Przewody w obwodach elektrycznych wykorzystywanych zarówno w przemyśle, jak i obiektach budowlanych, muszą być odpowiednio zabezpieczone przed przeciążeniami oraz zwarciami. Od skuteczności ochrony zależy bowiem bezpieczeństwo ludzi i maszyn.
Usytuowanie zabezpieczeń przeciwprzeciążeniowych
Pamiętać należy, że urządzenie zabezpieczające przed przeciążeniem powinno być usytuowane w miejscu, w którym występuje zmiana przekroju, rodzaju czy też sposobu ułożenia przewodów lub budowy instalacji, pod warunkiem że zmiany te pociągają za sobą zmniejszenie obciążalności prądowej przewodów.
Gdy na odcinku między miejscem modyfikacji a urządzeniem zabezpieczającym nie ma rozgałęzień i gniazd, a oprzewodowanie jest zabezpieczone przed prądami zwarciowymi lub odcinek oprzewodowania nie przekracza trzech metrów, ważne jest, aby miejsce montażu zabezpieczeń znajdowało się powyżej punktu zmiany. Należy również uwzględnić wykonanie w sposób ograniczający niebezpieczeństwo zwarcia. Warto zwrócić uwagę na to, że urządzenia zabezpieczające nie są wymagane, gdy modyfikacje są zabezpieczone od strony zasilania lub w przewodach nie przewiduje się prądów przeciążeniowych. Zabezpieczenia nie muszą być instalowane w systemach telekomunikacyjnych, sterujących lub sygnalizujących. Brak zabezpieczeń dopuszcza się także w obwodach rozdzielczych wykonanych przy użyciu kabli ułożonych w ziemi lub jako linie napowietrzne.
Są również sytuacje, w których zalecane jest pomijanie urządzeń przeciwprzeciążeniowych. Chodzi tu przede wszystkim o obwody zasilające odbiorniki, których wyłączenie może spowodować zagrożenie. W praktyce są to najczęściej obwody wzbudzenia maszyn wirujących, systemy zasilania elektromagnesów dźwigowych itp.
Parametry i sposób instalowania zabezpieczeń powinny uwzględnić również rozpływ prądów. W przypadku gdy rozchodzą się one w przewodach równomiernie, obciążalność długotrwała przewodów jest sumą obciążeń w poszczególnych przewodach. Jeżeli w takim samym obwodzie rozpływ prądów jest nierównomierny, ważne jest, aby zabezpieczenia zainstalowane były na każdym przewodzie.
Usytuowanie urządzeń przeciwzwarciowych
W przypadku zabezpieczeń przed zwarciem można urządzenia zainstalować w innym miejscu, jeżeli odcinek między punktem zmniejszenia przekroju lub innej zmiany a zabezpieczeniem oraz sposób wykonania ograniczają do minimum niebezpieczeństwo powstania zwarcia. Urządzenia przeciwzwarciowe nie muszą być instalowane w obwodach łączących prądnice, transformatory, prostowniki, a także baterie akumulatorowe z tablicami sterowniczymi, w których znajdują się zabezpieczenia, oraz niektórych obwodach pomiarowych, jeżeli przewody eliminują możliwość powstania zwarcia lub nie są zainstalowane w pobliżu miejsca przechowywania materiałów palnych.
Ochrona połączeń równoległych
Przewody połączone równolegle mogą być chronione przed zwarciem jednym zabezpieczeniem, jeżeli jego parametry zapewniają skuteczność nawet w przypadku wystąpienia uszkodzenia w najbardziej niekorzystnym miejscu. Gdy okaże się, że jedno urządzenie ochronne jest nieskuteczne, należy rozważyć sposób wykonania oprzewodowania ograniczający do minimum niebezpieczeństwo powstania zwarcia w jednym z przewodów połączonych równolegle. Przykładem może być ochrona przewodów przed uszkodzeniami mechanicznymi lub usytuowanie ich z dala od substancji palnych. Oprócz tego, w przypadku dwóch lub więcej przewodów połączonych równolegle należy zastosować zabezpieczenia przed zwarciem w każdym z połączonych równolegle przewodów zarówno od strony zasilania, jak i obciążenia.
