Zabezpieczenia i selektywnosc
advertisement
Prof. Henryk Markiewicz Instytut Energoelektryki Politechniki Wrocławskiej Zabezpieczenia nadprądowe w instalacjach elektrycznych, ze szczególnym uwzględnieniem selektywności Informacje wstępne Prawidłowa praca odbiorników i instalacji elektrycznych wymaga właściwego zabezpieczenia zarówno odbiorników, przewodów instalacyjnych i innych elementów obwodów od skutków nienormalnych stanów pracy. Jednym z takich stanów są przetężenia, czyli sytuacje, w których następuje wzrost prądu w obwodzie ponad wartość dopuszczalną długotrwale. Przetężenia dzieli się z kolei na przeciążenia i zwarcia . Przeciążeniem nazywa się wzrost prądu ponad wartość dopuszczalną długotrwale w obwodzie nieuszkodzonym, przy czym przyczyną tego wzrostu jest najczęściej nadmierny pobór energii przez zasilane odbiorniki. Natomiast wzrost wartości prądu podczas zwarcia wynika z uszkodzenia obwodu, zwykle uszkodzenia izolacji przewodów zasilających, aparatury łączeniowej bądź samego odbiornika. Do ochrony obwodów niskiego napięcia od przetężeń stosowane są następujące urządzenia: 1. bezpieczniki niskiego napięcia , 2. wyłączniki niskiego napięcia , 3. przekaźniki termobimetalowe, stycznikami, przystosowane zwykle do współpracy ze 4. zabezpieczenia termiczne wbudowane do urządzeń, głównie silników . Do podstawowych parametrów zabezpieczanego obwodu, niezbędnych do doboru zabezpieczenia przetężeniowego, zalicza się prądy: zastępczy prąd obciążenia IB (rys. 1) grupy odbiorników zasilanych w danym obwodzie, lub w przypadku zasilania pojedynczego odbiornika, jego prąd znamionowy (IB = IN), prąd dopuszczalny długotrwale przewodów IZ (rys. 1), z uwzględnieniem warunków ich ułożenia, prąd zwarciowy maksymalny IKmax i minimalny IKmin analizowanego obwodu. Większość obwodów w instalacjach niskiego napięcia to obwody promieniowe, w których kolejne stopnie zabezpieczeń nadprądowych tworzą strukturę kaskadową patrząc w stronę źródła zasilania. Należy jednak pamiętać o tym, że zmiana parametrów zabezpieczenia przetężeniowego na którymkolwiek stopniu tej kaskady wymaga ponownego sprawdzenia warunków ochrony odcinka przewodów instalacyjnych, objetego działaniem tego zabezpieczenia. Do podstawowych kryteriów uzyskania selektywnego działania zabezpieczeń nadprądowych zalicza się: stopniowanie prądów zadziałania, stopniowanie czasu działania, równoczesne stosowanie kombinacji zarówno prądów jak i czasów zadziałania. Selektywne działanie zabezpieczeń nadprądowych jest jednym z warunków poprawnego wykonania instalacji elektrycznej, określonym w rozporządzeniu . W artykule omówiono podstawowe zagadnienia dotyczące doboru zabezpieczeń nadprądowych w instalacjach elektrycznych oraz skupiono się bliżej na problematyce sprawdzania warunków ich selektywnego działania. Właściwości i podstawowe charakterystyki zabezpieczeń nadprądowych w instalacjach niskiego napięcia Zabezpieczenie obwodów instalacji niskiego napięcia może być zrealizowane na trzy zasadnicze sposoby zilustrowane na rys.1. a) b) F (INF) c) F Pt (IZ) Odbiornik (IB) (INF) W (INW , INr, IG) (INr) (IZ) Odbiornik (IB) (IZ) Odbiornik (IB) Rys. 1. Typowe sposoby zabezpieczenia obwodów instalacji niskiego napięcia od przetężeń: a) bezpiecznikiem (F), b) bezpiecznikiem i przekaźnikiem termobimetalowym (Pt), c) wyłącznikiem W z wyzwalaczami: termobimetalowym i elektromagnetycznym (opis w tabeli 1); INF – prąd znamionowy bezpiecznika, INr – znamionowy prąd nastawy przekaźnika (wyzwalacza) termobimetalowego, INW – prąd znamionowy wyłącznika, IG – prąd nastawy progu wyzwolenia wyzwalacza elektromagnetycznego; IZ, IB – wyjaśnione w tekście Wyposażenie wyłączników niskiego napięcia w wyzwalacze w torze prądowym jest w zasadzie opcjonalne, choć zdecydowana większość wyłączników niskiego napięcia jest wyposażona zarówno w wyzwalacz termobimetalowy jak i elektromagnetyczny. Parametry tych wyzwalaczy różnią się zasadniczo dla wyłączników: a) do zastosowań przemysłowych (wyłączniki silnikowe, wyłączniki przemysłowe o budowie otwartej i kompaktowej) ; aparaty te mają zwykle nastawialne wyzwalacze termobimetalowe i elektromagnetyczne, stąd powinny być obsługiwane przez personel wykwalifikowany, b) do zastosowań domowych i podobnych [8], które są wyposażone w wyzwalacze bez możliwości dokonywania zmiany nastaw; wyłączniki te są przeznaczone do obsługi przez osoby nie posiadające kwalifikacji. Wyzwalacze termobimetalowe (przeciążeniowe) do wyłączników przemysłowych (rys. 2) mają zakres nastaw prądu INr od ok. 0,6 do 1 swego prądu znamionowego (INr