Właściwy dobór urządzeń ochrony nadprądowej może mieć olbrzymi wpływ na osiągi i funkcjonowanie całego systemu energetycznego. Niestety zbyt często wybór ten dokonywany jest jedynie w oparciu o wartości znamionowe napięć i prądów występujących w sieci. Należy mieć świadomość, że istnieje jeszcze wiele innych wielkości charakteryzujących urządzenia ochrony nadprądowej, które powinny być wzięte pod uwagę w celu zapewnienia właściwej ochrony sieci energetycznej.
Cały artykuł, w oryginalnej wersji amerykańskiej, opracowany został w oparciu o najnowsze dokumenty standaryzujące, opracowane na rynek amerykański. Autor najczęściej sięga do najnowszej wersji Kodeksu NEC z roku 2005, opierając się na podanych tam definicjach, normach i wymaganiach. Według wiedzy redaktora dokumenty te nie mają swoich odpowiedników na rynku polskim. Jednak powszechnie wśród producentów czy dystrybutorów urządzeń ochrony nadprądowej stosuje się odwołania do tych amerykańskich standardów, wymieniając w specyfikacji urządzeń, że spełniają one np. atesty UL – przykład znajduje się na stronie: www.eltron.pl/automatyka/ferrazz/bez-ogolne.htm). Normy te mogą również zainteresować eksporterów na rynek amerykański, a jest ich przecież coraz więcej. Dla zainteresowanych wymogami obowiązującymi w Polsce zapraszamy do zapoznania się z ramką na str. 56. Między innymi o tych standardach, Kodeksie NEC 2005, była mowa również w jednym z artykułów w marcowym numerze I&UR: „Dostosowanie do nowych regulacji dotyczących bezpieczeństwa systemów i układów elektrycznych”.
|
Niektóre normy obowiązujące w Polsce, dotyczące wykonawstwa instalacji ochrony nadprądowej PN-EN 60898-2:2003 Wyłączniki do zabezpieczeń przetężeniowych instalacji domowych i podobnych. Część 2. Wyłączniki do obwodów prądu przemiennego i prądu stałego
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 60898:2000 Sprzęt elektroinstalacyjny. Wyłączniki do zabezpieczeń przetężeniowych instalacji domowych i podobnych
PN-IEC-60865-1 Wytrzymałość zwarciowa
Normy dotyczące rozłączników izolacyjnych bezpiecznikowych: PN-93/E-06150/30 IEC 947-3 PN-91/E-06160/21 IEC 269-2-1 PN-90/E-06150/10 IEC 947-1 PN-91/E-06160/10 IEC 269-1
PN-91/E-05009/43 i PN91/E-05009/473 Ochrona przed prądem przetężeniowym
PN-91/E-05009/41 Ochrona przeciwpożarowa |
Wartość znamionowa prądu wyłączeniowego
Według artykułu nr 110.9 amerykańskiego Krajowego Kodeksu Elektrycznego (NEC – National Electrical Code – dokument amerykański) sprzęt przeznaczony do przerwania przepływu prądu w razie wystąpienia awarii powinien mieć znamionową wartość prądu wyłączeniowego odpowiadającą prądowi, jaki ma być przerwany. Wartość tego prądu to maksymalna wartość prądu zwarciowego przy napięciu znamionowym, która umożliwia urządzeniom ochrony nadprądowej, jak bezpieczniki czy rozłączniki, bezpieczne przerwanie przepływu prądu w określonych warunkach testowych. Urządzenia zabezpieczające muszą być w stanie odeprzeć niszczące uderzenie energii, pojawiające się w momencie zwarcia.
Prąd zwarciowy przekraczający potencjalne możliwości urządzeń ochronnych może spowodować ich gwałtowne rozerwanie, pęknięcie, a więc dodatkowe zniszczenia zainstalowanego osprzętu. Jednakże urządzenia z odpowiednio dobraną wartością prądu wyłączeniowego są odporne na pojawienie się wspomnianego wcześniej udaru prądowego w obwodzie i nie ulegają mechanicznemu zniszczeniu (Patrz: „Porównanie urządzeń z różnymi wartościami znamionowymi prądów wyłączeniowych”).