Zabezpieczanie różnych sieci
Pamiętać należy, że prąd przetężeniowy powinien być wykrywany we wszystkich przewodach fazowych, jednak zadaniem zabezpieczenia jest przerwanie tylko tego obwodu, w którym przetężenie wystąpiło.
W układach TT obwody, które zasilane są przewodami fazowymi bez przewodu neutralnego, nie muszą być wyposażone w zabezpieczenia przed prądem przetężeniowym. Warunkiem jest jednak, aby obwód lub układ zasilania wyposażony był w zabezpieczenie różnicowo-prądowe, wyłączające prąd na wszystkich przewodach fazowych oraz nie występował przewód neutralny, który wyprowadzony jest ze sztucznego punktu neutralnego obwodów usytuowanych po stronie obciążenia urządzenia zabezpieczającego różnicowo-prądowego.
Układy IT bez przewodu neutralnego nie muszą być wyposażone w zabezpieczenie przed prądem przetężeniowym w jednym z przewodów fazowych, pod warunkiem że każdy z obwodów jest pod ochroną urządzenia różnicowo-prądowego.
Zabezpieczenie przewodu neutralnego
W przypadku gdy przekrój przewodu neutralnego jest co najmniej równy przekrojowi przewodów fazowych, nie wymaga się wykrywania prądów przetężeniowych i ochrony przed nimi w przewodzie neutralnym. W przypadku sytuacji odwrotnej zabezpieczenia są niezbędne. Nie muszą być także wykrywane prądy przetężeniowe w przewodzie neutralnym, gdy są one zabezpieczone przed prądem zwarciowym oraz jeżeli największa przewidywana wartość prądu w przewodzie jest znacznie mniejsza od wielkości katalogowej dla danego typu przewodu.
W układach IT niezalecane jest stosowanie przewodu neutralnego. Jednak w przypadku jego zainstalowania konieczne jest wykrywanie prądu przetężeniowego w każdym obwodzie wykorzystującym przewód neutralny. Po wykryciu przetężenia w obwodzie, zarówno przewód neutralny, jak i przewody czynne powinny zostać rozłączone. Zabezpieczenia nie są wymagane, jeżeli dany przewód neutralny został zabezpieczony przed zwarciem od strony zasilania lub w przypadku gdy dany obwód jest chroniony urządzeniem różnicowo-prądowym o znamionowym prądzie nie większym niż 0,15 wartości obciążalności prądowej przewodu neutralnego. Urządzenie to powinno rozłączać wszystkie przewody czynne i przewód neutralny.
Ważne jest także, aby sposób rozłączania i załączania przewodu neutralnego uwzględniał jego wcześniejsze wyłączanie w stosunku do przewodów fazowych. Załączanie przewodu neutralnego powinno natomiast się odbywać w tym samym czasie.
Rodzaje urządzeń zabezpieczających
Wykorzystywane urządzenia zabezpieczające muszą mieć możliwość przerywania przepływu prądu przetężeniowego o wartości nie mniejszej niż wartość spodziewanego prądu zwarciowego. Najczęściej spotykane urządzenia to bezpieczniki topikowe, wyłączniki wyposażone w wyzwalacze przeciążeniowe oraz wyłączniki współpracujące z bezpiecznikami topikowymi. Urządzenia zabezpieczające tylko przed prądem przeciążeniowym mają charakterystykę czasowo-prądową odwrotnie proporcjonalną, tj. działają ze zwłoką czasową odwrotnie proporcjonalną do wartości prądu oraz cechują się zdolnością przerywania przepływu prądu tylko o wartości mniejszej niż przewidywana wartość prądu zwarciowego w miejscu zainstalowania danego urządzenia.