min i INr max, rys. 2a). Największa wartość prądu nastawy (INr max) jest równocześnie prądem znamionowym wyzwalacza. Prąd znamionowy wyzwalacza odpowiada zwykle prądowi znamionowemu wyłącznika (INr max = INW). Czas próby tp wynosi 1h dla wyłączników o INW ≤ 63 A i 2h dla wyłączników o INW > 63 A. Prąd niezadziałania wyzwalacza INt (najwieksza wartość prądu przy którym wyzwalacz nie zadziała przed upływem czasu próby tp) wynosi 1,05INr, natomiast prąd zadziałania wyzwalacza It (najmniejsza wartość prądu, przy której wyzwalacz zadziała przed upływem czasu próby tp) wynosi 1,3INr . Przy doborze wyzwalaczy termobimetalowych należy wziąć po uwagę również to, że katalogi podają najczęściej charakterystykę pradowo-czasową dla stanu zimnego. Charakterystyka ta dla stanu nagrzanego prądem roboczym zbliżonym do prądu znamionowego wyzwalacza ulega przesunięciu tak, jak to zilustrowano na rysunku 2b, przy czym skrócenie czasów zadziałania charakterystyki nagrzanej w stosunku do charakterystyki zimnej szacuje się na ok. 25% . Omówione parametry wyzwalaczy termobimetalowych stosowanych w wyłącznikach przemysłowych odnoszą się analogicznie do takich samych parametrów przekaźników termobimetalowych, stosowanych zwykle do współpracy ze stycznikami. a) t tp INt = 1,05INr b) It = 1,3INr t tp Zakres regulacji prądu nastawienia INr wyzwalacza INt = 1,05INr It = 1,3INr Charakterystyka wyzwalacza zimnego (katalogowa) Charakterystyka wyzwalacza nagrzanego (robocza) t ok. 25% 1,3INr max INr min INr max 1,05INr max 1,3INr max I INr max 1,05INr max I Rys. 2. Charakterystyka wyzwalaczy termobimetalowych wyłączników przemysłowych ; a) – ilustracja zakresu prądu nastawianego INr i prądów: niezadziałania INt oraz zadziałania It; b) – ilustracja przesunięcia charakterystyki wyzwalacza nagrzanego w stosunku do wyzwalacza zimnego; tp – czas próby; pozostałe wyjaśnienia oznaczeń w tekście Wyzwalacze termobimetalowe w wyłącznikach do zastosowań domowych i podobnych nie mają możliwości zmiany nastawień prądu INr, Prąd ten jest ustawiony fabrycznie jako równy prądowi znamionowemu wyłącznika (INr = INW). Inne są natomiast (w porównaniu z wyzwalaczami do wyłączników przemysłowych) prądy : niezadziałania INt = 1,13 INW, zadziałania It = 1,45 INW. Tak ustalona wartość prądu zadziałania pozwala w sposób optymalny spełnić warunek ochrony przewodów instalacyjnych od przeciążeń. Norma wymaga ponadto, aby przy prądzie równym 2,55 INr nastąpiło zadziałanie w czasie t1, przy czym: 1s < t1 < 60 s dla wyłączników o INW ≤ 32 A, 1s < t1 < 120 s dla wyłączników o INW > 32 A. W wyłącznikach do zastosowań przemysłowych dość powszechnie stosuje się obecnie zintegrowane wyzwalacze przetężeniowe, zawierające człon przeciążeniowy i człon zwarciowy. Wyzwalacze te są urządzeniami elektronicznymi, zasilanymi zwykle z uzwojeń wtórnych przekładników prądowych umieszczonych w głównych torach prądowych wyłącznika. Do zalet wyzwalaczy elektronicznych zalicza się: brak efektu przesunięcia charakterystyki wskutek nagrzania wyzwalacza, co ma miejsce w wyzwalaczach termobimetalowych (rys. 2b), możliwość zastosowania ujednoliconego wyzwalacza dla całej serii wyłączników o różnych prądach znamionowych, dzięki zróżnicowaniu przekładni przekładnika prądowego o jednakowej wartości znamionowego prądu wtórnego. Przebieg typowej charakterystyki wyzwalacza przeciążeniowego elektronicznego (w osiach o skali logarytmicznej) przedstawiono na rysunku 3. Na rysunku tym zilustrowano również możliwości zmian nastaw charakterystyki (strzałki 1, 2 i 3). t tp 1 zakres regulacji prądu nastawienia INr 3 2 Inw Inn min INr INt It I Rys. 3. Przebieg typowej charakterystyki elektronicznego wyzwalacza przeciążeniowego; oznaczenia jak na rysunku 2 oraz wyjaśnione w tekście Wyzwalacze zwarciowe wyłączników przemysłowych wykonywane są zarówno jako wyzwalacze elektromagnetyczne jak i mogą stanowić człon zwarciowy wyzwalacza elektronicznego. Zgodnie z wymaganiami normy rozrzut prądu zadziałania wyzwalacza elektromagnetycznego wynosi ±20% (IG min = 0,8 IG, IG max = 1,2 IG, rys. 4a), natomiast dla wyzwalaczy elektronicznych rozrzut ten wynosi ±15%, czyli (IG min = 0,85 IG, IG max = 1,15 IG, rys. 4b). Czas zwłoki w wyzwalaczach zwłocznych (poz. 3, tab. 1) zawiera się w zakresie (0,1÷ 0,6)s. wyzw. bezzwłoczny a) t t wyzw. zwłoczny tw2 b) t 1 2 człon krótkozwłoczny człon bezzwłoczny tw2 tw2 tw tw tw IG IG min IG IG max Iw I IG1 IG1 IG2 IG2 Iw I Rys. 4. Charakterystyki wyzwalacza zwarciowego elektromagnetycznego (a) i elektronicznego dwustopniowego (b); IG, IG1, IG2 – prądy