Dobór bezpieczników do zabezpieczania przewodów

Dr inż. Edward Musiał
Politechnika Gdańska
Dobór bezpieczników do zabezpieczania przewodów i kabli
Zabezpieczenia nadprądowe są najpowszechniej stosowaną odmianą zabezpieczeń
w instalacjach elektrycznych. Służą do zabezpieczania silników i innych odbiorników,
transformatorów, przekształtników i urządzeń rozdzielczych, ale w większości zastosowań ich
głównym bądź ubocznym zadaniem jest zabezpieczanie przewodów. Zasady zwarciowego
zabezpieczania przewodów są niezmienne od dziesięcioleci. Sprawa jest bardziej złożona
z zabezpieczeniem przeciążeniowym przewodów, jeśli jest ono wymagane. Procedura doboru
zależy zarówno od wymaganej skuteczności zabezpieczenia, jak i od obciążalności
długotrwałej przypisywanej przewodom i kablom. Kwestie te mają precyzować arkusze 43,
473 i 523 normy PN-IEC 60364 [2, 3], ale są to niestety obarczone błędami nieudolne
tłumaczenia oryginału IEC, który też budzi różne zastrzeżenia.
1. Umiejscowienie zabezpieczeń nadprądowych
Normy i przepisy budowy urządzeń elektrycznych formułują minimalne wymagania, jakie
powinny spełniać instalacje pod względem wyposażenia w zabezpieczenia: rodzaj
zabezpieczeń, ich umiejscowienie, czułość i skuteczność. Rozwiązania doskonalsze, dalej
idące niż minimum wymagane przez dokumenty normatywne, mogą być uzasadnione
szczególną wartością zasilanego obiektu, zwiększonymi wymaganiami co do niezawodności
zasilania albo inną specyfiką warunków eksploatacji.
Rys. 1. Wymagane na początku
obwodu (a) i dozwolone w pewnej
odległości od punktu odgałęzienia
obwodu (b) usytuowanie
zabezpieczenia zwarciowego
1 - odporny na zwarcie odcinek
przewodów o długości l<=3 m
Zabezpieczenie zwarciowe jest najpowszechniej stosowanym zabezpieczeniem. Występuje
ex definitione w każdym obwodzie elektrycznym i to na początku, w miejscu wyprowadzenia
lub odgałęzienia obwodu, a także w miejscach, w których następuje zmniejszenie
obciążalności zwarciowej przewodów (zmniejszenie przekroju żył i/lub zmiana budowy
przewodu: materiału żył i/lub materiału izolacji). Zważywszy, że nie jest łatwo umieścić
zabezpieczenie zwarciowe dokładnie w punkcie odgałęzienia obwodu, wolno [3]
je zainstalować w odległości nieprzekraczającej 3 m od tego punktu (rys. 1). Mimo to odcinek
przewodów od odgałęzienia do zabezpieczenia tak się wymiaruje, jak gdyby zabezpieczenie
znajdowało się przed nim, co jest równoznaczne z założeniem, iż prawdopodobieństwo
zwarcia na tym odcinku uważa się za pomijalnie małe. Podobne założenie dopuszcza się
w odniesieniu do przewodów łączących źródła energii (generatory, transformatory,
przekształtniki, baterie akumulatorów) z rozdzielnicami, jeżeli zabezpieczenia znajdują się
w rozdzielnicy, u końca obwodu (rys. 2). Obydwa odstępstwa są dopuszczalne, jeśli
1
pozbawiony należytego zabezpieczenia zwarciowego odcinek przewodów jest odporny
na zwarcie, tzn. jeśli są spełnione dwa warunki:
1. Połączenie jest wykonane w sposób ograniczający do minimum niebezpieczeństwo
wystąpienia zwarcia (izolowane i osłonięte przewody szynowe lub jednożyłowe
przewody o izolacji wzmocnionej albo układane w osobnych izolacyjnych rurach bądź
przedziałach korytek, lub przewody oponowe przemysłowe albo kable o napięciu
znamionowym wyższym niż napięcie znamionowe obwodu)
2. Przewody ani ich osłony nie znajdują się w bezpośrednim sąsiedztwie części
z materiałów łatwo zapalnych.