Zabezpieczenia przed prądem przeciążeniowym powinny być tak dobrane, aby w obwodzie następowało przerwanie przepływu prądu przeciążeniowego o danej wartości, zanim wystąpi niebezpieczeństwo uszkodzenia izolacji, połączeń, zacisków oraz otoczenia przewodów na skutek nadmiernego wzrostu temperatury.
Urządzenia zabezpieczające tylko przed prądem zwarciowym powinny mieć możliwość przerywania prądu zwarciowego o wartości nie mniejszej niż wartość spodziewanego prądu zwarciowego, mogącego występować w miejscu zainstalowania danego urządzenia. Są to przede wszystkim bezpieczniki wyposażone w wyzwalacze zwarciowe lub bezpieczniki topikowe. Zabezpieczenia przed prądem zwarciowym powinny być tak dobrane aby przerwanie przepływu prądu w obwodzie elektrycznym następowało zanim wystąpi niebezpieczeństwo uszkodzeń cieplnych i mechanicznych w przewodach i połączeniach. Przewidywane wartości prądów zwarciowych należy określić w tych miejscach, w odniesieniu do których znajomość tych wartości jest niezbędna. Wartości te należy obliczyć metodą obliczeniową lub za pomocą pomiarów. Czas przerywania prądu zwarciowego, powstającego przy zwarciu w dowolnym miejscu obwodu elektrycznego nie powinien przekraczać wartości, która doprowadza temperaturę przewodów do dopuszczalnej granicznej wartości.
„Korki”
Nieodzownym elementem wielu instalacji elektrycznych zarówno prądu przemiennego, jak i stałego są bezpieczniki topikowe. Element topikowy umieszczony jest w specjalnej wkładce. W przypadku gdy wielkość przepływającego prądu przekracza określoną wartość, topik nagrzewa się do temperatury, przy której się topi, a obwód zostaje przerwany. Podzespoły tego typu, przeznaczone do instalacji przemysłowych, mają na celu ochronę obwodów elektrycznych przed skutkami zwarć i przeciążeń. Mocowane są one na podstawach bezpiecznikowych za pomocą izolacyjnego uchwytu.
Przemysłowe wkładki topikowe WT firmy ETI – POLAM są wyposażone w wizualny wskaźnik zadziałania (uszkodzenia) oraz cechują się wysoką zdolnością zwarciową. Ich zadaniem jest również ochrona silników o małym prądzie znamionowym. Oprócz tego wyróżniają się niską stratą mocy oraz wysoką zdolnością ograniczania prądu zwarcia. Ważna jest także stabilność charakterystyk prądowo-czasowych oraz pełna selektywność działania oraz selektywna współpraca z wyłącznikami nadprądowymi. Obudowa wkładki topikowej wykonana jest z steatytu, cechującego się wysoką wytrzymałością termiczną, a pokrywy wytwarzane są z aluminium. Miedź stanowi materiał, z którego produkowane są topiki, mocowane są one do wewnętrznej części styków nożowych wykonanych z miedzi i brązu, a ich powierzchnia pokryta jest warstwą srebra i niklu. Wnętrze wypełnione jest piaskiem kwarcowym.
Nowość stanowią wkładki WT – KOMBI z podwójnym wskaźnikiem zadziałania. Wkładki WT o charakterystyce gF wyróżniają się bardzo małym współczynnikiem k < 2,5, a korpusy odporne są na udary mechaniczne. Ważna jest również stabilność charakterystyk prądowo-czasowych oraz pełna selektywność działania.
Dla wyjaśnienia: charakterystyka gF – oznacza bezpieczniki przeznaczone do zabezpieczania instalacji, natomiast charakterystyka aM – oznacza bezpieczniki przeznaczone do zabezpieczania silników. Współczynnik k bezpiecznika oznacza wartość przy której spodziewane jest samoczynne wyłączenie.