nastawienia odpowiednich progów zadziałania wyzwalacza IW – prąd wyłączalny wyłącznika, tw – czas własny wyzwalacza, t2 – nastawienie zwłoki czasowej, 1 – wyzwalacz bez włączonej funkcji I2t, 2 - wyzwalacz z włączoną funkcją I2t; wyjaśnienie pozostałych oznaczeń w tekście . Wyzwalacze zwarciowe wyłączników do instalacji domowych i podobnych mają charakterystyki nienastawialne, lecz próg prądowy ich zadziałania IG jest określony w stosunku do wartości prądu znamionowego wyłącznika IW (rys. 6). Najczęściej spotykane są trzy nastawienia o następujących oznaczeniach literowych i zakresach działania: B – zakres IG = (3 ÷ 5) INW, C - zakres IG = (5 ÷ 10) INW, D - zakres IG = (10 ÷ 20) INW. Przykładowo symbol C 20 na wyłączniku instalacyjnym oznacza, że jest to wyłącznik o prądzie znamionowym INW = 20 A i charakterystyce wyzwalacza elektromagnetycznego typu C, czyli o progu zadziałania IG zawierającym się w zakresie (5 ÷ 10) INW, czyli od 100 A do 200 Charakterystyki prądowo-czasowe bezpieczników (rys. 7) podobnie jak charakterystyki wyzwalaczy, są charakterystykami pasmowymi. Są one podawane w osiach log/log, przy czym na skali czasu jest to zakres od ok. 5 ms, (1/4 okresu prądu o częstotliwości 50 Hz), czyli najkrótszego czasu dla którego można określić wartość skuteczną prądu sinusoidalnego, do czasu próby tp. Czas próby tp mieści się w zakresie : od 1h do 4h w zależności od prądu znamionowego bezpiecznika, dla bezpieczników o charakterystykach pełnozakresowych (oznaczenie g na pierwszym miejscu, np. gL, gTr, gB, gG, – bezpieczniki odpowiednio do zabezpieczania linii, transformatorów, urządzeń górniczych i ogólnego przeznaczenia), od 30s do 120s dla bezpieczników o charakterystykach niepełnozakresowych, (oznaczenie a na pierwszym miejscu, np. aM, aR – odpowiednio bezpieczniki do zabezpieczania silników elektrycznych i półprzewodnikowych elementów mocy). Dolna obwiednia charakterystyki bezpiecznika jest nazywana charakterystyką minimalnych czasów przedłukowych i od góry kończy się na wartości prądu nazywanego prądem probierczym dolnym Inf. Wartości tego prądu dla najbardziej rozpowszechnionych bezpieczników typu gL i gG zawierają się w zakresie (1,25 ÷ 1,5) INF (INF – prąd znamionowy bezpiecznika). Górna obwiednia charakterystyki jest nazywana charakterystyką najdłuższych czasów wyłączenia i kończy się od góry prądem probierczym górnym If. Wartości tego prądu dla bezpieczników typu gL i gG zawierają się w zakresie (1,6 ÷ 2,1) INF. Znaczenie i definicje prądów Inf i If są identyczne jak prądów: niezadziałania INt i zadziałania It w wyzwalaczach przeciążeniowych (rys. 2). przeciążeniowy, S – człon zwarciowy krótkozwłoczny, I – człon zwarciowy bezzwłoczny t tp Charakterystyka wyzwalacza termobimetalowego Charakterystyka wyzwalacza elektromagnetycznego B C D tw 1,45 1,13 1 3 5 10 20 Iw I/INW Rys. 6. Charakterystyki prądowo-czasowe wyłącznika do instalacji domowych i podobnych; oznaczenia jak na poprzednich rysunkach lub wyjaśnione w tekście Ważną pozytywną właściwością bezpieczników jest możliwość ograniczania prądów zwarciowych, polegająca na zapoczątkowaniu procesu przepalania topika przed osiągnięciem pierwszej amplitudy przez prąd zwarciowy i ograniczenie najwyższej wartości prądu zwarciowego poniżej spodziewanej wartości prądu udarowego. Z właściwością tą jest związana stałość wartości całki Joule’a I2t dla spodziewanych prądów zwarciowych mieszczących się w zakresie, w którym dochodzi do ich ograniczenia . Przykładowy wykres całki Joule’a dla bezpieczników typu gL przedstawiono na rysunku 8. Stała wartość tej całki (zakres, w którym charakterystyka ma przebieg poziomy do osi prądu) oznacza, że w tym zakresie bezpiecznik ogranicza prąd zwarciowy. Zakres, w którym charakterystyka ulega zakrzywieniu przybierając rosnące wartości całki Joule’a odpowiada takim wyłączeniom prądu zwarciowego, gdy czas przedłukowy przekracza czas jednego półokresu prądu zwarciowego i nie dochodzi do ograniczenia prądu. Rys. 7. Charakterystyki prądowo-czasowe bezpieczników typu gL ; IK – spodziewany prąd zwarciowy początkowy Charakterystyki całki Joule’a są, podobnie jak charakterystyki prądowo-czasowe, również charakterystykami pasmowymi. Na rysunku 8 przedstawiono jedynie dolne obwiednie charakterystyk całki Joule’a w celu przejrzystości rysunku. Jedynie dla bezpiecznika o prądzie znamionowym INF = 25 A przedstawiono również górną obwiednię charakterystyki pasmowej, czyli charakterystykę najdłuższych czasów wyłączenia, a polem zakreskowanym oznaczono całe pasmo charakterystyki. Zarówno z rysunku 