Rys. 2. Odcinek przewodów od źródła
energii do rozdzielnicy niezabezpieczony
przed skutkami zwarć - dopuszczalne
odstępstwo w przypadku:
a) generatora;
b) baterii akumulatorów;
c) przekształtnika
Zabezpieczenie przeciążeniowe należy stosować przy odbiornikach i innych urządzeniach,
którym grozi niedopuszczalne nagrzewanie w razie nadmiernego obciążenia, niewłaściwych
warunków zasilania bądź przekroczenia dopuszczalnych środowiskowych warunków pracy.
Precyzyjnego zabezpieczenia przeciążeniowego wymagają silniki, zgrubne zabezpieczenie
bywa stosowane w odniesieniu do przewodów, transformatorów i baterii kondensatorów.
Od ogólnej zasady umieszczania zabezpieczenia przeciążeniowego na początku obwodu
dopuszcza się liczne odstępstwa. Nie wymaga się zabezpieczenia przeciążeniowego
przewodów sieci rozdzielczych poza budynkami. W przypadku instalacji - poza miejscami
niebezpiecznymi pod względem wybuchowym i/lub pożarowym - dopuszcza się
umieszczenie go w dowolnym miejscu obwodu, również na końcu i akceptuje się w tej roli
wbudowane zabezpieczenie przeciążeniowe odbiornika, jednak pod warunkiem że na trasie
przewodów nie ma odgałęzień. Nie należy jednak zapominać, że zabezpieczenie
zainstalowane u końca obwodu zapobiega przeciążeniu przewodów przez odbiornik bądź
grupę odbiorników, ale nie zapobiega ich przegrzaniu w wyniku zwarcia oporowego na trasie
przewodów. Z zabezpieczenia przeciążeniowego przewodów wolno zrezygnować, jeśli są one
wystarczająco zabezpieczone przez zabezpieczenie poprzedzającego obwodu albo jeśli
prawdopodobieństwo przeciążenia jest pomijalnie małe, tzn. przewody mają obciążalność
długotrwałą Iz niemniejszą niż ich szczytowe obciążenie IB i występuje co najmniej jedna
z dodatkowych okoliczności wskazanych w normie.
Tablica 1. Wymagania co do zabezpieczania nadprądowego i przerywania poszczególnych
przewodów w trójfazowych obwodach instalacji o układzie TN i TT [3]
2
Przewody
Detekcja prądu w
przewodzie
Przerywanie przewodu
w razie przetężenia
fazowe L (o przekroju sL)
wymagana
wymagane
sN >= sL
nie wymagana1)
nie wymagane2)
sN < sL
wymagana3)
nie wymagane2)
ochronny PE
dozwolona
zabronione
ochronno-neutralny PEN
dozwolona
zabronione
neutralny N
(o przekroju sN)
1 ) Kontrola prądu w przewodzie N jest wskazana w obwodach o obciążeniu silnie
odkształconym, z dużym udziałem harmonicznych rzędu podzielnego przez 3 (triplen).
2 ) Przewód N powinien być rozłączany nie wcześniej niż przewody L, a załączany - nie
później niż one; nie wolno w przewodzie N umieścić bezpiecznika przerywającego obwód
jednobiegunowo, co groziłoby wystąpieniem asymetrii napięć fazowych.
3 ) Dopuszczalne odstępstwo, jeśli obciążalność długotrwała przewodu N jest dobrana
z zapasem (nie grozi mu przeciążenie) i jest on wystarczająco zabezpieczony przed skutkami
zwarć przez zabezpieczenia w przewodach fazowych.
Rozważając umiejscowienie zabezpieczeń nadprądowych trzeba też rozstrzygnąć, w których
przewodach powinny się one znaleźć i które przewody - po wykryciu przetężenia - powinny
rozłączać. Zwięzłe zasady dla instalacji o układzie TN i TT podaje tabl. 1.