Urządzenia ochrony nadprądowej mają różne wartości znamionowe prądów wyłączeniowych. Standardy ANSI dotyczące bezpieczników i rozłączników wymagają w większości przypadków, aby wartość znamionowa prądu wyłączeniowego była oznaczona na urządzeniu. Dla kompaktowych rozłączników magnetotermicznych w obudowie izolacyjnej (klasa MCCB – Molded Case Circuit Breakers), nieposiadających oznaczenia wartości znamionowej prądu wyłączeniowego, przyjmuje się jego wartość na poziomie 5000 A (wg załącznika UL 489). Powszechnie spotykane rozłączniki klasy MCCB mają znamionową wartość prądu wyłączeniowego 10 000 A. Występują również rozłączniki o wyżej wartości tego prądu, jednak wówczas jest to specjalnie, dodatkowo oznaczone. Aby wybrać rozłącznik klasy MCCB o właściwej wartości prądu wyłączeniowego, musi być znana możliwa wartość prądu zwarciowego.
Dla bezpieczników montowanych w poszczególnych gałęziach sieci bez oznaczonej wartości prądu wyłączeniowego, przyjmuje się ją na poziomie 10 000 A (wg załącznika UL 248). Wartość znamionowa prądu wyłączeniowego dla typowych bezpieczników przetężeniowych klasy R, J lub L wynosi 200 kA lub 300 kA. Bezpieczniki tego typu mogą być stosowane praktycznie we wszystkich rodzajach sieci energetycznych, bez obawy przekroczenia wartości znamionowej prądu wyłączeniowego.
|
Sekwencja testów z wyładowaniem łukowym W tej sekwencji testowej osiem kolejnych fotografii prezentuje czas niezbędny do przerwania przepływu prądu w sytuacji awaryjnej. W sekwencji pierwszej obwód został przerwany po upływie 0,1 sekundy, odpowiadającej 6 cyklom zmian prądu. W sekwencji drugiej wyłączenie nastąpiło już po czasie t=8,33 ms, czyli około 1/2 cyklu zmiany prądu.
Test 4 – W teście tym obwód zabezpieczony był przez rozłącznik z niewielkim czasem opóźnienia rozłączenia, nie miał żadnego ograniczenia prądowego. Czas zwłoki rozłączenia celowo dobrano tak, by odpowiadał wartości 0,1 s, czyli 6 cyklom zmiany prądu. Niespodziewanie pojawiła się tu dodatkowa usterka przewodu i ostateczny wybuch wytworzył swego rodzaju powłokę wyładowania, która uderzyła znajdujący się w pobliżu manekin w głowę. Podkreślić należy, że manekin ten nie był wyposażony w odpowiedni sprzęt ochrony osobistej. |
|
Kwestia bezpieczeństwa to kolejny istotny czynnik decydujący o wyborze ochrony nadprądowej. Przemysł elektryczny kładzie obecnie bardzo duży nacisk na bezpieczeństwo elektryczne – szczególnie w kwestii zagrożenia wyładowaniami elektrycznymi (wystąpienie łuku elektrycznego). Usterki tego typu generują olbrzymie ilości energii, stanowiąc tym samym poważne zagrożenie dla personelu pracującego z lub w pobliżu urządzeń elektrycznych. Ilość energii uwalnianej wraz z wyładowaniem elektrycznym zależy głównie od właściwości urządzeń ochrony nadprądowej oraz dopuszczalnej wartości prądu awaryjnego. Dlatego też odpowiedni dobór i parametry urządzeń ochrony tego typu odgrywają tak istotną rolę w zapewnieniu właściwego poziomu bezpieczeństwa elektrycznego. Szczegółowe i wieloaspektowe testy oraz dogłębna ich analiza wykazały, że energia wyzwolona w trakcie wyładowania elektrycznego powiązana jest z dwoma wielkościami charakteryzującymi urządzenie ochrony nadprądowej:
Wyniki testów Powołana przez Komitet Ropy Naftowej i Przemysłu Chemicznego przy IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers – organizacja amerykańska – polska sekcja: www.ee.pw.edu.pl/ieee/), grupa bezpieczeństwa elektrycznego, przeprowadziła kilka testów związanych z oszacowaniem zagrożenia wystąpienia wyładowań elektrycznych łukowych. Zostały one szeroko omówione w artykułach publikowanych przez IEEE1. Prezentowane w niniejszym artykule fotografie, zarejestrowane w trakcie rzeczywistych testów awarii z wyładowaniem elektrycznym, pokazują, jak uprzednie