7 jak i 8 wynika, że charakterystyki pasmowe bezpieczników o kolejnych prądach znamionowych zachodzą na siebie i mają części wspólne. Wspólnych części nie mają natomiast charakterystyki o co drugim prądzie w szeregu prądów znamionowych danego typu bezpiecznika. Dotyczy to jednak bezpieczników określonego typu. Przykładowo nie oznacza to, że bezpiecznik typu gL o prądzie znamionowym 16 A nie ma części wspólnych pasma z bezpiecznikiem typu gG o prądzie znamionowym 25 A. 105 A2s 6 I2t W 32 4 W 16 3 INF 100 A 2 80 A 104 63 A 8 6 50 A 25 A - obwiednia najdłuzszych 4 czasów wyłączenia 3 35 A 2 25 A 103 0,4 0,6 0,8 1 2 3 4 5 6 kA 10 IK Rys. 8. Przykładowe charakterystyki przedłukowe (linie ciągłe) całki Joule’a bezpieczników typu gL oraz wyłączania wyłączników instalacyjnych o prądach znamionowych 16A i 32 A [12]; linią przerywaną oznaczono górną obwiednię pasma bezpiecznika o prądzie znamionowym 25 A, a polem zakreskowanym całą charakterystykę pasmową tego bezpiecznika Układy zasilania w instalacjach niskiego napięcia są w przeważającej części układami promieniowymi, w których kolejne stopnie zabezpieczenia nadprądowego są połączone szeregowo, począwszy od zabezpieczenia transformatora SN/nn, a skończywszy na zabezpieczeniu rozpatrywanego obwodu odbiorczego. Przedstawione na rysunku 1 różne sposoby zabezpieczenia obwodów niskiego napięcia dotyczą obwodu odbiorczego, czyli ostatniego w rozpatrywanym ciągu zasilania. Przez selektywność (wybiórczość) działania zabezpieczeń nadprądowych rozumie się takie działanie kolejnych stopni zabezpieczenia w ten sposób (rys. 9), że w przypadku przetężenia w którymkolwiek miejscu obwodu, w szczególności w obwodzie odbiorczym, wyłączenie zasilania ogranicza się do jak najmniejszej części instalacji. Warunek spełnienia selektywności oznacza, że zadziała jedynie zabezpieczenie najbliższe miejsca zakłócenia, patrząc w stronę źródła zasilania. Wymóg selektywnego działania zabezpieczeń nadprądowych jest zawarty m.in. w rozporządzeniu [10]. Jest to jeden z podstawowych warunków zapewnienia odpowiedniej jakości zasilania energią elektryczną. Zasadniczo rozróżnia się selektywność zabezpieczeń przy przeciążeniach i przy zwarciach. W artykule omówiono tę problematykę łącznie, przy czym główny nacisk położono na selektywność działania zabezpieczeń w przypadkach zwarć. Wynika to z faktu, że spełnienie warunku selektywności zabezpieczeń przeciążeniowych w praktyce nie stwarza problemów. Zabezpieczenia te są nastawiane odpowiednio do prądów roboczych IB (rys. 1): I Nr ( 1,05 1,1 )I B (1) i obciążalności długotrwałej przewodów IZ [11]: I B I Nr I Z (2a) I 2 1,45 I Z , (2b) gdzie I2 – prąd zadziałania zabezpieczenia chroniącego przewody od przeciążeń; prąd I2 jest prądem zadziałania It wyzwalacza przeciążeniowego w rozwiązaniu z rysunku 1c, lub prądem zadziałania It przekaźnika termobimetalowego w rozwiązaniu z rysunku 1b lub prądem probierczym górnym bezpiecznika If w przypadku gdy funkcję zabezpieczenia od przeciążeń (a zarazem i od zwarć) pełni bezpiecznik (rys. 1a). Stopniowanie wartości prądu roboczego oraz przekrojów przewodów na poszczególnych stopniach kaskady zabezpieczeń przciążeniowych (rys. 9) jest w praktyce na tyle duże, że charakterystyki są dostatecznie daleko odsunięte od siebie. Analiza selektywności zabezpieczeń nadprądowych jest przeprowadzana w oparciu o charakterystyki prądowo-czasowe (charakterystyka I–t) poszczególnych stopni zabezpieczenia. Rozważa się przy tym zarówno selektywność prądową jak i czasową, co w praktyce sprowadza się do ogólnej zasady braku wspólnych obszarów działania charakterystyk I-t poszczególnych stopni zabezpieczenia. W zależności od zastosowanych zabezpieczeń, z punktu widzenia selektywności ich działania rozróżnia się cztery zasadnicze kombinacje współpracujących ze sobą zabezpieczeń: a) wyłącznik – wyłącznik, b) wyłącznik – bezpiecznik, c) bezpiecznik-wyłącznik, d) bezpiecznik – bezpiecznik. Układy te zostaną kolejno omówione. Selektywność w układzie wyłącznik-wyłącznik W układzie wyłącznik-wyłącznik najczęściej stosowanym sposobem uzyskania selektywności jest selektywność czasowa, co zilustrowano na rysunkach 9 i 10. Wyłącznik W1, stanowiący zabezpieczenie najdalszego obwodu może nie być wyposażony w wyzwalacz zwarciowy zwłoczny, natomiast wyłączniki w pozostałych strefach zabezpieczenia (W2 i W3) powinny być wyposażone w wyzwalacze z możliwością nastawiania opóźnień czasowych. tw3 to3 tz3 td3 = tst2 + tst3 tst3 tw2 W3 ts3 ta3 to2 tz2 td2 = tst2 ts2 ta2 tw1 W2 to1 tz1 ts1 margines bezpieczeństwa strefy 3 