Problemy wymiarowania i koordynacji zabezpieczeń w instalacjach elektrycznych

Przewody łączące odbiorniki energii elektrycznej z źródłem zasilania powinny być zabezpieczone przed skutkami przeciążeń i zwarć przez urządzenia zabezpieczające, samoczynnie wyłączające zasilanie w przypadku przeciążenia lub zwarcia.

Rozróżnia się trzy rodzaje urządzeń zabezpieczających:

  • urządzenia zabezpieczające jednocześnie przed prądem przeciążeniowym i przed prądem zwarciowym (zabezpieczenia przeciążeniowo-zwarciowe). Tego rodzaju urządzeniami mogą być:
    • wyłączniki wyposażone w wyzwalacze przeciążeniowe termobimetalowe i wyzwalacze zwarciowe elektromagnetyczne
    • wyłączniki współpracujące z bezpiecznikami topikowymi
    • bezpieczniki topikowe ogólnego przeznaczenia z pełnozakresową charakterystyką wyłączania
    • wyłączniki wyposażone w wyzwalacze przeciążeniowe i dobezpieczeniowe wkładki topikowe
  • urządzenia zabezpieczające tylko przed prądem przeciążeniowym (zabezpieczenia przeciążeniowe). Tego rodzaju urządzeniami mogą być:
    • wyłączniki wyposażone w wyzwalacze przeciążeniowe termobimetalowe
    • bezpieczniki topikowe ogólnego przeznaczenia z pełnozakresową charakterystyką wyłączania
  • urządzenia zabezpieczające tylko przed prądem zwarciowym (zabezpieczenia zwarciowe). Tego rodzaju urządzeniami mogą być:
    • wyłączniki wyposażone w wyzwalacze zwarciowe elektromagnetyczne
    • bezpieczniki topikowe ogólnego przeznaczenia z pełnozakresową charakterystyką wyłączania
    • wkładki topikowe dobezpieczeniowe z niepełnozakresową charakterystyką wyłączania

Zabezpieczenia przeciążeniowe

Zabezpieczenia przeciążeniowe powinny być tak dobrane, aby wyłączenie zasilania (przerwanie prądu przeciążeniowego) nastąpiło zanim wystąpi niebezpieczeństwo uszkodzenia izolacji, połączeń, zacisków lub otoczenia na skutek nadmiernego wzrostu temperatury.
Zabezpieczenie przeciążeniowe przewodów powinno spełniać następujące warunki:

gdzie:

IB prąd obliczeniowy w obwodzie elektrycznym (prąd obciążenia przewodów),
Izobciążalność prądowa długotrwała przewodu,
Inprąd znamionowy urządzeń zabezpieczających (lub nastawiony prąd urządzeń zabezpieczających),
I2prąd zadziałania urządzeń zabezpieczających.

Prąd zadziałania urządzeń zabezpieczających I2 należy określać jako krotność prądu znamionowego In wyłącznika lub bezpiecznika według zależności:

gdzie:

k2 współczynnik krotności prądu powodującego zadziałanie urządzenia zabezpieczającego przyjmowany jako równy: 1,6÷2,1 dla wkładek bezpiecznikowych 1,45 dla wyłączników nadprądowych o charakterystyce B, C i D

Mniejsza wartość współczynnika k2 dla wyłączników w stosunku do bezpieczników oznacza, że wyłączniki mają lepiej dopasowane charakterystyki czasowo-prądowe do zabezpieczania przewodów przed przeciążeniem, co pozwala na stosowanie przewodów o mniejszej obciążalności prądowej długotrwałej, a więc o mniejszym przekroju, przy zabezpieczaniu ich wyłącznikami nadprądowymi.

  • Zabezpieczenia przeciążeniowe powinny być zainstalowane przed punktem, w którym następuje:
    • zmiana przekroju przewodów na mniejszy
    • zmiana rodzaju przewodów na przewody o mniejszej obciążalności prądowej długotrwałej
    • zmiana sposobu ułożenia przewodów lub budowy instalacji, pogarszająca warunki chłodzenia
  • Zabezpieczenia przed prądem przeciążeniowym nie są wymagane w następujących przypadkach:
    • przewody znajdujące się za miejscem zmniejszenia obciążalności prądowej długotrwałej (zmiana przekroju, rodzaju, sposobu ułożenia przewodów lub budowy instalacji) przewodów są skutecznie zabezpieczone od strony zasilania przed prądem przeciążeniowym
    • w przewodach nie przewiduje się występowania prądów przeciążeniowych, a przewody te nie mają żadnych rozgałęzień, przyłączonych gniazd wtyczkowych i są skutecznie
      zabezpieczone przed zwarciami
    • w miejscach zmiany przekroju, rodzaju, sposobu ułożenia przewodów lub budowy instalacji powodujących zmniejszenie obciążalności prądowej długotrwałej przewodów, jeżeli długość przewodów nie przekracza 3 m i nie mają one rozgałęzień, przyłączonych gniazd wtyczkowych i nie znajdują się w pobliżu materiałów łatwopalnych, a wykonanie instalacji ogranicza do minimum powstanie zwarcia.