zredukowanie wyzwalanej w nim energii pomaga ograniczyć zagrożenie tego typu wyładowaniami oraz powodowane przez nie ewentualne zniszczenia. Testy przeprowadzono na tym samym obwodzie elektrycznym z dostępem do zacisków układu 3-fazowego, wartość skuteczna prądu zwarciowego wynosiła 22 600 A przy napięciu 480 V AC. W obu przypadkach powstanie wyładowania elektrycznego zostało zainicjowane w terminalu łączeniowym sterującym silnikiem elektrycznym, znajdującym się w ograniczonej, zamkniętej przestrzeni przy otwartych drzwiach wejściowych. Jest to normalna sytuacja, w momencie gdy elektryk obsługuje urządzenie i pracuje pod napięciem. Jak już wspomniano, obydwa testy przeprowadzano w identycznych warunkach środowiskowych i sieciowych, z wyjątkiem różnicy dotyczącej zastosowanych w nich urządzeń ochrony nadprądowej. W teście 4, gdzie zastosowano rozłącznik o prądzie 640 A i niewielkiej zwłoce czasowej rozłączenia, wyłączenie prądu awaryjnego nastąpiło po 6 cyklach zmian prądu. W teście 3 z kolei jako ochronę obwodu elektrycznego zastosowano bezpiecznik klasy L o prądzie 601 A. w tym przypadku wyłączenie przepływu prądu awaryjnego nastąpiło po czasie równym 1/2 cyklu zmiany prądu (ok. 8,33 ms), przy jednoczesnym jego ograniczeniu. Jednym z zasadniczych wniosków wynikających z lektury wspomnianego wcześniej artykułu IEEE jest stwierdzenie, że urządzenia ochrony nadprądowej z ograniczeniem prądowym zmniejszają zniszczenia oraz energię, związane z wystąpieniem wyładowania elektrycznego (przepuszczany przez nie prąd mieści się w pewnych określonych granicach). Urządzenia ochrony nadprądowej bez ograniczenia prądowego, takie jak bezpieczniki klasy H oraz standardowe rozłączniki, nie mają możliwości ograniczenia wartości przepływającego prądu i z reguły powodują utrzymanie się sytuacji awaryjnej przez dłuższy czasu. Pozwala to na wyzwolenie się w trakcie wyładowania elektrycznego większej ilości energii oraz zwiększa ogólne zagrożenie pojawienia się takiego wyładowania. Urządzenia z ograniczeniem prądowym, takie jak bezpieczniki klasy RK1, J i L oraz odpowiednie rozłączniki, są pomocne w redukcji ilości energii wyzwalanej wraz z wyładowaniem elektrycznym, a tym samym w zmniejszeniu zagrożenia elektrycznego. |
Sekwencja zdarzeń w teście 4
|
|
|
|
W teście przyjęto następujące ustawienia i parametry: manekin ustawiony został w odległości ok. 0,6 m od sterownika silnika elektrycznego. Dostępny na zaciskach prąd zwarciowy wynosił 22 600 A przy napięciu 480 V AC. |
W trakcie pierwszej połowy cyklu zmiany prądu wydzielała się olbrzymia ilość ciepła i energii. |
|
|
|
|
Z powodu pojawienia się tak dużej ilości energii wystąpiła dodatkowa, niespodziewana awaria przewodów nad sterownikiem, tworząc niejako powłokę, która spowodowała dodatkowy podmuch. |
Powłoka została wypchnięta na zewnątrz przez powstałe w jej wnętrzu siły magnetyczne i wybuchowe, uderzając stojący manekin w głowę. |
|
|
|
|
W tym momencie manekin został całkowicie wchłonięty przez kulę ognia wytworzoną przez łuk elektryczny. Umieszczone na nim czujniki wskazały, że sytuacja ta mogłaby spowodować wystąpienie oparzeń trzeciego stopnia na twarzy, szyi i rękach człowieka. |
Ciemna chmura to efekt toksycznych oparów miedzi i plastiku. Cały test trwał 0,1 sekundy, czyli 6 cykli zmian prądu; jest to czas konieczny do zadziałania urządzeń ochronnych rozłączających przepływ prądu zwarciowego. Rany odniesione w tym czasie przez pracownika byłyby dla niego katastrofalne, być może nawet śmiertelne. |
Sekwencja zdarzeń w teście 3
|
|
|
Warunki przeprowadzenia testu 3 były identyczne jak dla testu 4. Jedyna różnica to zastosowanie innego urządzenia ochronnego z ograniczeniem prądowym – bezpiecznika klasy L, zamiast urządzenia bez ograniczenia prądowego.