ta1 margines bezpieczeństwa strefy 2 W1 M Chwila wystąpienia zwarcia t Rys. 9. Zasada selektywności czasowej zabezpieczeń nadprądowych w układzie szeregowym; tz – czas pobudzenia i zadziałania wyzwalacza, ts – czas uzyskania metalicznej przerwy styków, to – czas otwarcia styków wyłącznika, ta – czas łukowy, tw – czas własny wyłącznika, od chwili powstania zakłócenia do chwili wyłączenia prądu, td – zwłoka czasowa wyzwalacza, tst – opóźnienie czasowe dla danej strefy; cyfry dotyczą czasów w kolejnych stopniach zabezpieczenia Czas własny wyłącznika tw niezbędny do przerwania prądu jest sumą trzech czasów (rys. 9): czasu zadziałania wyzwalacza tz, czasu poruszenia mechanizmu zamka i otwarcie styków ts oraz czasu łukowego ta. Czas opóźnienia zadziałania wyzwalacza td opóźnia zadziałanie mechanizmu zamka, i powinien być tak dobrany, aby uwzględniał czasy ts i ta wyłącznika z niższej strefy oraz pewien margines bezpieczeństwa. W ten sposób należy określić czasy opóźnień kolejnych stref tst, przy czym czas opóźnień td wyłączników kolejnych stref jest sumą kolejnych czasów tst . W praktyce czas opóźnienia strefy tst dobiera się następująco: tst ≥ 70 ms dla wyłączników wyposażonych w wyzwalacze elektroniczne, tst ≥ 150 ms dla wyłączników wyposażonych w wyzwalacze elektromagnetyczne (mechanizmowe). Ilustracje wzajemnego położenia charakterystyk prądowo-czasowych wyłączników przy zastosowaniu selektywności czasowej przedstawiono na rysunku 10. Wyłącznik W1 jest wyłącznikiem bez opóźnienia czasowego, z progiem zadziałania IG1 natomiast wyłącznik W2 jest wyposażony w wyzwalacz z z członem krótkozwłocznym (próg zadziałania IG2(1)) i członem bezzwłocznym (próg zadziałania IG2(2)). Zakres prądowy członu krótkozwłocznego powinien być w miarę możliwości tak dobrany, aby prąd zwarciowy IK1 za wyłącznikiem W1 znajdował się w tej strefie, natomiast prąd zwarciowy IK2 w strefie pomiędzy wyłącznikami W1 i W2, mieścił się w strefie członu bezzwłocznego wyzwalacza wyłącznika W2. t W1 W2 W2 wyzwalcz zimny IK2 wyzwalcz nagrzany td2 W1 IK1 t W2 tW1 M IG1 IK IG2(2) IK2 IG2(1) IK1 Rys. 10 Ilustracja zasady selektywności czasowej wyłączników W1 i W2; opis oznaczeń w tekście 104 0 80 A) 101 selektywność pełna W2 ( W3 IK max 2 = 20,5 kA A) IK min 3 = 17 kA 200 INW3 = 800A A) 102 W3 ( W2 103 t 80 W1 ( IK max 3 = 22 kA 100 INW2 = 200A IK min 2 = 4,5 kA selektywność niepełna 10-1 IK max 1 = 6,5 kA W1 INW1 = 80A M td = tst 10-2 IK min 1 = 750A 10-3 102 2 4 6 8 103 4 6 8 104 2 22 kA 20,5 kA 17 kA 6,5 kA 4,5 kA 750A 2 4 A 104 IK Rys. 11. Ilustracja selektywności prądowej wyłączników W1 i W2 oraz selektywności czasowej wyłączników W2 i W3 W układzie wyłącznik-wyłącznik możliwe jest również zastosowanie selektywności prądowej, co zilustrowano na rysunku 11. W przykładzie tym zostały policzone minimalne i maksymalne wartości prądów zwarciowych, odpowiadające końcowej i początkowej części danej strefy. Próg zadziałania wyłącznika W1 należy ustawić poniżej minimalnego prądu zwarciowego strefy 1, czyli IK min1 = 750 A. Próg zadziałania wyłącznika W2 ustawiony na poziomie minimalnego prądu zwarciowego strefy 2, IK min2 = 4,5 kA zapewnia tzw. selektywność niepełną. Prąd ten może bowiem wystąpić zarówno przy zwarciu tuż przed wyłącznikiem W1 patrząc od strony źródła zasilania jaki i tuż za tym wyłącznikiem. W obydwu przypadkach wyłącznik W2 zadziała, w pierwszym prawidłowo, natomiast w drugim wyłączą obydwa wyłączniki: W1 i W2, czyli układ będzie nie w pełni selektywny. Sytuacja taka będzie miała miejsce dla wszystkich zwarć o prądach zwarciowych w zakresie pomiędzy IK min2 = 4,5 kA a IK max 1= 6,5 kA. Jeśli natomiast próg zadziałania ustawiony będzie nieco powyżej prądu IK max1 = 6,5 kA (linia przerywana na rysunku 11), to wówczas uzyskuje się tzw. selektywność pełną, w której wyzwalacz zwarciowy wyłącznika W2 nie będzie reagował na prądy zawierające się w zakresie pomiędzy IK min2 = 4,5 kA a IK max 1= 6,5 kA, które mogą być prądami przy zwarciu za wyłącznikiem W1 patrząc od strony źródła zasilania. Jeśli jednak zwarcie to jest przed wyłącznikiem W1, to zostanie ono ostatecznie wyłączone przez wyłącznik W2, lecz dopiero po zadziałaniu jego wyzwalacza przeciążeniowego, w odpowiednio dłuższym czasie (ok. 1 s, rys. 11). Przy takim nastawieniu wyzwalacza W2 należy sprawdzić, czy tak długi czas przepływu prądu zwarciowego tK jest dopuszczalny ze względu na cieplną wytrzymałość zwarciową przewodów, korzystając z zależności [1, 11]: 2 t k t k max ks , IK (3) gdzie: tKmax – dopuszczalny czas trwania zwarcia, k dopuszczalna 