Bezpieczniki w nowoczesnych układach zabezpieczeń.pdf
(
845 KB
)
Pobierz
11
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.
1
t
t
p
t
w
Rys. 1. Pasmowa charakterystyka czasowo-
prądowa wkładki bezpiecznikowej
t
p
– czas przedłukowy;
t
w
– czas wyłączania
I
n
I
nf
I
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-
2
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.
t
t
0,1 s
0,1 s
I
n
I
nf
I
I
n
I
bmin
I
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
3
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
t
∫
i
2
d
t
=
S
2
z
K
0
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).
4
p
A
2
s
I
2
t
U
cos
ϕ
2
Rys. 6. Charakterystyka całki Joule’a prze-
dłukowej (krzywa 1) i całki Joule’a wyłącza-
nia (krzywe 2) wkładki bezpiecznikowej
1
I
A
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
k
=
c
⋅
i
o
o
i
p
a siły elektrodynamiczne towarzyszące przepływowi prądu zwarciowego maleją w stosunku
określonym przez wartość stopnia ograniczenia podniesioną do kwadratu . Występujący w
k
2
o
5
Plik z chomika:
stephen11
Inne pliki z tego folderu:
Zabezpieczenia zwarciowe w obwodach prądu stałego(1).pdf
(58 KB)
Zabezpieczenia w stacjach transformatorowych SNnn.pdf
(5811 KB)
Wytrzymałość zwarciowa zestawu rozłącznik - bezpiecznik.pdf
(323 KB)
Wkładki topikowe z ogranicznikiem temperatury.pdf
(1926 KB)
Wkładki topikowe SN VV Thermo firmy ETI Polam.pdf
(173 KB)
Inne foldery tego chomika:
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin