Współdziałanie bezpieczników i ograniczników przepięć

Dla poprawnego funkcjonowania instalacji i urządzeń elektrycznych ważne jest skoordynowanie rozmaitych systemów zabezpieczenia i ochrony, działających na różnej zasadzie i wykorzystujących odmienne kryteria działania. Dotyczy to między innymi współdziałania zabezpieczeń nadprądowych z zabezpieczeniami podnapięciowymi i różnicowo­prądowymi oraz odgromnikami bądź ogranicznikami przepięć. Odgromniki bądź ograniczniki przepięć mogą wymagać dobezpieczenia za pomocą bezpieczników. Dobór bezpieczników i miejsca ich zainstalowania powinien uwzględniać nie tylko skuteczność dobezpieczenia, ale również konsekwencje wprowadzenia w instalacji kolejnego zabezpieczenia nadprądowego, które powinno współdziałać wybiorczo z innymi.

Ograniczniki przepięć wchodzące w skład układu ochrony przeciwprzepięciowej instalacji elektrycznej mogą wymagać koordynacji z zabezpieczeniami nadprądowymi, które dobezpieczają ograniczniki i/lub zabezpieczają urządzenia i ich obsługę przed skutkami zwarcia w ogranicznikach.

W instalacjach narażonych na wnikanie prądu piorunowego z zasilającej linii napowietrznej i/lub z piorunochronu, pierwszy stopień ochrony, na granicy stref ochronnych 0 i 1, wymaga ograniczników przepięć klasy I. Są to ograniczniki wyładowcze o nieciągłej charakterystyce napięciowo-prądowej, ucinające przepięcie, zdolne odprowadzać prądy piorunowe o kształcie udaru 10/350 µs. Instaluje się je w złączu lub w głównej rozdzielnicy i zarazem w pobliżu głównej szyny wyrównawczej obiektu. Można wyróżnić trzy stany ich działania:

  1. Stan izolowania przy napięciu roboczym, nieprzekraczającym największego napięcia trwałej pracy ogranicznika UC, kiedy rezystancja między jego zaciskami jest rzędu gigaoma.
  2. Przewodzenie prądu wyładowczego po zapłonie ogranicznika. Między jego zaciskami przepięcie narasta do poziomu udarowego napięcia zapłonu, wywołuje zapłon, po czym napięcie maleje do wartości napięcia obniżonego Ures (spadku napięcia na łuku, na ogół 10÷50 V). Odprowadzany przez ogranicznik prąd piorunowy pochodzi z fikcyjnego źródła o właściwościach zbliżonych do idealnego źródła prądu. Jest zatem wymuszeniem prądowym, którego wartość szczytowa i przebieg w czasie nie zależą od zjawisk zachodzących w ograniczniku, w bezpieczniku i w innych elementach znajdujących się na drodze jego przepływu. Co najwyżej, stwarzając równoległe drogi przepływu i odpowiednio dobierając ich impedancje udarowe można wpływać na wartość cząstkowego prądu płynącego określonym torem. Zdolność przewodzenia przez ogranicznik określoną liczbę razy prądu wyładowczego charakteryzuje znamionowy prąd wyładowczy oraz największy (graniczny) prąd wyładowczy o umownym kształcie udaru T1/T2 (czas czoła/czas grzbietu).
  3. Wyłączanie prądu następczego, który w przestrzeni międzyelektrodowej, uprzednio zjonizowanej przez prąd wyładowczy, płynie pod działaniem napięcia roboczego. Prąd następczy jest równy spodziewanemu prądowi zwarciowemu w miejscu zainstalowania ogranicznika (przy rodzaju zwarcia odpowiadającym zwarciu biegunów, między którymi są włączone ograniczniki). Prąd następczy powinien być wyłączony przez sam ogranicznik przy pierwszym naturalnym przejściu przez zero, zatem czas jego przepływu w sieci 50 Hz nie powinien przekraczać 10 ms. Zdolność wyłączania prądu następczego If jest związana z przebiegiem spodziewanego napięcia powrotnego TRV. Zwykłe ograniczniki przepięć, wtrącając do obwodu rezystancję łuku, nieznacznie zmniejszają wartość prądu następczego i jego skutek cieplny I2t. Przed rokiem 2000 zaczęły pojawiać się konstrukcje coraz silniej ograniczające prąd następczy oraz jego skutek cieplny i wykazujące bardzo dużą zdolność wyłączania prądu następczego If.