Wkładki bezpiecznikowe o przeznaczeniu przemysłowym z charakterystyką aM wykorzystywane są do ochrony aparatury rozdzielczej oraz obwodów zasilających silniki. Umożliwiają one pełne wykorzystanie urządzeń rozdzielczych w zakresie prądów rozruchowych oraz ochronę stycznika przed uszkodzeniami mogącymi powstać podczas zwarcia. Podzespoły te cechują się niepełnozakresową charakterystyką, dlatego też powinny być instalowane w połączeniu z zabezpieczeniem nadmiarowo-prądowym.
Wszystkie wkładki tego producenta montowane są za pomocą podstawy bezpiecznikowej. Model NVPP 00 wykonany jest z tworzywa termoutwardzalnego, a styki szczękowe są posrebrzane. Wkładki te dostępne są również w wersji przeznaczonej do montażu na szynie DIN 35. Podstawy mogą być montowane w zestawy trójpolowe. Trwałość mechaniczna wynosi około 250 cykli, a prąd szczytowy osiąga 25 kA. Konstrukcja podstawy pozwala na zamontowanie osłony izolacyjnej oraz pokrywy, dzięki której podstawę można zaplombować.
Wyłączniki nadprądowe
Wyłączniki nadprądowe serii Xpole Industrial firmy Moeller przeznaczone są do rozwiązań przemysłowych. Dostępne są one w klasach wyzwalania B, C oraz D. Producent ten oferuje również wykonania specjalne tych urządzeń. Wyłączniki nadprądowe z charakterystyką „Z” cechują się prądem zwarciowym 2–3 x In, co zapewnia szybką reakcję na pojawiające się przeciążenia. Podzespoły te mogą być zatem wykorzystywane do zabezpieczania czułych urządzeń elektronicznych. Dzięki dostępnym akcesoriom uzyskać można zwiększenie funkcjonalności zabudowy modułowej, a montaż odbywa się bez narzędzi. Jako osprzęt dodatkowy dostępne są także styki pomocnicze, wyzwalacze wzrostowe oraz ponadnapięciowe. Wyłączniki FAZ z tej serii wyposażone są w mocowanie do szyny DIN 35, montaż podzespołu odbywa się bez konieczności odkręcania całej grupy. Na urządzeniu umieszczony jest czytelny schemat połączenia oraz podstawowe parametry. Zaciski mocujące współpracują z zaślepkami, co zdecydowanie zwiększa bezpieczeństwo podczas użytkowania.
Wyłączniki APU-30 C i APU-50C przeznaczone są do zabezpieczania przed skutkami zwarć i przeciążeń niskonapięciowych urządzeń elektrycznych prądu przemiennego i stałego. Ich konstrukcja opiera się na budowie powietrznej, izolacyjnej i otwartej. Wyposażone są one w napęd ręczny oraz zdalny: elektromagnesowy (model APU-30 C) i silnikowy (model APU-50C). Znajdują zastosowanie przede wszystkim w pomieszczeniach zamkniętych, w których nie występują pyły ani substancje żrące i wybuchowe. Elektromagnetyczne wyzwalacze zwarciowe działają bezpośrednio na wałek, powodując otwarcie wyłącznika, natomiast nadprądowe przekaźniki bimetalowe działają na wałek poprzez jeden z wyzwalaczy napięciowych. Jako wyposażenie dodatkowe nabyć można wyzwalacze napięciowe, działające w zakresie od 70 do 110% napięcia znamionowego oraz wyzwalacze ponadnapięciowe, w których przy zmniejszeniu napięcia do wartości 35 do 70% odbywa się natychmiastowe otwarcie wyłącznika. Opcjonalnie nabyć można również łączniki pomocnicze.