1-sekundowa gęstość prądu zwarciowego, zależnie od materiału żyły i izolacji przewodu [1, 11], s- przekrój przewodu, IK – spodziewany prąd zwarciowy. Znacznie bardziej jednoznacznym rozwiązaniem jest zastosowanie selektywności czasowej, co przedstawiono na rys. 11 dla wyłączników W2 i W3. Próg zadziałania wyłącznika W3 jest ustawiony nieco poniżej prądu IK min3 = 17 kA. Wszystkie zwarcia w zakresie prądów IK min3 = 17 kA a IK max 2= 20,5 kA, które wystąpią za wyłącznikiem W2 patrząc od strony źródła zasilania, wyłączy wyłącznik W2. Wyłącznik W3 nie zadziała, gdyż ma ustawioną zwłokę czasową. Natomiast jeśli te zwarcia wystąpią przed wyłącznikiem W2 i wyłącznik ten nie zareaguje, wówczas wyłączy je wyłącznik W3 ze zwłoką czasową ok. 0,1 s. Podsumowując przykład zilustrowany na rysunku 11 należy stwierdzić, że selektywność prądowa w przypadku układu dwóch wyłączników instalacyjnych jest rozwiązaniem znacznie mniej doskonałym technicznie od selektywności czasowej. W instalacjach budynkowych, zwłaszcza w budynkach mieszkalnych przy stosunkowo niewielkich różnicach w stopniowaniu prądów znamionowych wyłączników instalacyjnych jest ona w praktyce bardzo trudna czy wręcz niemożliwa do zastosowania. Dodatkową trudnością jest w takiej sytuacji brak możliwości nastaw wyzwalaczy wyłączników instalacyjnych do instalacji domowych [8]. Zalecane są w tej sytuacji dwa rozwiązania: zastosowanie bezpiecznika jako zabezpieczenia przed wyłącznikiem patrząc od strony źródła zasilania, zastosowanie wyłącznika instalacyjnego selektywnego (rys. 12). Wyłącznik instalacyjny selektywny jest przeznaczony zasadniczo do stosowania jako zabezpieczenie przelicznikowe w instalacjach domowych i podobnych (rys. 13). Tor prądowy główny wyłącznika (rys. 12) jest zbocznikowany torem równoległym, w którym znajdują się szeregowo połączone: szybki wyzwalacz bimetalowy B2, rezystor R ograniczający wartość prądu zwarciowego i zestyk K2. W przypadku powstania zwarcia w jednym z obwodów instalacji odbiorczej (rys. 13) wyzwalacz elektromagnetyczny M otwiera zestyk K1 przerywając przepływ prądu w obwodzie głównym. Prąd zwarciowy płynie jednak nadal przez równoległy tor prądowy B2 – R – K2, przy czym rezystor R ogranicza znacznie jego wartość. Jest to czas wystarczający na selektywne wyłączenie zwarcia przez wyłącznik w dotkniętym zwarciem obwodzie odbiorczym. Po wyłączeniu zwarcia na przekaźniku S pojawia się pełne napięcie fazowe i przekaźnik ten zamyka otwarty wcześniej zestyk K1, przywracając prawidłowe zasilanie pozostałym obwodom instalacji odbiorczej. Rys. 12. Schemat układu połączeń jednego bieguna wyłącznika instalacyjnego selektywnego typu S90 [1]; wyjaśnienie oznaczeń w tekście 5 3 3 5 5 3 3 5 Wewnętrzna linia zasilająca 1 (WLZ 1) WS WS Wyłącznik instalacyjny selektywny jako zabezpieczenie przedlicznikowe 5 5 3 Rozdzielnica mieszkaniowa 3 5 Szafka licznikowa Instalacja odbiorcza 3 kWh WS WS kWh 5 3 WLZ 2 WLZ 3 5 3 5 3 3 5 3 3 5 3 Obwody 5 R 3 Obwody administracyjne Rozdzielnica główna budynku 5 (4) 3 Złącze 4 Sieć rozdzielcza nn Rys. 13. Przykładowe miejsce umieszczenia wyłączników instalacyjnych selektywnych WS, jako zabezpieczeń przedlicznikowych w wielorodzinnym budynku mieszkalnym Jeśli jednak w ciągu krótkiego czasu podtrzymania prądu w równoległym torze prądowym B2 – R – K2, (rząd od ułamka sekundy do kilku sekund) prąd zwarciowy nie zostanie wyłączony przez wyłącznik instalacyjny w instalacji odbiorczej np. wskutek jego uszkodzenia, to wyzwalacz B2 spowoduje otwarcie zestyku K2 i ostateczne przerwanie obwodu. Podobnie wyłącznik selektywny wyłączy obwód w przypadku zwarcia na odcinku pomiędzy miejscem jego zainstalowanie a rozdzielnicą mieszkaniową. Stosowanie w miejscu zainstalowania wyłączników WS (rys. 13) zwykłych wyłączników instalacyjnych, lecz o większym prądzie znamionowym w praktyce nie zapewnia selektywności, gdyż jak już wyjaśniono warunek selektywności prądowej w tym przypadku jest niezwykle trudny do spełnienia. Niestety, można się stosunkowo często spotkać z takimi rozwiązaniami, co może jedynie świadczyć o ewidentnych błędach popełnianych przez projektantów. Selektywność w układzie wyłącznik-bezpiecznik Innym często stosowanym rozwiązaniem układu zabezpieczeń w instalacjach mieszkaniowych jest stosowanie bezpiecznika jako zabezpieczenia przedlicznikowego, jak to widać na dwóch górnych odpływach do instalacji odbiorczych na rysunku 13. Układ ten jest układem o selektywności względnej, zależnej od wartości maksymalnego spodziewanego prądu zwarciowego. Problem polega na tym, że charakterystyka