W porównaniu z testem 4 nastąpiła tu znacząca redukcja energii wyzwalanej w czasie wyładowania elektrycznego. Nie pojawiła się ani kula ognia, ani chmura oparów – tylko niewielkie przypalenie, rozprysk metalu. Czujniki oparzeń umieszczone na manekinie wykazały możliwość pojawienia się ich na rękach, jednakże bez naruszenia twarzy oraz szyi. Test trwał niecałe 0,0083 sekundy, czyli 1/2 cyklu zmian prądu. Pracownik poddany działaniu tego typu wyładowania zapewne wymagałby pomocy lekarskiej, jednakże odniesione przez niego obrażenia są znacznie mniej poważne niż w przypadku testu 4.
Ochrona elementów składowych sieci
Dobór urządzeń ochrony nadprądowej ściśle i wyłącznie w oparciu o znajomość napięcia, prądu oraz wartości prądu wyłączeniowego, nie daje pewności, że sprzęt zainstalowany w sieci nie ulegnie zniszczeniu w momencie wystąpienia zwarcia. W takim przypadku urządzenia nieposiadające ograniczeń prądowych mogą okazać się niewystarczające, by ochronić przewody, kable czy też inne elementy tworzące sieć energetyczną. Określona dla urządzeń ochronnych wartość prądu wyłączeniowego odnosi się tylko do tych urządzeń i nie gwarantuje w żadnym wypadku ochrony elementów znajdujących się w innych miejscach sieci. Często zdarza się, że w momencie wystąpienia zwarcia niewłaściwie chroniony element sieci ulega całkowitemu zniszczeniu, podczas gdy urządzenie zabezpieczające pozostaje załączone, umożliwiając swobodny przepływ dużego prądu, interpretując go jedynie jako prąd zakłóceniowy. Bezpieczniki i rozłączniki muszą być więc nie tylko odporne na wystąpienie prądów zwarciowych, ale również chronić inne elementy sieci.
Krajowy Kodeks Elektryczny (NEC) nr 110.100, dotyczący impedancji i innych wielkości charakterystycznych obwodu, stwierdza:
„Urządzenia ochrony nadprądowej, całkowita impedancja, wartość znamionowa prądu zwarciowego i inne wielkości charakteryzujące obwód elektryczny powinny być dobierane i koordynowane tak, by umożliwić wykorzystanie urządzeń ochronnych w celu eliminacji prądów zwarciowych, bez pojawienia się większych zniszczeń we wszystkich elementach składowych sieci. Prądy zwarciowe rozumiane są tu jako prądy przepływające pomiędzy dwoma lub więcej przewodami, pomiędzy przewodem a uziemieniem lub też powstające w otoczeniu tras kablowych. Dla spełnienia powyższych wymagań należy rozważyć zastosowanie urządzeń według opisów ich parametrów, znajdujących się w odpowiednich spisach i tabelach”.