Poziom ochrony

I

II

III i IV

Wartość szczytowa prądu IG

kA

200

150

100

Całka Joule’a PG

kA2s

10000

5600

2500

Tablica 1. Obliczeniowe parametry prądu piorunowego 10/350  µs w zależności od poziomu ochrony

Znamionowy i graniczny prąd wyładowczy ogranicznika tak się dobiera zależnie od stopnia ochrony (tabl. 1), aby prawdopodobieństwo ich przekroczenia było dostatecznie małe, ale ze względu na rozkład losowy parametrów piorunów i znikome, ale niezerowe prawdopodobieństwo wystąpienia wartości większych, wykluczyć tego nie można. Trzeba się liczyć z możliwością uszkodzenia ogranicznika, również ze zwarciem elektrod, na co powinno zareagować poprzedzające zabezpieczenie nadprądowe. Do zwarcia elektrod może też dojść w następstwie stopniowego ich zużywania się, po wielokrotnym przepływie prądu wyładowczego o wartości zbliżonej do znamionowej.

Rys. 1. Rozpływ prądu piorunowego przy bezpośrednim uderzeniu pioruna w chroniony budynek z instalacją o układzie TN

Największe narażenia ograniczników w budowlach z piorunochronem występują przy bezpośrednim uderzeniu pioruna (rys. 1). Prąd piorunowy IG dzieli się na część (1) ×IG odpływającą bezpośrednio do ziemi i część IZ= ×IG odprowadzaną przewodami zasilającej sieci elektroenergetycznej. Zakłada się, że wszystkie przewody doprowadzone do złącza w liczbie m w jednakowym stopniu w tym uczestniczą, a więc każdy odprowadza prąd

Jest to zarazem największy prąd obliczeniowy, jaki może przepływać przez pojedynczy ogranicznik i pojedynczy bezpiecznik. Jak widać, z tego punktu widzenia korzystne są przyłącza trójfazowe (m = 4). Korzystna jest też mała wartość współczynnika (< 0,5), czemu sprzyja mała udarowa rezystancja uziemienia układu uziomu piorunochronowego.

Zdolność wyłączania prądu następczego If zwykłych ograniczników (nieograniczających prądu następczego) jest nieduża, nie przekracza 4 kA. Jeśli spodziewany prąd zwarciowy jest od niej większy, to ogranicznik wymaga dobezpieczenia, a tę rolę zwykle spełnia bezpiecznik klasy gG. Jego rolą jest przetrzymać prąd następczy przynajmniej do chwili pierwszego przejścia przez zero, by mógł go wyłączyć ogranicznik wyładowczy, a gdyby to się nie stało – samemu go wyłączyć. W tym celu bezpiecznik powinien przetrzymywać bez nadwerężenia sumaryczną całkę Joule’a najpierw prądu piorunowego, a zaraz potem – prądu następczego If przepuszczaną przez ogranicznik w przeciągu 10 ms.

Rys. 2. Usytuowanie ograniczników wyładowczych pierwszego stopnia ochrony względem bezpieczników złącza (F1.F3) i ewentualnych bezpieczników gałęzi poprzecznej (F4.F6) przy zasilaniu z sieci o układzie TN-C

Wytwórca podaje największy dopuszczalny prąd znamionowy Inmax bezpiecznika klasy gG, który jest w stanie dobezpieczyć ogranicznik i zarazem podaje prąd zwarciowy wytrzymywany przez ogranicznik wespół z tym bezpiecznikiem.

Jeśli bezpiecznik dobezpieczający jest potrzebny, nie musi być on umieszczony w gałęzi ochrony (rys. 2a, b); równie dobrze rolę dobezpieczenia może pełnić bezpiecznik w torze zasilania (rys. 2c), np. bezpiecznik w złączu, jeśli jego prąd znamionowy nie jest większy niż wymagana wartość Inmax. Zadziałanie bezpiecznika w gałęzi ochrony (rys. 2a, b) odcina ogranicznik od chronionej instalacji, a bezpiecznika w torze zasilania (rys. 2c) – zakłóca zasilanie instalacji. Obydwa zdarzenia są niepożądane i dlatego bezpiecznik powinien zadziaływać tylko w razie konieczności, jeśli ogranicznik wyładowczy nie jest w stanie sam poprawnie wyłączyć prądu następczego. Bezpiecznik powinien więc z zasady mieć prąd znamionowy równy największemu dopuszczalnemu, podanemu przez wytwórcę.