wyłącznika W w każdej sytuacji będzie miała obszar wspólny z charakterystyką bezpiecznika F (rys. 14), gdyż czas wyłączenia wyłącznika tw ma w przybliżeniu stałą wartość, natomiast czasy wyłączenia dla wyłącznika maleją sukcesywnie wraz ze wzrostem wartości prądu zwarciowego. t F W F wyzwalcz zimny tA 1s wyzwalcz nagrzany W wspólny obszar działania W i F tF IK tW IG IKmax1 Igr IKmax2 IK Rys. 14. Charakterystyki prądowo-czasowe układu zabezpieczeń wyłącznik (W)-bezpiecznik (F); Igr – graniczny prąd selektywności układu, IKmax1 – przykładowy maksymalny prąd zwarciowy dla którego układ jest selektywny, IKmax2 – przykładowy maksymalny prąd zwarciowy dla którego układ nie jest selektywny; pozostałe oznaczenia jak na poprzednich rysunkach bądź wyjaśnione w tekście Jeśli przykładowo w jednym z obwodów instalacji odbiorczej maksymalny spodziewany prąd zwarciowy będzie miał wartość IKmax1 (rys. 14), to w tym przypadku układ będzie działał selektywnie. Jeśli natomiast prąd ten przekroczy graniczną wartość prądu Igr na przecięciu się obydwu charakterystyk, jak to jest przykładowo w przypadku prądu IKmax2, to układ nie będzie układem selektywnym. W tej sytuacji jest to jedynie kwestią przypadku jak przy konkretnych prądach zwarciowych, które mogą być równe maksymalnemu IKmax2 bądź od niego znacznie mniejsze, czy układ zadziała selektywnie czy też nie. Ponadto charakterystyki prądowo-czasowe wyłącznika i bezpiecznika powinny być rozsunięte na określoną wartość czasu tA (margines bezpieczeństwa), jak to uwidoczniono na rysunku 14. Większość producentów wyłączników instalacyjnych podaje obecnie wartości prądu granicznego Igr (rys. 14) z punktu widzenia selektywnego działania układu wyłącznik instalacyjny-bezpiecznik, dla określonych typów bezpieczników, zwykle gL lub gG. Przykładowe wartości takich prądów granicznych podano w tabeli 2. Przykładowo dla wyłącznika o prądzie znamionowym INW = 16 A i bezpiecznika o prądzie znamionowym INF = 25 A układ zabezpieczenia jest selektywny dla prądów zwarciowych do 0,68 kA. Dla prądów przekraczających tę wartość układ nie zapewnia selektywności. Tabela 2. Graniczne wartości prądów zwarciowych (Igr rys. 14) w kA, przy których spełnione są jeszcze warunki selektywnego działania zabezpieczeń zwarciowych o układzie bezpiecznik-wyłącznik instalacyjny typu S190B INW [A] Układ INF 25 35 50 63 80 6 1,0 1,7 3,0 3,5 6 10 0,78 1,4 2,7 3,3 6 13 0,74 1,4 2,2 3,1 5,5 16 0,68 1,4 2,2 3,1 4,5 20 0,65 1,28 2,1 2,9 3,8 25 1,23 1,9 2,9 3,2 32 1,84 2,85 2,8 40 2,7 2,4 50 63 Prąd zwarcia w kA INW – prąd znamionowy ciągły wyłącznika INF – prąd znamionowy bezpiecznika typu gG 100 6 6 6 6 6 6 5 4 4 4 125 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 160 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 połączeń INF IK Problem takiego rozwiązania układu zabezpieczenia jest szczególnie trudny w krajowych realiach zasilania budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej, gdy dostawca energii określa wartość bezpiecznika przedlicznikowego w oparciu o moc zamówioną przez odbiorcę. W takiej sytuacji projektant staje niejednokrotnie przed trudnym dylematem zapewnienia selektywności układu, nie mogąc zwiększyć prądu znamionowego bezpiecznika ponad wartość wskazaną przez spółkę dystrybucyjną. Pożądane byłoby, aby parametry zabezpieczeń nadprądowych w instalacji wynikały z wymogów technicznych jej wymiarowania, do których należy m.in. warunek selektywnego działania zabezpieczeń [10]. Przykładowo w Niemczech jest powszechnie przyjęte, że bezpiecznik przedlicznikowy nie powinien mieć wartości mniejszej niż 63 A, przez co zapewnia się selektywne działanie zabezpieczeń dla typowych układów zasilania. Selektywność w układzie bezpiecznik - wyłącznik Warunki selektywności czasowo-prądowej w układzie bezpiecznik-wyłącznik przedstawiono na rysunku 15. Brak części wspólnych charakterystyk prądowo-czasowych oraz zastosowanie odpowiedniego marginesu bezpieczeństwa czas tA (rys, 15) zapewnia selektywność. Uzyskanie selektywności w tym przypadku nie jest trudne do uzyskania w praktyce. Taki zestaw zabezpieczeń spotykany jest najczęściej w instalacjach przemysłowych, gdzie po stronie niskiego napięcia transformatora jest wyłącznik, natomiast wiele pól odpływowych jest zabezpieczone bezpiecznikami. t W F W wyzwalcz zimny wyzwalcz nagrzany tA tA F IK1 odbiorniki 0,1s dla wyzw. elektronicznych 0,15 s dla wyzw. elektromagnetycznych tW tF IG1 IK1 IG2 IK Rys. 15. Charakterystyki prądowo-czasowe zabezpieczeń układu bezpiecznik-wyłącznik, ilustrujące warunek selektywnego