Istnieje również wiele różnych poziomów zabezpieczeń elementów elektrycznych. Okazuje się, że nawet w przypadku zastosowania urządzeń zgodnie z zaleceniami kodeksu NEC oraz przy uwzględnieniu wszystkich wymagań wynikających z tabel normalizacyjnych, przy wystąpieniu prądów zwarciowych urządzenia te mogą nie nadawać się już do dalszego funkcjonowania w danej sieci. Na przykład w załączniku UL 508 dotyczącym sterowania urządzeniami przemysłowymi opisana jest procedura testu zwarciowego, umożliwiająca określenie, czy zastosowany sterownik silnika nie stanowi jednocześnie zagrożenia pożarowego. Testy te dotyczą jednak bezpieczeństwa pożarowego przy zamkniętych drzwiach, dopuszczając znaczącą ilość zniszczeń, jeżeli tylko występują one w tej zamkniętej, ograniczonej przestrzeni. Oznacza to, iż dozwolone jest wystąpienie deformacji i zniekształceń bariery ochronnej, pod warunkiem jednak, że drzwi wejściowe do strefy zamkniętej nie zostaną w wyniku tego otwarte i możliwe będzie ich bezpieczne otwarcie po przeprowadzeniu testu.
|
Porównanie urządzeń z różnymi wartościami znamionowymi prądów wyłączeniowych Urządzenia o niewystarczającej wartości znamionowej prądu wyłączeniowego – bezpieczniki klasy H
Sekwencja fotografii przedstawia element bezpiecznikowy klasy H, o prądzie wyłączenia 10 000 A, zastosowany w obwodzie przenoszącym w razie zwarcia prądy o wartości do 50 000 A. Bezpiecznik nie mógł bezpiecznie przerwać przepływu tak dużego prądu awaryjnego. Jest to przykład niewłaściwego zastosowania elementu ochronnego, stanowiący poważne naruszenie przepisów określonych w NEC 110.9.
Urządzenia o niewystarczającej wartości znamionowej prądu wyłączeniowego – klasa MCCB
Sekwencja fotografii przedstawia rozłącznik klasy MCCB o prądzie wyłączenia 14 000 A, przy wystąpieniu zwarcia o prądzie 50 000 A. Podobnie jak przy poprzedniej sekwencji zdjęć, jest to przykład niewłaściwego zastosowania urządzenia ochronnego, stanowiący poważne naruszenie przepisów określonych w NEC 110.9.
Urządzenia o dostatecznej wartości znamionowej prądu wyłączeniowego – bezpieczniki z ograniczeniem prądowym.
Zdjęcie to przedstawia bezpiecznik klasy J o prądzie wyłączeniowym 300 000 A w trakcie zwarcia i prądzie przepływającym 50 000 A. Bezpiecznik jest zdolny do bezpiecznego przerwania przepływu prądu zwarciowego bez wystąpienia przebicia, co świadczy o spełnieniu wymagań normy NEC 110.9 |
W standardowych testach zwarciowych, styki łącznika nie mogą ulec rozpadowi, dopuszczalne jest jednak ich wzajemne zespawanie. Zniszczenie przekaźnika nadprądowego wraz z przepaleniem elementów prądowych jest akceptowalne. Dla wartości znamionowych prądów zwarciowych wyższych niż wymienione we wspomnianym załączniku UL 508, dopuszczalne są jeszcze większe zniszczenia. Chodzi tu zarówno o zespawanie się styków, ich całkowity rozpad, jak i przepalenie się przekaźnika nadprądowego. Jednakże prawie nigdy nie jest pewne, czy układ rozruchowy silnika (motor starter) nie ulegnie zniszczeniu tylko dlatego, że został zasilony z gałęzi obwodu mającej odpowiednie zabezpieczenie.
Zabezpieczenia gałęzi sieci energetycznej
Metody doboru urządzeń ochronnych gałęzi obwodu zapewniają ochronę nie tylko zasilanych silników, ale również innych elementów składowych sieci. Istnieją dwa dokumenty ułatwiające i precyzujące ocenę zagrożenia przy wystąpieniu zwarcia w przypadku zastosowania różnych urządzeń ochronnych. Dokumenty te to: Outline of Investigation (UL508E) and IEC (International Electrotechnical Commission) Standard Publication 60947, Low Voltage Switchgear and Control, Part 4-1: Contactors and Motor Starters. W obydwu tych dokumentach zdefiniowano dwa poziomy ochrony układów rozruchowych silników:
-
Poziom 1 – dopuszczalne są znaczne zniszczenia styków oraz przekaźnika nadprądowego. W efekcie konieczna może być wymiana odpowiednich części lub też całego układu rozruchowego. Niedopuszczalne jest wystąpienie wyładowania elektrycznego na elementach znajdujących się poza strefą zamkniętą.