Wyjątkiem od ogólnej zasady zabezpieczania każdego obwodu instalacji elektrycznej
są obwody, w których ze względów bezpieczeństwa zabezpieczenia przeciążeniowe, a nawet
zabezpieczenia zwarciowe są niewskazane bądź zabronione, bo ich zadziałanie mogłoby
wywołać następstwa groźniejsze niż ich brak. Chodzi o urządzenia, które powinny być
utrzymane w ruchu mimo przeciążenia, a w razie zwarcia dopuszcza się ich wyłączenie tylko
wtedy, gdy bezpośrednio zagraża im zniszczenie. W ich obwodach nie stosuje się
zabezpieczenia przeciążeniowego działającego na wyłączenie, lecz co najwyżej sygnalizację
przeciążenia. Jeśli zabezpieczenie zwarciowe w takich obwodach jest dopuszczalne,
to bezpieczniki powinny mieć prąd znamionowy o jeden, a nawet dwa stopnie większy niż
wynikający ze zwykłych zasad doboru, aby zapobiec nieuzasadnionemu zadziałaniu.
Funkcje zabezpieczenia zwarciowego i zabezpieczenia przeciążeniowego może spełniać
jedno urządzenie (bezpiecznik lub wyłącznik) bądź osobne urządzenia zabezpieczające
o skoordynowanych charakterystykach (np. bezpiecznik oraz rozłącznik samoczynny
z członem przeciążeniowym). Wybór powinien być podyktowany względami technicznymi
i ekonomicznymi, a nie absurdalnym wymaganiem rozporządzenia ministra [4], które
3
w § 183.1 stanowi: W instalacjach elektrycznych należy stosować:.4) wyłączniki nadprądowe
w obwodach odbiorczych. Zasada ta jest słuszna w większości obwodów odbiorczych
w budynkach mieszkalnych bądź budynkach użyteczności publicznej, bo eliminuje
możliwość "reperowania" wkładek bezpiecznikowych, ale jest niedorzeczna w obwodach
silnikowych obiektów przemysłowych, których wspomniane rozporządzenie również dotyczy.
Podobnych szkodliwych postanowień, wprowadzonych przez nieuków, jest w tym
rozporządzeniu więcej.
2. Zabezpieczenia przed przeciążeniami
Temperatura graniczna dopuszczalna długotrwale dla przewodu
jest tak dobrana, aby
znamionowa trwałość termiczna izolacji wynosiła 20÷30 lat nieprzerwanej pracy. Gdyby
izolacja nie była nadwerężana cieplnie przez przeciążenia i zwarcia, rzeczywista trwałość
termiczna byłaby większa, bo wskutek losowej zmienności w czasie zarówno temperatury
otoczenia, jak i prądu obciążenia, tylko sporadycznie dochodzi do jednoczesnego wystąpienia
obliczeniowych największych wartości obu tych parametrów, a więc sporadycznie utrzymuje
się temperatura graniczna dopuszczalna długotrwale. Oszacowania trwałości izolacji
wykorzystują prawo Arrheniusa, które dotyczy termokinetyki prostych reakcji chemicznych,
o szybkości wykładniczo zależnej od temperatury. Zważywszy, że dwukrotną zmianę
trwałości powoduje zmiana temperatury o 6÷10 K, średnio o 8 K, można oszacować skutki
przykładowych przeciążeń przewodów o izolacji z polwinitu (w nawiasach - z gumy
etylenowo-propylenowej):


jedna godzina pracy w temperaturze, jaka ustala się przy przeciążeniu o 20 %, tzn.
przy prądzie 1,20×Iz, wywołuje ubytek trwałości odpowiadający 5 (10) godzinom
pracy przy temperaturze dopuszczalnej długotrwale,
jedna godzina pracy w temperaturze, jaka ustala się przy przeciążeniu o 45 %, tzn.
przy prądzie 1,45×Iz, wywołuje ubytek trwałości odpowiadający 50 (300) godzinom
pracy przy temperaturze dopuszczalnej długotrwale.