działania; objaśnienie oznaczeń jak na poprzednich rysunkach Selektywność w układzie bezpiecznik - bezpiecznik Generalnym warunkiem selektywnego działania zabezpieczenia bezpiecznik (F1) – bezpiecznik (F2) (rys. 16) jest brak części wspólnych charakterystyk prądowo-czasowych obydwu połączonych szeregowo bezpieczników. Z przedstawionych na rysunku 7 charakterystyk bezpieczników widać, że pasma charakterystyk bezpieczników o sąsiadujących ze sobą wartościach prądów znamionowych zachodzą na siebie. Wynika stąd, że zastosowane jako F1 i F2 (rys. 16) dwa bezpieczniki o kolejnych prądach znamionowych nie zapewniają selektywności. Dopiero bezpieczniki o co drugim prądzie znamionowym, tak jak to zestawiono na górnej i dolnej części rysunku 7, zapewniają selektywne działanie układu F1 – F2. W praktyce sprowadza się to do spełnienia warunku : I NF 2 1,6 , I NF 1 (4) gdzie INF1 , INF2 – prądy znamionowe bezpieczników F1 i F2. Zależność (4) jest słuszna jeśli porównujemy ze sobą bezpieczniki tego samego typu. Porównanie prądów znamionowych bezpieczników różnych typów, np. gL i gG może prowadzić do błędnych wniosków co do selektywności układu. Jeżeli prąd zwarciowy w zabezpieczanym obwodzie jest na tyle duży, że dochodzi do ograniczenia prądu zwarciowego przez bezpiecznik, to czasy wyłączenia są krótsze od jednego okresu częstotliwości sieciowej, czyli krótsze od 10 ms, a tym samym trudno jest w tym zakresie oceniać selektywność na podstawie charakterystyki prądowo-czasowej, gdyż jest to zakres czasu na jej obrzeżu. Dlatego w takich sytuacjach należy posługiwać się charakterystykami całek Joule’a I2t bezpieczników (rys. 8), lub bezpośrednio porównaniem wartości całek Joule’a: I 2 t ( F 2) I 2 t ( F1) . (5) Charakterystyki pasmowe całek Joule’a bezpieczników o sąsiednich wartościach prądów znamionowych zwykle mają pola wspólne (rys. 8), stąd dobór taki sprowadza się zwykle do uwzględnienia bezpieczników o co najmniej drugim z kolei prądzie znamionowym. Przykładowo z charakterystyk przedstawionych na rysunku 8 wynika, że bezpiecznik o INF = 25 A nie jest selektywny z bezpiecznikiem o INF = 35 A, natomiast jest selektywny z bezpiecznikiem o INF = 50 A. F1 t F2 F2 F1 IK1 odbiorniki tF2 tF1 IK1 IK Rys. 16. Charakterystyki prądowo-czasowe zabezpieczeń układu bezpiecznik (F1) – bezpiecznik (F2), ilustrujące warunek selektywnego działania; tF1, tF2 – zakres czasów wyłączenia prądu zwarciowego IK1 odpowiednio dla bezpieczników F1 i F2 Charakterystyki całek Joule’a są określone również dla wyłączników, przy czym są to charakterystyki rosnące liniowo w osiach log/log. Na rysunku 8 przedstawiono charakterystyki całki Joule’a wyłączania wyłączników instalacyjnych. Punkt przecięcia się tych charakterystyk z charakterystykami przedłukowymi bezpieczników oznacza maksymalną wartość prądu zwarciowego, dla którego układ wyłącznik-bezpiecznik (jak na rysunku 14) jest selektywny. Przykładowo wyłącznik W16 jest selektywny z bezpiecznikiem o INF = 35 A dla prądów zwarciowych do ok. 1,5 kA. Selektywność działania zabezpieczeń w obwodach rozgałęzionych, wielostronnie zasilanych Obwody wielostronnie zasilane są rzadko spotykane w instalacjach niskiego napięcia, niemniej jednak sporadycznie można się spotkać z zagadnieniem sprawdzenia w nich selektywności. Analizę taką przeprowadza się zwykle rozpatrując kilka linii zasilających jeden węzeł sieci, z którego zasilany jest rozpatrywany fragment instalacji (rys. 17). Warunek selektywnego działania zabezpieczeń polega w tym przypadku na przepaleniu się bezpieczników F4 i F7 (rys. 17), znajdujących się najbliżej miejsca zwarcia, przy pozostałych bezpiecznikach sprawnych. Spełniona jest przy tym relacja: I K 4 I K1 I K 2 I K 3 , oraz I K7 I K5 I K6 . (6) Selektywność będzie zachowana, jeśli spełniony będzie następujący warunek [2]: I K1 I K 2 I K 3 , , 0,8 IK4 IK4 IK4 (7a) I K5 I K6 , 0,8 , IK7 IK7 (7b) dla prądu IK4, oraz dla prądu IK7. F1 F6 IK1 F2 IK6 F4 IK2 IK3 F3 IK4 IK7 F7 IK5 F5 Rys. 17. Układ ilustrujący zasadę selektywności w obwodach rozgałęzionych, wielostronnie zasilanych. W przypadku zabezpieczenia układów wielostronnie zasilanych wyłącznikami, selektywność uzyskuje się przez zastosowanie zasad selektywności czasowej oraz z wykorzystaniem kierunku przepływu prądu zwarciowego. Podsumowanie Selektywne działanie zabezpieczeń nadprądowych w instalacjach elektrycznych jest jednym z warunków ich prawidłowego zaprojektowania i funkcjonowania. W artykule omówiono wybraną grupę podstawowych kryteriów wymiarowania instalacji dotyczącą spełnienia tych warunków.