-
Poziom 2 – nie dopuszcza się wystąpienia zniszczeń ani na stykach, ani w przekaźniku nadprądowym. Wystąpienie lekkiego zespawania styków jest akceptowalne, musi być ono jednak łatwe do usunięcia i umożliwiać ponowne ich rozdzielenie.
Producenci układów rozruchu silników muszą być świadomi, że spełnienie wymogów określonych w poziomie 2. może być zrealizowane tylko przy użyciu specjalizowanych urządzeń ochronnych. Większość z nich, wytwarzająca sterowniki silników typu NEMA oraz IEC, dokonała w nich odpowiednich modyfikacji, tak by spełnić wymogi nakreślone w dokumentach UL 508E and IEC 60947-4. W tym celu, dla spełnienia wymogów poziomu 2., stosuje się zwykle odpowiednie urządzenia ograniczające natężenie prądu, takie jak bezpieczniki klasy J, RK1 lub CC. Niestety inne popularnie stosowane bezpieczniki oraz urządzenia klas H i RK5 nie działają wystarczająco szybko w warunkach wystąpienia zwarcia, tak by zapobiec zniszczeniu sprzętu i tym samym spełnić wymogi stawiane przez wspomniany poziom 2.
Rys. 1. Blokowy schemat obrazujący działanie sieci energetycznej bez zastosowania ochrony selektywnej. Obwód, w którym wystąpiła awaria, wpływa na pracę innych gałęzi systemu, ponieważ urządzenia ochronne nie są w stanie wyłączyć tylko pojedynczej gałęzi obwodu
Rys. 2. Schemat blokowy, wyjaśniający koncepcję ochrony selektywnej. Ponieważ urządzenia ochronne umieszczone w całej sieci energetycznej są właściwie dobrane (odpowiednie zależności czasowe), rozłączenie pojawia się tylko w gałęzi, gdzie wystąpiła awaria
Wartości znamionowe prądów zwarciowych
Jak już podkreślono na wstępie niniejszego artykułu, wartość znamionowa prądu zwarciowego oraz wartość znamionowa prądu wyłączeniowego to dwie zupełnie różne wielkości, które nigdy nie powinny być ze sobą mylone. Wartość znamionowa prądu zwarciowego to taka maksymalna wartość natężenia prądu w obwodzie, jaką dany element obwodu lub sprzęt wpięty w obwód może bezpiecznie wytrzymać, przy odpowiednim zabezpieczeniu urządzeniami nadprądowymi lub przy przepływie tego prądu w określonym czasie. Wymagane wartości prądów zwarciowych podane są w Kodeksie Elektrycznym NEC 110.10 (zobacz: „Wskazania Krajowego Kodeksu Elektrycznego dotyczące wartości znamionowych prądów zwarciowych”).
Stosowanie sprzętu i sterowników z większymi znamionowymi prądami zwarciowymi ułatwia ich instalację zgodnie z wymogami stawianymi przez normy. Należy również podkreślić, że sprzęt i urządzenia przemysłowe często bywają przemieszczane w różne miejsca zakładu. Wówczas wysoki poziom znamionowego prądu zwarciowego ułatwia również i te operacje. Nie jest bowiem konieczne dodatkowe zwiększanie bezpieczeństwa przeciwzwarciowego urządzeń w nowym miejscu ich wykorzystywania i tym samym w prosty sposób zachowany jest odpowiedni poziom bezpieczeństwa całej instalacji. Najprostszym i najbardziej efektywnym sposobem osiągnięcia wysokiego poziomu znamionowych prądów zwarciowych jest stosowanie odpowiednich urządzeń ochrony nadprądowej.
Ochrona selektywna
Pojęcie ochrony selektywnej (ang. selective coordination), czyli z opóźnieniem wyłączenia, można zdefiniować jako wyizolowanie, wyłączenie przeciążonej lub uszkodzonej części obwodu elektrycznego z pozostałej sieci energetycznej, poprzez uruchomienie i otwarcie urządzeń ochronnych nadprądowych, znajdujących się w najbliższym sąsiedztwie miejsca wystąpienia sytuacji awaryjnej. Sytuację taką przedstawiono schematycznie na rysunkach 1 i 2. Termin ochrony selektywnej pojawił się w roku 2005 w artykule 100 kodeksu NEC.