Tylko w przypadku kosztownych linii wysokonapięciowych narażonych na przeciążenie,
zwłaszcza kabli najwyższego napięcia, sposób zabezpieczenia od przeciążeń ustala się
w oparciu o analizę przebiegów nagrzewania i stygnięcia, tworząc modele cieplne, podobnie
jak dla transformatorów bądź maszyn wirujących dużej mocy. Dla kabla jest to zresztą o tyle
trudniejsze, że na jego trasie mogą znacznie zmieniać się warunki oddawania ciepła. Poza
takimi przypadkami stosuje się proste, nadprądowe zabezpieczenia przeciążeniowe i to raczej
tylko w liniach kablowych narażonych na przeciążenie. Ze względu na największy
dopuszczalny spadek napięcia większość linii rozdzielczych ma przekrój przewodów większy
niż wynikający z wymagań obciążalności cieplnej roboczej i nie jest narażona na przeciążenie
w normalnych warunkach użytkowania.
W odniesieniu do instalacji obiektów budowlanych - gdzie zagrożenie pożarowe jest bez
porównania większe niż w sieciach - wymaga się, aby przewody narażone na przeciążenia
były przed nimi zabezpieczone. Norma PN-IEC 60364 [2] stawia (rys. 3) dwa warunki:

Obciążalność długotrwała przewodu Iz powinna być niemniejsza niż prąd
znamionowy lub prąd nastawczy In aparatu stanowiącego zabezpieczenie
przeciążeniowe; ten z kolei - by zapobiec zbędnym zadziałaniom - powinien być
niemniejszy niż obliczeniowy prąd szczytowy obwodu IB.
4
(1)

Prąd przeciążeniowy o wartości 1,45×Iz, wywołujący ustalony przyrost temperatury
przewodu w przybliżeniu dwukrotnie większy niż dopuszczalny długotrwale,
powinien spowodować zadziałanie nadprądowego zabezpieczenia obwodu.
Największy czas, w jakim powinno to nastąpić (1÷4 h) wynika z warunków
probierczych formułowanych przez normy przedmiotowe na bezpieczniki
i wyłączniki.
czyli
(2)
Prąd I2 jest najmniejszym prądem powodującym zadziałanie (członu przeciążeniowego)
zabezpieczenia nadprądowego, czyli jego górnym prądem probierczym. Wartość tę można
odczytać z charakterystyki czasowo-prądowej urządzenia zabezpieczającego. Wynosi ona
w stosunku do prądu znamionowego lub prądu nastawczego In:



1,45 - dla instalacyjnych wyłączników nadprądowych (wyłączenie przed upływem
1 h),
1,60 - dla bezpieczników gG o prądzie znamionowym 16 A i większym (wyłączenie
przed upływem 1÷4 h zależnie od prądu znamionowego),
1,90 - dla bezpieczników gG o prądzie znamionowym 6 i 10 A (wyłączenie przed
upływem 1 h).
Bezpiecznik jest w zasadzie zabezpieczeniem zwarciowym. Ze względu na konieczny
margines, rzędu 30%, między granicznym prądem niezadziałania wkładki Inf a prądem
znamionowym In, jakim wolno ją długotrwale obciążyć (na ogół Inf /In = 1,3), bezpiecznik nie
może pełnić roli zabezpieczenia przeciążeniowego odbiornika. Może jednak spełniać tę rolę
w odniesieniu do przewodów, pod warunkiem nieznacznego ich przewymiarowania. Dotyczy
to tylko bezpieczników o pełnozakresowym wyłączaniu bądź bezpieczników ogólnego
przeznaczenia "g"; bezpieczniki o niepełnozakresowym wyłączaniu "a" nie gwarantują
wyłączenia prądu przeciążeniowego.
Rys. 3. Zestawienie wymagań co do
przeciążeniowego zabezpieczenia
przewodów w instalacjach obiektów
budowlanych
5
Jeżeli w obwodzie jest więcej niż jedno zabezpieczenie nadprądowe (np. bezpiecznik
i stycznik z przekaźnikiem termobimetalowym), to przyjmuje się wartość prądu I2 tego
zabezpieczenia, dla którego wypada ona najmniejsza. Porównując podobne uproszczone
zasady zabezpieczania przewodów od przeciążeń można wprowadzić [1] dwa wskaźniki
syntetyczne:

Stopień wyzyskania przewodu (Nutzungsgrad) rozumiany jako stosunek największego
prądu, jaki można w nim dopuścić długotrwale (prądu znamionowego urządzenia
zabezpieczającego In) do obciążalności długotrwałej przewodu Iz, który według
koncepcji IEC przyjmuje wartości n<=1,00.