Trzy w jednym
Uniwersalność nowoczesnych urządzeń zabezpieczających pozwala na jednoczesną ochronę przed przeciążeniami i zwarciami oraz na zapobieganie porażeniom w instalacjach jedno- oraz trójfazowych. Dodatkową ochroną jest zabezpieczenie obwodów z gniazdkami ściennymi znajdującymi się w wilgotnych miejscach. Urządzenia te dostępne są wersjach dwu- i czterobiegunowych na prądy znamionowe od 16 do 125 A oraz prądzie różnicowym od 30 do 500 mA.
Cechą charakterystyczną układów TT jest uziemienie jednego z punktów. W przypadku układów mających punkt neutralny musi on być uziemiony. Jeżeli natomiast punkt neutralny nie występuje, uziemieniu powinien zostać poddany któryś z przewodów fazowych.
W układach IT części czynne układu wyposażone w punkt neutralny muszą być odizolowane od ziemi lub mieć połączony punkt neutralny z ziemią poprzez bezpiecznik iskiernikowy lub przez impedancję o dużej wartości. Połączenie bezpośrednie z ziemią zastosować można w przypadku sztucznego punktu neutralnego jeżeli impedancja dla składowej zerowej jest odpowiednio duża. Części czynne układu, który nie posiada punktu neutralnego muszą być odizolowane od ziemi lub mieć połączony jeden z przewodów fazowych do ziemi za pomocą bezpiecznika iskiernikowego. Niedopuszczalne jest bezpośrednie łączenie przewodów z ziemią.
Wyłączniki różnicowo-prądowe selektywne typu S firmy Moeller charakteryzują się dużą zwłoką czasową przy wyłączaniu, a także zwiększoną odpornością na udar prądowy, wynoszącą 5 kA. Minimalna zwłoka czasowa to 40 ms. Pracują one selektywnie w stosunku do zainstalowanych wyłączników bezzwłocznych. Dostępne są również modele przeznaczone do współpracy z przetwornicami częstotliwości, dzięki czemu zapewniona jest ciągłość pracy przy częstotliwości innej niż 50 Hz a przetwornica chroniona jest przed częstym działaniem wyłącznika. Warto zwrócić uwagę na fakt, że „różnicówki” firmy Moeller (typ B) produkowane są z myślą o instalacjach przemysłowych, gdzie występują prądy sinusoidalne, wyprostowane pulsacyjne oraz gładkie. Wyłączniki różnicowo-prądowe są szeroko stosowane w wydzielonych systemach zasilających stanowiska komputerowe oraz serwery.
Przekaźniki przeciążeniowe
Interesującym rozwiązaniem są przekaźniki przeciążeniowe SIRIUS 3RU firmy Siemens. Charakteryzują się one wyzwalaczem bimetalowym. W zależności od modelu zakres prądu roboczego wynosi od 0,11 do 100 A przy temperaturze pracy od – 20˚C do 70˚C. Dodatkowo wyposażone są one w funkcję pozwalającą na rozpoznawanie asymetrii prądowej. Urządzenia te cechują się także wskaźnikiem położenia styków, spełniającym funkcję testu wyzwalacza. Kasowanie błędu może odbywać się także w sposób automatyczny, co pozwala na samoczynny powrót przekaźnika wyzwalacza przeciążenia po ostygnięciu. Jako akcesoria dodatkowe nabyć można podzespoły pozwalające na łatwe ręczne kasowanie przekaźnika po wyzwoleniu za pomocą dużego przycisku lub linki o wysokim stopniu ochrony. Dostępne są również moduły, dzięki którym urządzenie może być sterowane zdalnie.
Przekaźniki przeciążeniowe 3RB firmy Siemens produkowane są dla prądów roboczych od 0,1 A do 25 A. Podzespoły te cechują się dwiema klasami wyzwalania: 10 oraz 20 s. Producent oferuje także przekaźniki o regulowanym czasie wyzwalania od 5 do 30 s. Urządzenia te wyposażone są w przekładniki prądowe.
Autor: Damian Żabicki