Zachowanie się bezpieczników klasy gG, przez które przepływa prąd piorunowy 10/350  µs jest poglądowo przedstawione na rys. 3. Bezpiecznik przetrzymuje prądy mniejsze niż udarowy prąd zadziałania (tabl. 2). Jego wartości podane na rysunku w oparciu o wcześniejsze oszacowania są nieco zawyżone. Uwzględniają one wprawdzie, że przy dużej stromości prądu piorunowego naskórkowość silnie obniża całkę Joule’a przedłukową I2tp, ale nie uwzględniają marginesu na wielokrotne przetrzymywanie impulsów prądowych i nie uwzględniają skutku cieplnego prądu następczego [4]. Bardziej miarodajną informacją jest podana w tabl. 3 całka Joule’a wielokrotnie przetrzymywana przez bezpiecznik, którą należy porównywać z łączną całką Joule’a prądu piorunowego i prądu następczego.

W razie przekroczenia udarowego prądu zadziałania dochodzi do rozpadu topika i zapłonu łuku, co jednak nie wpływa na przebieg prądu piorunowego (rys. 4), pochodzącego z fikcyjnego idealnego źródła prądu. Bezpiecznik nie jest w stanie przerwać przepływu tego prądu ani ograniczyć jego wartości szczytowej; zresztą topik na ogół rozpada się już po jej przeminięciu.

Nie ma mowy o wybiorczym działaniu bezpieczników poddanych przepływowi prądu piorunowego, skoro bezpiecznik takiego prądu nie wyłącza. Wymaga się wprawdzie, aby bezpieczniki poprzedzające w torze zasilania F1.F3 (rys. 5a) miały prąd znamionowy co najmniej 1,6-krotnie większy niż bezpieczniki F4.F6 w gałęzi poprzecznej ograniczników, ale chodzi tylko o wybiorczość podczas przepływu prądu następczego, gdyby bezpieczniki miały go wyłączać.

Prąd znamionowy wkładki In

Całka Joule’a
przedłukowa I2tp

Prąd zadziałania [kA] przy udarze o kształcie

10/350 µs

8/20 µs

A

A2s

kA

kA

25

1210

2,2

9,3

32

2500

3,2

13,4

40

4000

4,0

16,9

50

5750

4,8

20,3

63

9000

6,0

25,4

80

13700

7,5

31,3

100

21200

9,3

38,9

125

36000

12,1

50,7

160

64000

16,1

67,6

200

104000

20,6

86,2

250

185000

27,5

115,0

Tablica 2. Udarowy prąd zadziałania wkładek bezpiecznikowych klasy gG [3]

Przy prądzie piorunowym kilkakrotnie większym niż udarowy prąd zadziałania bezpiecznika dochodzi do wybuchowego rozpadu topika i wzrostu ciśnienia we wkładce powodującego pękanie korpusu, a nawet jego eksplozyjne rozerwanie. Progowa wartość prądu piorunowego zagrażającego eksplozją wkładki bezpiecznikowej jest tym większa, im większy jest jej prąd znamionowy (rys. 3). To kolejny powód, aby ograniczniki dobezpieczać bezpiecznikami o prądzie znamionowym równym największemu dopuszczalnemu Inmax.

Prąd znamionowy

A

40

50

63

80

100

125

160

200

250

I2t bezpiecznika

kA2s

1,3

2,0

3,2

5

8

12

22

39

69

I2t wyłącznika SHU

kA2s

33

38

50

50

55

 

Tablica 3. Całka Joule’a prądu piorunowego wielokrotnie przetrzymywana przez zabezpieczenia nadprądowe o różnym prądzie znamionowym [2]

Nie można wyeliminować obciążeń, jakim ograniczniki wyładowcze i bezpieczniki podlegają przy prądach wyładowczych, ale można zmniejszać obciążenia, które są wynikiem prądów następczych. Ograniczniki przepięć ograniczające prąd następczy wykorzystują technikę wymuszonego gaszenia łuku stosowaną w wyłącznikach, co pozwala uzyskać efekt ograniczający i dużą zdolność wyłączania. Ograniczniki o łuku dzielonym wyłączają samodzielnie prądy następcze o wartości do 25 kA, a ograniczniki samowydmuchowe o łuku chłodzonym promieniowo i osiowo – do 50 kA. Te ostatnie spodziewany prąd następczy o wartości skutecznej 50 kA ograniczają do wartości szczytowej poniżej 2 kA, a skutek cieplny I2t każdego prądu następczego do poziomu pozwalającego go przetrzymać bezpiecznikowi gG 40 A. Zależnie od stopnia ograniczania prądu następczego (rys. 8) takie ograniczniki przepięć dopuszczają znacznie większy prąd Inmax albo nawet żadnych wymagań w tym względzie nie stawiają. Przydają się w miejscach, gdzie prądy zwarciowe są duże, przy złączach instalacji odbiorczych zasilanych bezpośrednio ze stacji o dużej mocy.