(3)
,

Stopień zabezpieczenia (Schutzgrad), czyli stosunek górnego prądu probierczego
urządzenia zabezpieczającego I2 do obciążalności długotrwałej przewodu Iz,który
według koncepcji IEC przyjmuje wartości S<=1,45.
,
(4)
Przytoczona wartość S = 1,45 we wzorach (2) jest uzgodnionym międzynarodowo
kompromisem między dążeniem do zapewnienia jak największego stopnia wyzyskania
przewodu i jak najmniejszego stopnia zabezpieczenia (jak największej skuteczności
zabezpieczenia przeciążeniowego). Procedura przyjęta przez IEC nie uwzględnia rzeczywistej
charakterystyki przeciążeniowej przewodu, nie uwzględnia nawet jego cieplnej stałej
czasowej, a ogranicza się do przybliżonego sprawdzenia wzajemnego usytuowania asymptot
obu charakterystyk t-I przewodu i urządzenia zabezpieczającego.
3. Zabezpieczenie przed skutkami zwarć
Skutek cieplny prądu zwarciowego dopuszczalny dla przewodu o przekroju s [mm2]
i największej dopuszczalnej jednosekundowej gęstości prądu k [A/mm2] wynosi
[A2s]. Powinien być on niemniejszy niż rzeczywiście występujący skutek cieplny prądu
zwarciowego, na który przewód jest narażony, tzn.:


obliczony przez projektanta instalacji iloczyn
prądu zwarciowego zastępczego
cieplnego Ith podniesionego do kwadratu i czasu trwania zwarcia Tk, jeśli
zabezpieczenie nie działa ograniczająco, albo
podana przez wytwórcę wartość całki Joule'a wyłączania (I2tw) bezpiecznika
ograniczającego lub wyłącznika ograniczającego.
Wspomniane wymaganie można zatem zapisać następująco:
6
(5)
lub
Z zależności tej można obliczyć przekrój przewodu wymagany ze względu na obciążalność
zwarciową cieplną
(6)
lub
W obu przypadkach druga postać wzoru dotyczy sytuacji, gdy narażenia zwarciowe cieplne są
scharakteryzowane całką Joule'a wyłączania I2tw bezpiecznika albo wyłącznika. Jedynka
w mianowniku wyrażenia podpierwiastkowego oznacza czas 1 s, którego dotyczy gęstość
prądu k, i pozostała tam dla zgodności jednostek. W przeciwnym razie trzeba by - jak to czyni
norma - gęstość prądu wyrażać w dziwacznych jednostkach
zamiast w A/mm2.
Jak widać, sprawdzenie skuteczności zabezpieczenia przewodów przed skutkami cieplnymi
przepływu największego spodziewanego prądu zwarciowego (przy zwarciu na początku
obwodu) opiera się na jednoznacznym kryterium i wymaga niewielu informacji o przewodzie.
Jeżeli jedynym zabezpieczeniem nadprądowym przewodów jest bezpiecznik, to w zależności
od wartości prądu przetężeniowego zmienia się czas wyłączania oraz maksymalny przyrost
temperatury osiągany przez przewody. Prąd mniejszy niż prąd zadziałania bezpiecznika
utrzymuje się długotrwale i wywołuje ustalony przyrost temperatury proporcjonalny
do kwadratu prądu. Duży prąd zwarciowy wywołuje skutek cieplny (I2t wyłączania) niewielki
i w małym stopniu zależny od wartości prądu. Największe narażenia cieplne przewodów
(rys. 4) występują przy prądzie nieco większym niż górny prąd probierczy I2 wkładki. Jeżeli
zatem bezpiecznik został tak dobrany, że pełni rolę zabezpieczenia przeciążeniowego
przewodów (wzór 2), to nie trzeba sprawdzać, czy zabezpiecza on je również przy dużym
prądzie zwarciowym. Warunek (6) jest wtedy samorzutnie spełniony i to z dużym nadmiarem.