Definicja:
„Ochrona selektywna – Lokalizacja stanu przeciążenia w sieci w celu ograniczenia zbędnych przerw w pracy poszczególnych urządzeń oraz całej sieci zasilania, realizowana poprzez dobór odpowiednich urządzeń ochrony nadprądowej z uwzględnieniem ich ustawień oraz parametrów znamionowych”.
Kodeks NEC w swej najnowszej wersji podaje również wymagania, jakie powinna spełniać ochrona selektywna w niektórych systemach, takich jak: systemy awaryjne (artykuł 700) oraz wymagane prawnie systemy rezerwowe (artykuł 701). Do sieci wymagających ochrony selektywnej zaliczono również sieci zasilania wind. Celem nadrzędnym wprowadzenia tych wymogów jest zapewnienie jak najdłuższego czasu prawidłowego funkcjonowania urządzeń elektrycznych, niezbędnych dla zapewnienia bezpieczeństwa człowieka w sytuacjach awaryjnych, zagrożenia. Chociaż nie jest to wymagane przez kodeks NEC, stosowanie ochrony selektywnej we wszystkich sieciach byłoby praktyką właściwą, w znaczący sposób przyczyniającą się do redukcji kosztów związanych z okresami zbędnych wyłączeń. Bez ochrony selektywnej awaria jednego z obwodów sieci może spowodować wyłączenie wszystkich jej gałęzi. Projektant danej sieci elektrycznej musi być świadomy i pewny, że zastosowane przez niego w ochronie selektywnej urządzenia ochronne nadprądowe pokryją pełny zakres możliwych do wystąpienia zwiększonych obciążeń prądowych. Dodatkowo inspekcja przeprowadzona w miejscach instalacji tego typu urządzeń powinna wykazać, że są one umieszczone zgodnie z wymogami ochrony selektywnej. Jeżeli wszelkie analizy oraz dobór urządzeń przeprowadzane są prawidłowo, uzyskanie właściwie działającej ochrony selektywnej możliwe jest w sieciach zabezpieczanych wszystkimi rodzajami bezpieczników, rozłączników i innych urządzeń wyłączających. Opracowanie ochrony selektywnej wykorzystującej bezpieczniki może być osiągnięte i zweryfikowane dzięki użyciu specjalnych współczynników ochrony selektywnej, podawanych przez producentów tego typu elementów. Dla przeprowadzenia weryfikacji funkcjonowania ochrony selektywnej nie jest natomiast konieczna pełna analiza stanów zwarciowych w danej sieci.
Realizacja ochrony selektywnej z wykorzystaniem rozłączników zależy od ich charakterystyk, ustawień oraz parametrów obwodów elektrycznych w konkretnej sieci. Ogólnie rzecz biorąc, budowa ochrony selektywnej w oparciu o popularne rozłączniki, z tzw. natychmiastowym wyłączeniem, jest bardzo utrudniona. Konieczne jest zastosowanie urządzeń wyłączających, działających z pewną zwłoką czasową. W niektórych przypadkach stosuje się rozłączniki klasy MCCB lub z izolowaną obudową i strefą blokującą (ang. interlocking zone). Jednakże rozłączniki te wciąż charakteryzują się wyłączaniem natychmiastowym, które dominuje nad tworzoną sztucznie przez projektanta funkcją selektywnego wyłączania. Dlatego też dla niektórych wartości prądów pojawiających się w przypadku zwarć, ochrona selektywna może nie zostać osiągnięta. Rozważając więc zastosowanie rozłączników w realizacji ochrony selektywnej, konieczne jest wcześniejsze przeprowadzenie kompletnej analizy zwarć i innych sytuacji awaryjnych, jakie mogą pojawić się w systemie,
wraz z ich właściwą interpretacją.
Niezawodność i utrzymanie
Niezawodność i utrzymanie to prawdopodobnie dwa najistotniejsze czynniki decydujące o właściwym zaprojektowaniu, wykonaniu i późniejszym funkcjonowaniu ochrony nadprądowej w sieci energetycznej. Wszystkie urządzenia ochronne muszą bowiem działać zgodnie z przyjętymi specyfikacjami, tak by zapewnić integralność całego systemu. Mechaniczne urządzenia ochronne, takie jak rozłączniki, muszą być konserwowane i utrzymane w sprawności zgodnie z wytycznymi podawanymi przez ich producentów oraz ogólnie przyjętymi w przemyśle standardami.
