Bezpieczniki w nowoczesnych układach zabezpieczeń.pdf

Dr inż. Edward MUSIAŁ

Katedra Elektroenergetyki

Politechnika Gdańska

B E Z P I E C Z N I K I

W NOWOCZESNYCH UKŁADACH

ZABEZPIECZEŃ URZĄDZEŃ NISKIEGO NAPIĘCIA

Referat przedstawia główne charakterystyki i parametry bezpieczników ważne ze względu na ich dobór do róż-

norodnych warunków pracy. Prezentuje też ważniejsze klasy bezpieczników i ich przeznaczenie oraz podstawo-

we zasady doboru bezpieczników wraz z przykładami liczbowymi.

1. Wstęp

Bezpieczniki są chronologicznie najstarszymi zabezpieczeniami stosowanymi w urzą-

dzeniach elektroenergetycznych. Zabezpieczają przed przetężeniami, przede wszystkim przed

skutkami zwarć, bo ich przydatność jako zabezpieczeń przeciążeniowych jest ograniczona.

W porównaniu z bezpiecznikami wyłączniki są droższe, ale lepiej zachowują się w roli

zabezpieczeń przeciążeniowych, a mogą też samoczynnie reagować na inne stany anormalne,

jak zanik napięcia, prąd różnicowy, odwrócenie kierunku przepływu mocy itd. Pomimo takiej

konkurencji nie następuje odwrót od bezpieczników, nadal są one produkowane w ogromnych

ilościach i są stosowane w nowych urządzeniach, również w urządzeniach stawiających naj-

wyższe wymagania co do ciągłości pracy. Konstrukcje bezpieczników i aparatów zespolo-

nych z bezpiecznikami nadal są doskonalone i pojawiają się nowe śmiałe rozwiązania pozwa-

lające sądzić, że przyszłość bezpieczników nie jest zagrożona [3].

Liczne są tego powody. Bezpieczniki są tańsze, za ich pomocą łatwiej uzyskać dużą

zdolność wyłączania i silny efekt ograniczania prądu zwarciowego i łatwo zapewnić wybior-

cze działanie aparatów zainstalowanych na kolejnych stopniach zabezpieczeń. Charakterysty-

ki bezpieczników są precyzyjnie kształtowane odpowiednio do konkretnych zastosowań i w

większości zastosowań są odporne na procesy starzeniowe. Bezpieczniki wcale nie są dziś

uważane za zamiennik wyłącznika w mniej odpowiedzialnych zastosowaniach.

Aby w pełni wykorzystywać możliwości, jakie oferują nowoczesne bezpieczniki, pro-

jektanci oraz użytkownicy powinni mieć dobre rozeznanie w ich asortymencie, poprawnie

interpretować ich parametry i charakterystyki, a także biegle posługiwać się licznymi charak-

terystykami, które dawniej nie miały tak dużego znaczenia.

2. Główne cechy konstrukcyjne i podstawowe charakterystyki

Na działanie, parametry i jakość bezpiecznika wpływają wszystkie jego części składo-

we, ale wpływ decydujący mają topik, gasiwo i korpus. Materiał i ukształtowanie topika oraz

rodzaj gasiwa decydują o przebiegu charakterystyki czasowo-prądowej (charakterystyki t-I ),

całki Joule’a przedłukowej I 2 t p i całki Joule’a wyłączania I 2 t w oraz zdolności wyłączania.

t p

t w

Rys. 1. Pasmowa charakterystyka czasowo-

prądowa wkładki bezpiecznikowej

t p – czas przedłukowy; t w – czas wyłączania

I n

I nf

Najbardziej znaną charakterystyką bezpiecznika jest charakterystyka czasowo-prądo-

wa t-I , przedstawiająca czas działania t w funkcji prądu I . Jest to charakterystyka zależna,

typowa dla aparatów o cieplnej zasadzie działania: im większy prąd, tym krótszy czas działa-

nia. Pełna, pasmowa charakterystyka czasowo-prądowa (rys. 1, rys. 2) jest ograniczona

dwiema krzywymi: od dołu linią najmniejszych czasów przedłukowych t p , a od góry − linią

największych czasów wyłączania t w . Na osi odciętych podaje się wartość skuteczną prądu, a

ściślej – co jest ważne w zakresie dużych prądów – wartość skuteczną składowej okresowej

prądu spodziewanego (zwarciowego), tzn. bez uwzględnienia ewentualnego efektu ogranicza-

jącego w wyniku zadziałania bezpiecznika.