Rys. 4. Przebieg prądu i napięcia między zaciskami bezpiecznika gG 25 A poddanego przepływowi prądu piorunowego

Bezpiecznikom poprzedzającym wszelkie ograniczniki przepięć przypada jeszcze jedno zadanie – zwarciowe zabezpieczenie przewodów gałęzi ochrony. Przewody te, sporadycznie obciążane, nie wymagają żadnych zabezpieczeń przeciążeniowych. Ich największe narażenia cieplne występują podczas zwarcia w ogranicznikach, a nie podczas przepływu prądu piorunowego. Na przykład prąd piorunowy 50 kA 10/350 µs wywołuje w przybliżeniu taki skutek cieplny, jak impuls piłokształtny o wartości szczytowej Im = 50 kA i czasie trwania tu = 10+2 × (350 – 10) = 690 µs, czyli równy

Takie obciążenie cieplne wytrzymuje z dużym zapasem przewód miedziany o izolacji polwinitowej, o przekroju 10 mm2, co wynika ze wzoru

W przypadku ogranicznika wyładowczego należałoby dodać skutek cieplny prądu następczego. Na przykład, jeśli nie występuje ograniczanie prądu następczego 5 kA, to w ciągu 10 ms jego skutek cieplny osiąga wartość Wn = 50002 × 0,010 = 250000 A2s. Przewód o przekroju 10 mm2 nadal wystarcza, co wynika z obliczenia

Wstępnie dobrany przewód 10 mm2 w warunkach nagrzewania adiabatycznego dopuszcza skutek cieplny prądu (k × s )2 × 1 = (115 × 10)2 × 1 = 1322500 A2s. Przy czasie wyłączania zwarcia 5 s ten przekrój wystarczyłby tylko wtedy, gdyby poprzedzający bezpiecznik miał prąd znamionowy 80 A (o całce Joule’a wyłączania przy 5 s równej I2tw5= 1021520 A2s) albo mniejszy.

Reasumując, bezpieczniki poprzedzające ograniczniki przepięć mogą spełniać różnorodne funkcje:

  • wspomagają wyłączanie prądu następczego, jeżeli spodziewany prąd zwarciowy przekracza zdolność wyłączania ogranicznika wyładowczego,
  • zabezpieczają ogranicznik przed przekroczeniem jego obciążalności zwarciowej,
  • dokonują samoczynnego wyłączenia zasilania dla celów ochrony przeciwporażeniowej w razie trwałego zwarcia L-PE w układzie ograniczników,
  • zabezpieczają przed skutkami zwarć przewody gałęzi poprzecznej ogranicznika.

Wszystkie te funkcje bierze się pod uwagę decydując o umiejscowieniu bezpieczników i doborze ich prądu znamionowego. Wypada też zdawać sobie sprawę, że określenie “bezpieczniki poprzedzające” jest umowne, bo kierunek propagacji fali przepięciowej nie musi się pokrywać z kierunkiem przesyłania energii. Po uderzeniu pioruna w zasilającą linię napowietrzną część prądu piorunowego z tej linii wnika do instalacji odbiorcy i jej uziemień. Po uderzeniu pioruna w budynek, część prądu piorunowego poprzez główną szynę wyrównawczą i ograniczniki wpływa do sieci zasilającej.

Przykład.

W sytuacji, jak na rys. 1, w trójfazowym czteroprzewodowym złączu instalacji TN-C o napięciu 400 V z bezpiecznikami gG 100 A spodziewany prąd zwarciowy wynosi

Do budynku z uziomem fundamentowym są doprowadzone i przyłączone do głównej szyny wyrównawczej metalowe rurociągi oraz przewody sygnałowe o metalowej powłoce bądź żyle zewnętrznej. Obowiązuje poziom ochrony przeciwprzepięciowej III i przewiduje się zainstalowanie trzech ograniczników. Należy sprawdzić czy bezpieczniki w złączu można traktować jako należyte dobezpieczenie tych ograniczników.

