezpiecznik i0, czasów przedłukowego tp i łukowego tł bezpiecznika. Z otrzymanych
rejestracji należy wyznaczyć: przebieg mocy chwilowej na podstawie zależności (4), w celu
określenia energii łuku, którą określono równaniem (5), oraz przebieg i2 w celu określenia
całek Joule a (6), przedłukowej I2tp, łukowej I2tł, wyłączania I2tw, współczynnik ograniczenia
prÄ…du przez bezpiecznik k0.
Moc Å‚uku: p = u Å" i (4)
tł
Energia Å‚uku: EÅ‚ = pdt (5)
+"
0
t
2 2
Całka Joule a: I t = dt (6)
+"i
0
i0
Współczynnik ogr. prądu: k0 = (7)
2 Å" Ik
W tab. 1 określono parametry układu probierczego w poszczególnych próbach oraz
parametry systemu elektroenergetycznego.
Tab. 1. Parametry elektryczne układu probierczego poszczególnych prób bezpieczników
Lp XS15 RS15 SnT uzT% "PCu DÅ‚awik D XD15 RD15 R Ik
1 A1 501,0 &! 11,76 &! 448 &! 0,8 kA
1,1 0,62 500 3,44
2 3,4 % A7 178,4 &! 5,11 &! 56 &! 2,4 kA
&! &! kVA kW
3 B9 92,0 &! 3,12 &! 56 &! 4 kA
, gdzie: XS15, RS15 parametry systemu elektroenergetycznego, SnT  moc znamionowa
transformatora wielkoprądowego TW, uzT% - napięcie zwarcia transformatora TW, "PCu 
straty w miedzi w transformatorze TW, XD15, RD15  parametry dławika D, R  rezystancja, Ik
 spodziewany prÄ…d zwarciowy.
W tab. 2 określono nastawy przyrządów rejestrujących dla poszczególnych prób
bezpieczników.
9
Tab. 2. Nastawy przyrządów rejestracyjnych podczas poszczególnych prób bezpieczników
Lp Ik kopt1 kopt2 ¨ZZ tp
1 0,8 kA 0,5 V/dz 10 V/dz 80° 0,9 s
2 2,4 kA 1 V/dz 10 V/dz 15° >0,01 s
3 4 kA 1 V/dz 10 V/dz 15° >0,01 s
, gdzie: ¨ZZ  kÄ…t zaÅ‚Ä…czania ukÅ‚adu nastawiony na nastawniku fazowym, tp  czas próby.
8. Sprawozdanie
Szczegółowe wymagania w odniesieniu do zakresu badań oraz sprawozdania z badań
określa dla każdej grupy nauczyciel prowadzący ćwiczenie. Sprawozdanie z ćwiczenia
powinno mieć postać protokołu z badań, zredagowanego tak, aby na jego podstawie można
było odtworzyć przeprowadzone eksperymenty.
Sprawozdanie powinno zawierać:
Stronę tytułową wg wzoru
Opis przebiegu ćwiczenia
" opis obiektów badań (szkice, rysunki),
" opis przygotowań poprzedzających badania: dobór nastaw przyrządów
rejestrujących, obliczenia przekładni torów pomiarowych,
" warunki badania: obliczenia impedancji obwodu zwarciowego,
współczynnika mocy cos Ć,
" sposób badań,wyniki badań: odpowiednie tablice, wykresy, obliczenia
wartości: wartości spodziewanego prądu zwarciowego Ik,
maksymalnego napięcia łuku uł, wartości prądu ograniczonego przez
bezpiecznik i0, czasów przedłukowego tp, łukowego tł, wyłączania tw,
energii łuku Eł, całek Joule a: przedłukowej I2tp, łukowej I2tł, wyłączania
I2tw, porównanie wyników pomiarów z poszczególnych prób.
Analizę wyników badań, obserwacji i wnioski.
Sprawozdanie musi być napisane zwięzłym, technicznym językiem. Strony muszą być
ponumerowane i spięte razem. Wykresy muszą być czytelne, z wyraz
nie zaznaczonymi
punktami będącymi wynikiem pomiarów. Do sprawozdania należy dołączyć notatki
sporządzone podczas ćwiczenia.
9. PYTANIA KONTROLNE
9.1. Budowa i zadanie bezpiecznika topikowego.
9.2. Budowa topika paskowego, z uzasadnieniem zadań jakie pełnią poszczególne jego
części.
9.3. Podział bezpieczników topikowych.
9.4. Narysować i opisać charakterystykę czasowo-prądową bezpiecznika t-I.
9.5. Narysować i opisać charakterystykę prądów ograniczonych bezpiecznika i0-I.
9.6. Co to jest całka Joule a przedłukowa I2tp, wyłączania I2tw, w jakim przypadku
można analizować całki Joule a.
9.7. Opisać procesy zachodzące w bezpieczniku podczas wyłączania prądów
przeciążeniowych przez wkładkę bezpiecznikową z gasiwem piaskowym.
9.8. Opisać procesy zachodzące w bezpieczniku podczas wyłączania prądów
zwarciowych przez wkładkę bezpiecznikową z gasiwem piaskowym.
9.9. Scharakteryzować rozpad kroplowy, prążkowy topika, podać warunki
występowania.
10
LITERATURA
[1] Lipski T.:  Bezpieczniki niskonapięciowe , WNT Warszawa, 1968 r.
[2] Markiewicz H.:  Instalacje elektryczne, WNT Warszawa, 2002 r.
[3] Musiał E.:  Instalacje i urządzenia elektroenergetyczne, WSiP, wyd. 2
[4] Musiał E.:  Bezpieczniki w nowoczesnych układach zabezpieczeń urządzeń niskiego
napięcia
[5] Partyka R.:  Bezpieczniki topikowe  instrukcja do laboratorium z przedmiotu: Aparaty
Elektryczne, Politechnika Gdańska, 2005 r.
[6] Red. Hibner J., Winiarski W.:  Badania aparatów elektrycznych  laboratorium , Skrypt do
laboratorium Aparatów Elektrycznych, Politechnika Gdańska, 1990 r.
[7] Wolny A.: Current breaking trough commutation , Technical University of Gdansk
Publishing 2001
[8] PN-EN 60269-1:2001 Bezpieczniki topikowe niskonapięciowe
11
10. ZAA

CZNIK
Tabela 1. Wzór tabliczki strony tytułowej sprawozdania z laboratorium AE
Politechnika Gdańska
Studium:
Laboratorium Aparatów
Semestr:
Elektrycznych
Rok akademicki:
Ćwiczenie nr: Temat:
Data wykonania ćwiczenia:
ImiÄ™ i nazwisko studenta
Grupa laboratoryjna & & & & ........
Autor sprawozdania & & & & & & & & & & & .
Data oddania sprawozdania:
1.
2.
3.
4.
Ocena:
5.
6.
7.
Podpis prowadzÄ…cego:
8.
12