Rys. 2. Przykładowe pasmowe charakterystyki czasowo-prądowe wkładek bezpiecznikowych pełno-

zakresowych ogólnego przeznaczenia (gG) ETI-POLAM

Zwraca uwagę, że asymptotą charakterystyki bynajmniej nie jest linia wyznaczająca

prąd znamionowy wkładki I n , lecz − linia wyznaczająca prąd graniczny dolny I nf (prąd nieza-

działania), większy od prądu znamionowego co najmniej o 25 %. To ważny powód, dla któ-

rego bezpiecznik jest miernym zabezpieczeniem przeciążeniowym, zwłaszcza odbiorników;

w ogóle nie reaguje na znaczne przeciążenia, rzędu 25-50 %.

Dawniej charakterystyki czasowo-prądowe rysowano również w zakresie dużych prą-

dów zwarciowych i najkrótszych czasów, ale jest to mało sensowne, bo w tym zakresie na

obu osiach występują fikcyjne, umowne wartości zarówno prądu, jak i czasu i z punktu wi-

dzenia fizykalnego zależność t-I niewiele wtedy wyjaśnia i jej praktyczna użyteczność jest

żadna. Obecnie charakterystyki czasowo-prądowe urywa się od dołu na ogół na poziomie

0,1 s (rys. 3, rys. 4). W zakresie krótszych czasów i większych prądów miarodajne są charak-

terystyki całki Joule’a I 2 t-I .

W kierunku dłuższych czasów i mniejszych prądów charakterystykę czasowo-prądową

można dowolnie przedłużać (np. do czasu 1…2 h) w przypadku bezpieczników o pełnoza-

kresowej zdolności wyłączania , nazywanych też w skrócie bezpiecznikami pełnozakreso-

wymi i oznaczanych literą g , tzn. takich, które poprawnie wyłączają dowolnie mały prąd prze-

tapiający topik (rys. 2, rys. 3). Niełatwo to zapewnić, zwłaszcza w przypadku bezpieczników

o wyższym napięciu znamionowym. Bezpiecznik należy do aparatów łączeniowych, w któ-

rych elektryczny łuk wyłączeniowy sam stwarza warunki sprzyjające jego zgaszeniu (łuk sa-

mobójca). W takich aparatach występuje zakres prądów krytycznych, przy prądach wyłącze-

niowych znacznie mniejszych od znamionowego prądu wyłączalnego (zdolności wyłączania)

czas łukowy wydłuża się i zamiast do wyłączenia może dojść do katastrofalnego cieplnego

zniszczenia wkładki bezpiecznikowej zagrażającego zabezpieczanemu obwodowi i sąsiednim

urządzeniom. Takiemu nieprawidłowemu zadziałaniu sprzyjają ostrzejsze warunki napięcio-

we przy wyłączaniu, np. w obwodach baterii kondensatorowych. Zdarzenia takie nie powinny

mieć miejsca w przypadku poprawnie dobranych bezpieczników o pełnozakresowej zdolności

wyłączania.

0,1 s

I n

I nf

I n

I bmin

Rys. 3. Charakterystyka czasowo-prądowa (li-

niowa) wkładki bezpiecznikowej o pełnozakre-

sowej zdolności wyłączania

Rys. 4. Charakterystyka czasowo-prądowa (li-

niowa) wkładki bezpiecznikowej o niepełnoza-

kresowej zdolności wyłączania

(część przedstawiona linią przerywaną na ogół

nie jest uwidoczniona w katalogach – por. rys. 5)

I bmin – najmniejszy prąd wyłączalny

Są też na rynku bezpieczniki o niepełnozakresowej zdolności wyłączania (oznaczone

literą a ), dla których wytwórca podaje najmniejszy prąd wyłączalny I bmin , nie większy niż 4-

krotny prąd znamionowy wkładki bezpiecznikowej, nie dając żadnej gwarancji, jak wkładka

zachowa się przy ewentualnej próbie wyłączania mniejszego prądu. Charakterystyka czaso-

wo-prądowa wkładek a od góry urywa się przy najmniejszym prądzie wyłączalnym (rys. 4,

rys. 5). Wyżej można linią przerywaną podać czas przedłukowy, aby zwrócić uwagę, że po

tym czasie dojdzie do przepalenia topika i zapłonu łuku, po czym nie wiadomo, co się stanie.

