3.1. ZABEZPIECZENIA PRZEWODÓW

I KABLI ELEKTROENERGETYCZNYCH

Przewody i kable muszą posiadać skutecznie działające zabezpieczenia przetężeniowe obejmujące prądy:

• przeciążeniowe,

• zwarciowe.

Zabezpieczenie przetężeniowe może stanowić:

• bezpiecznik lub wyłącznik posiadający wyzwalacz przeciążeniowy i bezzwłoczny

• zestaw dwóch urządzeń z których jedno stanowi zabezpieczenie przed prądami przeciążeniowymi a drugie zwarciowymi.

Rys. 3.1. Różne sposoby wykonania zabezpieczeń przewodów przed skutkami przeciążeń i zwarć; PT, WT - przekaźnik i wyzwalacz przeciążeniowy; >I - wyzwalacz elektromagnetyczny bezzwłoczny

Miejsce instalowania zabezpieczeń przeciążeniowych:

• początek obwodu zasilającego,

• miejsca, w których następuje zmniejszenie się obciążalności prądowej przewodów a zastosowane zabezpieczenia nie chronią tych odcinków obwodu.

Zabezpieczenia przeciążeniowe mogą być instalowane także w dowolnej odległości od początku zabezpieczanej linii, ale przed pierwszym rozgałęzieniem lub gniazdkiem wtykowym.

Warunki ochrony przeciążeniowej przewodu lub kabla (PN-IEC 60364)

(3.1)

gdzie:

I_B - prąd obliczeniowy (roboczy I_r) w obwodzie,

I_Z - obciążalność długotrwała przewodu,

I_n - prąd znamionowy lub nastawczy urządzenia zabezpieczającego,

I₂ - prąd zadziałania urządzenia zabezpieczającego.

Jako prąd I₂ przyjmuje się:

1. dla wyłączników instalacyjnych typu B, C, D - 1,45I_N,

2. dla wkładek topikowych bezpieczników typu gG i gL - prąd graniczny górny (zawarty w zakresie od 2,1 do 1,6 w zależności od typu oraz prądu I_NB),

3. dla urządzeń o regulowanym członie przeciążeniowym - prąd nastawczy I_r.

Urządzenia zabezpieczające od zwarć (głównie bezpieczniki i wyłączniki samoczynne) muszą być:

• instalowane zawsze na początku linii zasilającej,

• tak dobrane, ażeby ich zdolność wyłączalna była nie mniejsza od spodziewanych prądów zwarciowych występujących w miejscu ich zainstalowania, tj.

(3.2)

Rys. 3.2. Przebieg nagrzewania urządzenia elektrycznego w czasie zwarcia

υ₀ - temperatura otoczenia; υ - temperatura robocza (przy przepływie prądu roboczego); υ_k - temperatura w czasie zwarcia; υ_dk - temperatura dopuszczalna krótkotrwała; t_k (T_k) - czas trwania zwarcia; T - cieplna stała czasowa

Graniczna dopuszczalna krótkotrwała temperatura υ_dk:

• przewodów i kabli w izolacji gumowej - 130°C,

• przewodów w izolacji polwinitowej - 150°C,

• kabli w izolacji polwinitowej - 160°C o przekroju żył do 300 mm²; 140°C dla większych od 300 mm²,

• kabli w izolacji z polietylenu usieciowanego - 250°C.

W obwodach w których zabezpieczenie zwarciowe stanowią wkładki topikowe powodujące wyłączenie prądu zwarciowego w czasie T_K < 0,03s - dopuszcza się pominięcie sprawdzania przewodów na nagrzewanie prądem zwarciowym.

Zabezpieczenia zwarciowe są także ważnymi elementami pośredniej ochrony pporażeniowej w przypadku zwarć z przewodem N, ochronnym PE lub PEN.

3.2. SELEKTYWNOŚĆ ZABEZPIECZEŃ

Rodzaje selektywności:

• pełna - gdy bez względu na wartość płynącego prądu zakłóceniowego zadziała tylko i wyłącznie zabezpieczenie zainstalowane najbliżej miejsca zakłócenia,

• częściowa - kiedy zabezpieczenia nie działają wybiórczo w całym zakresie prądów przetężeniowych, a tylko dla przeważającej ich części.