Przy poziomie ochrony III i IV należy liczyć się z całkowitym prądem piorunowym o wartości do IG = 100 kA (tabl. 1). Uziom fundamentowy i liczne uziomy naturalne odprowadzą ponad połowę prądu piorunowego i można szacować, że do przewodów elektroenergetycznych przedostanie się prąd IZ niewiększy niż 40 % ( = 0,4) podanej wartość

IZ = × IG = 0,4 × 100 = 40 kA

Przyłącze jest czteroprzewodowe (m = 4), wobec czego pojedynczym przewodem popłynie prąd cząstkowy około

Jak wynika z rys. 3 i tabl. 2 cząstkowy prąd piorunowy 10 kA nie spowoduje eksplozji bezpiecznika gG 100 A w złączu, ale przekracza jego udarowy prąd zadziałania (9,3 kA). Nowsze dane liczbowe dotyczące koordynacji ogranicznika z bezpiecznikiem pozwalają sprawdzić dokładniej, jaki należałoby zastosować bezpiecznik, aby uniknąć zbędnych zadziałań. Prądowi piorunowemu 100 kA 10/350 µs przypisuje się całkę Joule’a PG = 2500 kA2s (tabl. 1), wobec czego prądowi cząstkowemu odpowiada całka Joule’a PZZ mniejsza, proporcjonalna do kwadratu stosunku wartości prądów

Całka Joule’a prądu następczego dla dobranych ograniczników przy spodziewanym prądzie zwarciowym 2 kA i przy napięciu 230 V według danych wytwórcy nie przekracza wartości PF = 10 kA2s. Łączna całka Joule’a prądu piorunowego i prądu następczego przepuszczona przez ogranicznik wynosi

PR = PZZ + PF = 25 + 10 = 35 kA2s

Tę całkę Joule’a powinny przetrzymywać poprzedzające zabezpieczenia nadprądowe, aby nie powodowały zbędnych wyłączeń. Bezpiecznik w złączu gG 100 A ma przy prądzie piorunowym całkę Joule’a przetrzymywania tylko 8 kA2s, czyli dalece niewystarczającą. Obliczoną całkę PR=35 kA2s przetrzymuje bezpiecznik 200 A. Projektantowi pozostaje wybrać jedną z następujących możliwości:

  • układ połączeń jak na rys. 2c z bezpiecznikami w złączu gG 100 A i ryzyko ich zbędnych zadziałań, co jest bardzo niepożądane,
  • układ połączeń jak na rys. 2c z bezpiecznikami w złączu gG 200 A, jeśli takie zwiększenie ich prądu znamionowego jest dopuszczalne z innych powodów,
  • układ połączeń jak na rys. 2c ale z użyciem selektywnego wyłącznika SHU zamiast bezpiecznika,
  • układ połączeń jak na rys. 2d z bezpiecznikami w złączu gG 100 A, jeśli można akceptować interwencję poprzedzających bezpieczników (In>=200 A) w sieci rozdzielczej w razie uszkodzenia ogranicznika przepięć w złączu.

Wypada dodać, że przed rokiem 2000 koordynację ograniczników z bezpiecznikami opierano na bardzo uproszczonym rozumowaniu. W niniejszym przykładzie wyglądałoby ono następująco: przy spodziewanym prądzie zwarciowym przy napięciu 230 V ogranicznik przepuszcza prąd następczy 1 kA (katalog firmowy), co w przeciągu półokresu (0,01 s) odpowiada całce Joule’a PF = 10002 × 0,01 = 10000 A2s = 10 kA2s. W rzeczywistości całka PF będzie przeważnie mniejsza, bo prawidłowo wyłączany prąd następczy tylko wyjątkowo płynie przez cały półokres. Wystarczy zatem bezpiecznik gG 63 A o całce Joule’a przedłukowej 9 kA2s i takie wartości pojawiały się w piśmiennictwie fachowym i w katalogach. Niesłusznie pomijano skutek cieplny uprzednio płynącego prądu piorunowego PZZ oraz wpływ naskórkowości i innych zjawisk towarzyszących przepływowi prądu piorunowego na wartość całki Joule’a przedłukowej bezpiecznika.

Literatura

  • Hasse P., Noack F.: Neue Blitzschutznormen in der Praxis. Elektromeister + Deutsches Elektrohandwerk, 1998, nr 1-2, s. 41-47, nr 3, s. 140-142.
  • Hering E.: Blitzstoßstromableiter und Überstrom-Schutzeinrichtungen. Elektropraktiker, 1999, nr 7, s. 630-634.
  • Raab V.: Blitz- und Überspannungsschutz-Maßnahmen in NS-Anlagen. Elektropraktiker, 1996, nr 11, s. 944-950, nr 12, s. 1043-1046.
  • Schönau J., Noack F.: Blitzstromverhalten von Niederspannungs-Hochleistungs-(NH)­Sicherungen. etz 2004, nr 1, s. 24-27.

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

Dr inż. Edward Musiał
Politechnika Gdańska