Zabezpieczenia zwarciowe

Zabezpieczenia zwarciowe powinny być tak dobrane, aby wyłączenie zasilania (przerwanie prądu zwarciowego) nastąpiło zanim wystąpi niebezpieczeństwo uszkodzeń cieplnych
i mechanicznych w przewodach lub ich połączeniach.

Przewidywana (spodziewana) wartość prądu zwarciowego w miejscu instalowania zabezpieczeń powinna być określona metodami obliczeniowymi lub za pomocą pomiarów.

Zabezpieczenie zwarciowe powinno mieć zdolność do przerywania prądu zwarciowego o wartości większej od przewidywanego (spodziewanego) prądu zwarciowego.

Dopuszcza się, aby ta zdolność była mniejsza, ale tylko w tym przypadku gdy:

  • od strony zasilania znajduje się inne zabezpieczenie zwarciowe, o wystarczającej zdolności przerywania prądu zwarciowego
  • przewody i urządzenia za tym zabezpieczeniem wytrzymują przepływ przewidywanego (spodziewanego) prądu zwarciowego bez uszkodzeń (energia przenoszona przez urządzenia zabezpieczające, powinna być mniejsza od energii, jaką mogą wytrzymać bez uszkodzenia urządzenia i przewody znajdujące się za danym urządzeniem zabezpieczającym, patrząc od strony zasilania)

Czas przepływu prądu zwarciowego powinien być taki, aby temperatura przewodów nie przekroczyła wartości dopuszczalnej temperatury granicznej, jaką mogą osiągnąć przewody przy zwarciu. Dla prądów zwarciowych o czasie trwania nie przekraczającym 5 s, czas potrzebny do podwyższenia temperatury przewodu od temperatury dopuszczalnej długotrwale do temperatury granicznej dopuszczalnej przy zwarciu, można w przybliżeniu obliczyć ze wzoru:

gdzie:

t czas w sekundach,
S przekrój przewodu w mm2,
I wartość skuteczna prądu zwarciowego w A,
k współczynnik liczbowy, odpowiadający jednosekundowej dopuszczalnej gęstości prądu podczas zwarcia, o wartości: 143 dla przewodów Cu z izolacją z polietylenu usieciowanego, etylenu-propylenu lub gumy 115 dla przewodów Cu z izolacją z PVC 94 dla przewodów Al z izolacją z polietylenu usieciowanego, etylenu-propylenu lub gumy 76 dla przewodów Al z izolacją z PVC

W przypadku bardzo krótkich czasów, mniejszych od 0,1 s, przy których duże znaczenie ma składowa nieokresowa oraz dla urządzeń ograniczających wartość prądu, iloczyn k2S2 powinien mieć wartość większą od wartości energii I2t , którą według producenta może przenieść urządzenie zabezpieczające.

Zabezpieczenia zwarciowe powinny być zainstalowane przed punktem, w którym następuje:

  • zmiana przekroju przewodów na mniejszy
  • zmiana rodzaju przewodów na przewody o mniejszej obciążalności prądowej długotrwałej
  • zmiana sposobu ułożenia przewodów lub budowy instalacji, pogarszająca warunki chłodzenia

Dopuszcza się inne usytuowanie zabezpieczeń zwarciowych w dwu następujących przypadkach:

  • gdy przewody znajdujące się za miejscem obniżenia obciążalności prądowej długotrwałej są skutecznie chronione przez inne, usytuowanie bliżej zasilania, zabezpieczenie zwarciowe
  • gdy po zmianie przekroju przewodów spełnione są trzy następujące warunki:
    • odcinek oprzewodowania o mniejszym przekroju ma długość nie przekraczającą 3 m
    • odcinek jest wykonany w sposób ograniczający do minimum powstanie zwarcia (np. przez dodatkowe zabezpieczenie przewodów przed wpływami zewnętrznymi)
    • odcinek nie znajduje się w pobliżu materiałów łatwopalnych

Zabezpieczenia przeciążeniowo-zwarciowe

Zabezpieczenia przeciążeniowo-zwarciowe mogą być wykonane dwoma sposobami:

  • przez wspólne urządzenie. Jeżeli zabezpieczenie przed prądem przeciążeniowym ma zdolność przerywania przepływu prądu o wartości nie mniejszej od wartości spodziewanego prądu zwarciowego, mogącego wystąpić w miejscu wymaganego zainstalowania zabezpieczenia zwarciowego, to może być ono traktowane jako zabezpieczenie przed prądem zwarciowym przewodów znajdujących się za tym zabezpieczeniem, patrząc od strony zasilania
  • przez osobne urządzenia. Wymagania dotyczące zabezpieczeń przeciążeniowych i zabezpieczeń zwarciowych powinny mieć tak skoordynowane charakterystyki, aby energia przenoszona przez zabezpieczenie zwarciowe, była nie większa od energii, którą może bez uszkodzenia przenieść zabezpieczenie przeciążeniowe.