3.2.1. SELEKTYWNOŚĆ ZABEZPIECZEŃ PRZECIĄŻENIOWYCH

Warunkiem wystarczającym selektywności zabezpieczeń przeciążeniowych, wykonanych przy pomocy przekaźników i wyzwalaczy przeciążeniowych (najczęściej termobimetalowych, termistorowych, elektronicznych) jest - ażeby prądy nastawcze tych zabezpieczeń były różne i dostatecznie oddalone od siebie.

3.2.2. SELEKTYWNOŚCI ZABEZPIECZEŃ ZWARCIOWYCH

Przy wyznaczaniu selektywności zwarciowej posługuje się charakterystykami całek Joule'a (I²t-I) dla czasów przedłukowych zabezpieczeń bliższych źródła zasilania i charakterystykami wyłączania I²t-I, dla zabezpieczeń zainstalowanych bliżej miejsca zwarcia oraz maksymalnych ich czasów wyłączania.

Selektywność układu bezpiecznik-bezpiecznik

Kryteria selektywnego działania dwóch szeregowo zainstalowanych wkładek bezpiecznikowych:

• w zakresie prądów przeciążeniowych pasmowe charakterystyki t-I wkładek bezpiecznikowych nie tylko nie przecinają się, ale również są tak oddalone od siebie, że pozioma odległość między nimi jest większa od różnicy prądów płynących przez obydwie wkładki bezpiecznikowe, tj. gdy I_d < I_NA - I_NB,

• w zakresie spodziewanych prądów zwarciowych charakterystyka I²t-I wkładki bliższej źródła zasilania dla minimalnych czasów przedłukowych, nie ma żadnych punktów wspólnych z charakterystyką I²t-I wyłączania wkładki dalszej, określoną dla maksymalnych czasów wyłączania.

Rys. 3.3. Selektywność działania zabezpieczeń przetężeniowych wykonanych przy pomocy dwóch wkładek bezpiecznikowych A i B: a) wzajemne usytuowanie wkładek bezpiecznikowych w instalacji elektrycznej; b) selektywność przeciążeniowa; c) selektywność zwarciowa; I_d - sumaryczny prąd roboczy pozostałych obwodów odbiorczych

Dla wkładek bezpiecznikowych tego samego typu obydwa podane powyżej warunki są spełnione, gdy iloraz prądów znamionowych kolejnych wkładek bezpiecznikowych w kierunku zasilania wynosi co najmniej 1,6.

Tablica 3.1. Wymagany iloraz prądów znamionowych wkładek bezpiecznikowych

typu gG i gF firmy APENA dla uzyskania selektywności działania

Typ wkładki		Stosunek prądu INA/INB
A	B
gG	gG	1,6:1
gF	gF	1,6:1
gF	gG	2,5:1
GG	gF	1:1

Selektywność układu wyłącznik-wyłącznik

Kryteria selektywności dla prądów:

• przeciążeniowych kryterium selektywności takie samo jak dla bezpieczników,

• zwarciowych selektywność działania dwóch wyłączników, o bezzwłocznych wyzwalaczach, jest zapewniona tylko do prądu równego prądowi niezadziałania wyzwalacza zwarciowego wyłącznika A zainstalowanego bliżej źródła zasilania.

Ostatni warunek znacznie ogranicza selektywną współpracę wyłączników samoczynnych instalacyjnych wyposażonych w nieregulowane bezzwłoczne wyzwalacze zwarciowe elektromagnesowe (charakterystyki wyłączników instalacyjnych typu B, C, D nie są związane z selektywnością, ale z czasem przetrzymania coraz większych prądów załączeniowych, tj. do: 3I_N - typu B; 5I_N - typu C, 10I_N typu D.)

Selektywną współpracy wyłączników można uzyskać przez stosowanie:

• tzw. selektywności czasowej - tj. zwłoki czasowej, rzędu: 50÷100 ms, w działaniu wyłącznika poprzedzającego,

• wyłączników selektywnych wyposażonych w dwuczłonowe wyzwalacze, bezzwłoczne i zwłoczne, bądź tylko zwłoczne (działające z opóźnieniem 0,1÷0,5 s).

• selektywność logiczną,

• wyłączników ograniczających dających większą rozróżnialność charakterystyk czasowo-prądowych (selekt. pseudoczasowa). Wada: krótkotrwały zanik napięcia.

Rys. 3.4. Selektywność wyłączników bezzwłocznych zainstalowanych na dwóch kolejnych stopniach zabezpieczeń: a) wzajemne usytuowanie wyłączników w instalacji elektrycznej; b) wzajemne położenie charakterystyk t-I wyłączników; I_d - sumaryczny prąd roboczy pozostałych obwodów odbiorczych; linia przerywana - czas przetrzymania

Rys. 3.5. Selektywność logiczna Rys. 3.8. Selektywność pseudoczasowa

Selektywność układu bezpiecznik-wyłącznik

W układzie bezpiecznik przed wyłącznikiem dla uzyskania selektywności pełnej:

• w zakresie prądów przeciążeniowych pasmowe charakterystyki t-I bezpiecznika i wyłącznika nie mogą przecinać się w żadnym punkcie, a pozioma odległość między nimi powinna być większa od różnicy prądów płynących przez bezpiecznik i wyłącznik w rozpatrywanym czasie,

• pasmowe charakterystyki I²t-I bezpiecznika i wyłącznika nie powinny przecinać się w żadnym punkcie w zakresie spodziewanych prądów zwarciowych.

Punkt przecięcia się:

1. charakterystyki I²t-I przedłukowej bezpiecznika z charakterystyką I²t-I wyłączania wyłącznika wyznacza maksymalną wartość prądu zwarciowego dla którego zachowana jest selektywność układu,

2. charakterystyk I²t-I wyłączania bezpiecznika i wyłącznika określa minimalną wartość prądu wyłączalnego wyłącznika. Bezpiecznik stanowi wówczas dobezpieczenie wyłącznika dla większych prądów zwarciowych.

Rys. 3.6. Slektywność działania układu bezpiecznik-wyłącznik: a) układ połączeń w instalacji elektrycznej, b) charakterystyki
przedłukowe bezpieczników typu gL oraz charakterystyki wyłączania wyłączników instalacyjnych 16 i 32 A; F - bezpiecznik, W - wyłącznik instalacyjny, I_k - ustalony prąd zwarciowy

Selektywność układu wyłącznik-bezpiecznik

Jest to najbardziej skomplikowany układ dla określenia warunków selektywnego działania w zakresie prądów zwarciowych.

Przyczyna - nieznajomość rzeczywistej wartości prądu niezadziałania wyzwalacza zwarciowego wyłącznika (zależnego od rozwiązania wyzwalacza i prądu nastawczego) oraz ograniczanie prądu początkowego zwarciowego przez bezpiecznik.

Rys. 3.7. Wzajemne usytuowanie wyłącznika (W) i wkładek bezpiecznikowych (typu Bi-Wts) w instalacji elektrycznej do oceny selektywności działania układu wyłącznik-bezpiecznik

Podstawą określenia selektywności działania układu wyłącznik-bezpiecznik jest założenie, że wyłącznik z wyzwalaczem zwarciowym bezzwłocznym o prądzie nastawczym I_i i prądzie niezadziałania I_NZ (wyrażonym wartością szczytową) powinien przetrzymać prąd zwarciowy o wartości szczytowej odpowiadającej prądowi ograniczonemu bezpiecznika (i_ogr). Dla uzyskania selektywności działania układu wyłącznik-bezpiecznik, przy przepływie prądu zwarciowego ograniczonego do wartości szczytowej i_ogr, powinien być spełniony warunek

(3.5)

Ww warunek przy uwzględnieniu tolerancji prądu zadziałania wyzwalacza ±25% prądu nastawczego wyłączników o regulowanym prądzie nastawczym wynosi przyjmuje postać

(3.6)

Korzystając z podanego wzoru określić można prąd znamionowy I_N wyłącznika instalacyjnego współpracującego selektywnie z bezpiecznikiem w układzie wyłącznik-bezpiecznik pokazanym na rys. 3.10. W tych samych warunkach zwarciowych wymagany prąd znamionowy I_N wyłącznika instalacyjnego powinien wynosić:

1. 
   dla wyłącznika o charakterystyce typu B,

2. 
   dla wyłącznika o charakterystyce typu C,

3. 
   dla wyłącznika o charakterystyce typu D.

Postępując odwrotnie, dla znanych warunków zwarciowych, określić można maksymalny prąd znamionowy bezpiecznika współpracującego selektywnie z zainstalowanym wyłącznikiem.

Sprawdzenie selektywności przeciążeniowej przeprowadza się na podstawie analizy przebiegu charakterystyk t-I wyłącznika i bezpiecznika.

1

---