W standardzie określonym przez Krajowe Stowarzyszenie Producentów Urządzeń Elektrycznych NEMA AB4 (organizacja amerykańska): „Wskazówki dotyczące profilaktyki i utrzymania urządzeń klasy MCCB w zastosowaniach komercyjnych i przemysłowych”, zawarto liczne wskazówki dotyczące właściwego utrzymania i testowania urządzeń ochronnych. Przy niewłaściwym utrzymaniu mechanicznych urządzeń ochrony mogą one działać niezgodnie ze swoimi specyfikacjami, narażając na szwank funkcjonowanie i integralność całego systemu. Całkowity brak utrzymania może objawić się wydłużeniem czasu wyłączenia w razie wystąpienia zwarcia. To z kolei prowadzi do większych zniszczeń sprzętu jak również zwiększa niebezpieczeństwo wystąpienia łuków elektrycznych (Patrz: „Sekwencja testów z wyładowaniem łukowym”).
Bezpieczniki nie mają w swej strukturze elementów mechanicznych, dlatego wymagają tylko okresowej kontroli. Jedyne wymagania związane z ich właściwym utrzymaniem to pewność, że nie są one przerwane lub poddane działaniu czynników mogących taką przerwę spowodować (np. uderzenia, wstrząsy itp.).
|
Wskazania Krajowego Kodeksu Elektrycznego (NEC – National Electrical Code) dotyczące wartości znamionowych prądów zwarciowych W najnowszym kodeksie NEC 2005 określono kilka nowych wymagań dotyczących oznaczeń urządzeń ochronnych, jakie muszą być spełnione dla zbudowania właściwej ochrony przeciwzwarciowej. Oznaczenia te ułatwiają weryfikację zgodności z artykułem NEC nr 110.10.
|
Podsumowanie
Przy wyborze urządzeń ochrony nadprądowej należy wziąć pod uwagę wiele czynników i parametrów. Wybór bazujący jedynie na znajomości wartości znamionowych napięć i prądów nie gwarantuje właściwej ochrony sieci i ostatecznie może prowadzić do niewłaściwego jej funkcjonowania. Urządzenia ochrony nadprądowej muszą spełniać określone w odpowiednich specyfikacjach warunki wyłączalności, w celu zagwarantowania wyłączenia obwodu w momencie zwarcia. Dodatkowo, oprócz zapewnienia bezpiecznego wyłączenia przy prądach zwarciowych, urządzenia ochronne powinny również zabezpieczać i inne elementy systemu elektrycznego przed zniszczeniami, będącymi wynikiem tychże prądów. Urządzenia ochrony nadprądowej są także często stosowane w ochronie urządzeń elektrycznych podłączonych do sieci energetycznej, co pozwala osiągnąć większe wartości dopuszczalnych w układzie prądów zwarciowych oraz pomaga zredukować prawdopodobieństwo i intensywność występowania zwarciowych łuków elektrycznych.
Niepożądane przerwy w zasilaniu i wyłączenia sieci energetycznej mogą być w znacznej części wyeliminowane dzięki zastosowaniu ochrony selektywnej. Integralność całej sieci energetycznej zależna jest przede wszystkim od tego, czy zastosowane w niej urządzenia ochrony nadprądowej pracują zgodnie ze swymi specyfikacjami. Urządzenia ochronne zawierające elementy mechaniczne wymagają właściwego użytkowania oraz utrzymania i konserwacji w trakcie eksploatacji.
Artykuł pod redakcją Andrzeja Ożadowicza
1 Artykuł: „Staged Tests Increase Awareness of Arc-Fault Hazards in Electrical Equipment IEEE Petroleum and Chemical Industry Conference Record”, wrzesień 1997, strony: 313-322 (treść artykułu można znaleźć pod adresem internetowym www.bussmann.com, w zakładce Services/Safety BASICs.)
Autor: Joe Schomaker, Cooper Bussmann