Rys.4. Maksymalny przyrost
temperatury Ømax osiągany
przez przewód zabezpieczony
bezpiecznikiem o prądzie
znamionowym In i górnym
prądzie probierczym I2
Jeśli natomiast bezpiecznik ma zabezpieczać przewody tylko przed skutkami zwarć, to nie
wystarczy upewnić się, że czyni to skutecznie przy największym spodziewanym prądzie
zwarciowym. Należałoby ponadto sprawdzić, czy narażenia cieplne przewodów występujące
7
przy prądach mniejszych, np. przy najmniejszym obliczeniowym prądzie zwarciowym, nie są
nadmierne.
Przykład
Określić najmniejszy wymagany ze względu na nagrzewanie przekrój przewodów obwodu
230/400 V, którego jedynym zabezpieczeniem nadprądowym są bezpieczniki klasy gG
o prądzie znamionowym 63 A. Instalacja ma układ TN, obwód jest trójfazowy, jego
obciążenie jest symetryczne nieodkształcone, przewody są miedziane o izolacji polwinitowej,
sposób ułożenia B1, obliczeniowa temperatura otoczenia +25°C. Ze względu na
zabezpieczenie przed przeciążeniami obciążalność długotrwała przewodów powinna spełniać
warunki wyrażone wzorami (1) oraz (2). Drugi z tych warunków jest ostrzejszy:
Wymaganą obciążalność zapewnia przewód o przekroju 16 mm2, który ma obciążalność
długotrwałą 72 A. Obliczając przekrój przewodu wymagany ze względu na nagrzewanie
prądem zwarciowym dobrze mieć przed oczyma rys. 5. Przy adiabatycznym nagrzewaniu
prądem zwarciowym przewód miedziany 16 mm2 o izolacji polwinitowej wytrzymuje całkę
Joule'a (k×s)2×1 = (115×16)2×1 = 3385600 A2s. Przy dużym prądzie zwarciowym całka
Joule'a wyłączania wynosi I2tw = 21200 A2s, z czego wynika najmniejszy dopuszczalny
przekrój według wzoru (9) zaledwie
Przyrost temperatury dopuszczalny przy zwarciu wynosi
= 160-70 = 90 K, wobec
czego duży prąd zwarciowy wywoła przyrost temperatury przewodu zaledwie
.
Ostrzejsze narażenia cieplne występują przy najmniejszym obliczeniowym prądzie
zwarciowym. Za podstawę można przyjąć prąd odpowiadający największemu
dopuszczalnemu czasowi wyłączania zwarć jednofazowych ze względu na skuteczność
ochrony przeciwporażeniowej, który w układzie TN o napięciu 230/400 V zależnie od
okoliczności wynosi 0,4 s lub 5 s. Prąd wyłączający wkładki gG 63 A w czasie 0,4 s wynosi
534 A, wobec czego wymagany przekrój przewodu
Przewód 16 mm2 nagrzewa się podczas takiego zwarcia o 3 K. Gdyby dopuszczalny czas
trwania zwarcia wynosił 5 s, co odpowiada prądowi wyłączającemu 305 A, to wymagany
przekrój przewodu
8
Przewód 16 mm2 nagrzewa się podczas takiego zwarcia o 12 K. Obliczenia potwierdzają,
że przewód poprawnie zabezpieczony bezpiecznikiem przed przeciążeniami nie jest narażony
na niedopuszczalne nagrzewanie przy zwarciach. Dla pełnego obrazu można obliczyć
ustalony przyrost temperatury przewodu w razie długotrwałego przepływu górnego prądu
probierczego bezpiecznika 1,6×In = 1,6 × 63 101 A, który bezpiecznik powinien wyłączyć
przed upływem 1 godziny:
Literatura




Nienhaus H., Vogt D.: Schutz bei Überlast und Kurzschluß in elektrischen Anlagen.
VDE-Verlag, Berlin, 1999.
PN-IEC 60364-4-43:1999 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona
dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed prądem przetężeniowym
PN-IEC 60364-4-473:1999 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona
dla zapewnienia bezpieczeństwa. Stosowanie środków ochrony zapewniających
bezpieczeństwo. Środki ochrony przed prądem przetężeniowym
Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie
warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.
Dz.U. 02.75.690, 04.109.1156.
9