Zabezpieczenia przewodów fazowych

Zabezpieczenie przed prądem przetężeniowym powinno być stosowane we wszystkich przewodach fazowych i w zasadzie powinno przerywać prąd tylko w przewodzie, w którym przetężenie wystąpiło. Przerywanie prądu we wszystkich fazach jest wymagane w przypadkach, gdy przerwa prądu w jednym przewodzie może spowodować powstanie zagrożenia, np. w przypadku silników trójfazowych.

Zabezpieczenie przewodu neutralnego N w układzie sieci TT i TN

Jeżeli przekrój przewodu neutralnego N jest co najmniej równy lub równoważny przekrojowi przewodów fazowych, nie wymaga się stosowania w tym przewodzie zabezpieczeń przetężeniowych i wyposażania go w urządzenia do przerywania przepływu prądu.

Jeżeli przekrój przewodu neutralnego N jest mniejszy niż przekrój przewodów fazowych, wymagane jest zastosowanie w tym przewodzie zabezpieczenia przetężeniowego, odpowiedniego do jego przekroju. W przewodzie neutralnym można nie stosować zabezpieczeń przetężeniowych, jeżeli są spełnione dwa warunki:

  • przewód neutralny jest zabezpieczony przed prądem zwarciowym przez zabezpieczenia usytuowane w przewodach fazowych
  • największa wartość prądu w przewodzie neutralnym przewidywana w normalnych warunkach pracy, jest wyraźnie mniejsza od obciążalności prądowej długotrwałej dla tego przewodu

Rozłączanie i załączanie przewodu neutralnego

Jeżeli przewiduje się rozłączanie i załączanie przewodu neutralnego, to rozłączanie przewodu neutralnego nie powinno następować wcześniej niż przewodów fazowych, a załączanie przewodu neutralnego powinno następować jednocześnie lub wcześniej niż przewodów fazowych.

Selektywność (wybiórczość) zabezpieczeń

Urządzenia zabezpieczające powinny działać w sposób selektywny (wybiórczy), to znaczy w przypadku uszkodzeń wywołujących przetężenie powinno działać tylko jedno zabezpieczenie, zainstalowane najbliżej miejsca uszkodzenia w kierunku źródła zasilania. Działanie zabezpieczenia powinno spowodować wyłączenie uszkodzonego odbiornika lub obwodu, zachowując ciągłość zasilania odbiorników i obwodów nieuszkodzonych.

Zabezpieczenia przetężeniowe działają selektywnie (wybiórczo), jeżeli ich pasmowe charakterystyki czasowo-prądowe nie przecinają się ani nie mają wspólnych obszarów działania.

Literatura

  • Boczkowski A., Siemek S., Wiaderek B.: Nowoczesne elementy zabezpieczeń i środki ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach elektrycznych do 1 kV. Wskazówki do projektowania i montażu. Warszawa COBR „Elektromontaż” 1992.
  • Boczkowski A., Giera M., Lenartowicz R.: Instalacje elektryczne. Warunki techniczne
    z komentarzami. Wymagania odbioru i eksploatacji. Przepisy prawne i normy.
    Wydanie IV. Warszawa, COBO-Profil, 2005.
  • Gąsowski H., Jabłoński W., Niestępski S., Wolski A.: Komentarz do normy PN-IEC 60364 „Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych”. Tom 1. Warszawa, COSIW SEP, 2001.
  • Jabłoński W., Niestępski S., Wolski A.: Komentarz do normy PN-IEC 60364 „Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych”. Tom 2. Warszawa, COSIW SEP 2004.
  • Markiewicz H.: Instalacje elektryczne. Wydanie VI. Warszawa, WNT 2005.
  • Instalacje elektryczne i teletechniczne. Poradnik montera i inżyniera elektryka. Warszawa, Verlag Dashöfer.
  • Modernizacja instalacji elektrycznych w budynkach mieszkalnych. Wytyczne projektowania. Wrocław, PCPM 2004.
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.
PN-IEC 60364-5-523:2001 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych.
Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Obciążalność prądowa długotrwała przewodów.
N SEP-E-002 Norma SEP. Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Instalacje elektryczne w obiektach mieszkalnych. Podstawy planowania.
  • Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002r., w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. nr 75 z 2002r., poz. 690; Dz. U. nr 33 z 2003r., poz. 270; Dz. U. nr 109 z 2004r., poz. 1156).

Konferencja naukowa “Zabezpieczenia obwodów elektrycznych za pomocą bezpieczników topikowych” w Poznaniu 21.06.2005

mgr inż. Andrzej Boczkowski
Stowarzyszenie Elektryków Polskich
Sekcja Instalacji i Urządzeń Elektrycznych