Rys. 5. Przykładowe liniowe charakterystyki czasowo-prądowe wkładek bezpiecznikowych niepełno-

zakresowych do zabezpieczania silników i urządzeń rozdzielczych (aM) ETI-POLAM

Całka Joule’a I 2 t jest miarą ilości ciepła ( I 2 ⋅ R ⋅ t ) przepływającego przez wkładkę bez-

piecznikową i przez wszystkie elementy zabezpieczanego obwodu w określonym czasie, np.

w czasie przedłukowym ( I 2 t p ) i w czasie wyłączania ( I 2 t w ). Liczbowo całka Joule’a jest ener-

gią cieplną wyrażoną w dżulach, jaką prąd w rozpatrywanym obwodzie wydzieliłby na rezy-

stancji 1 oma.

Charakterystyka I 2 t-I bezpiecznika podaje zależność całki Joule’a (przedłukowej i/lub

wyłączania) od wartości skutecznej składowej okresowej prądu spodziewanego (rys. 6). Całka

Joule’a przedłukowa bezpiecznika ze wzrostem prądu spodziewanego początkowo maleje, a

w zakresie dużych prądów zwarciowych ustala się na stałym poziomie. Topik rozpada się po

przepuszczeniu ściśle określonej wartości I 2 t , zależnej od przekroju topika S z w miejscach

zwarciowych tzn. w przewężeniach, tam, gdzie jest on najmniejszy

∫

przy czym K jest stałą materiałową (stałą Meyera) przewężeń topika w przybliżeniu równą

iloczynowi temperatury topnienia, ciepła właściwego (odniesionego do jednostki objętości) i

konduktywności elektrycznej. Przekrój topika w miejscach przewężeń S z (rys. 7) jest miarą

całki Joule’a przedłukowej i charakteryzuje zdolność ograniczania prądu zwarciowego przez

bezpiecznik.

Całka Joule’a przedłukowa nie zależy od parametrów obwodu, natomiast całka wyłą-

czania (suma całki przedłukowej i całki łukowej) jest większa, jeśli wyższe jest napięcie ob-

wodu i niższy współczynnik mocy (rys. 6).

A 2 s

I 2 t

U cos ϕ

Rys. 6. Charakterystyka całki Joule’a prze-

dłukowej (krzywa 1) i całki Joule’a wyłącza-

nia (krzywe 2) wkładki bezpiecznikowej

Całka Joule’a dobrze nadaje się do analizy nagrzewania adiabatycznego (bez wymiany

ciepła z otoczeniem), które zachodzi w krótkim czasie trwania zwarcia, a jest informacją bez

praktycznego znaczenia przy długim czasie nagrzewania (małym prądem przeciążeniowym).

Zatem dla czasów krótszych niż 0,1 s podaje się charakterystykę I 2 t-I , a dla czasów dłuższych

niż 0,1 s – charakterystykę czasowo-prądową t-I . Dopiero obie charakterystyki łącznie dobrze

określają możliwości zabezpieczeniowe bezpiecznika, jeśli chodzi o ograniczanie cieplnych

skutków przeciążeń i zwarć, a także są potrzebne do badania wybiorczego działania bezpiecz-

ników w zakresie odpowiednio przeciążeniowym i zwarciowym.

Rys. 7. Przykładowe ukształtowa-

nia topików z widocznymi prze-

wężeniami [1]

Z kolei zdolność ograniczania przez bezpiecznik elektrodynamicznych skutków zwarć

przedstawia charakterystyka prądów ograniczonych i o -I czyli zależność prądu ograniczo-

nego od wartości skutecznej składowej okresowej prądu spodziewanego. Efekt ograniczający

nie występuje przy małym prądzie przetężeniowym, bezpiecznik przepuszcza pełną jego war-

tość szczytową, również pełny prąd zwarciowy udarowy (rys. 8, rys. 9). Natomiast przy od-

powiednio dużym spodziewanym prądzie zwarciowym rozpad topika następuje przed wystą-

pieniem prądu udarowego i p (rys. 10), wobec czego szczytowa wartość przepuszczonego im-

pulsu prądowego, czyli prąd ograniczony i o , jest mniejsza od szczytowej wartości prądu spo-

dziewanego i p w stosunku określonym przez stopień ograniczenia

⋅

a siły elektrodynamiczne towarzyszące przepływowi prądu zwarciowego maleją w stosunku

określonym przez wartość stopnia ograniczenia podniesioną do kwadratu . Występujący w

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: