Prąd elektryczny jest podstawowym nośnikiem energii w zakładach produkcyjnych.
Nie zawsze jednak prąd zasilający urządzenia jest odpowiedniej jakości. Związane jest to z kilkoma czynnikami – samymi odbiornikami, siecią (zarówno na terenie zakładu, jak i poza nim), a także innymi czynnikami wpływającymi na parametry prądu. Warto zatem prowadzić monitoring i analizy jakości energii elektrycznej.
Najpopularniejsze są bezpieczniki topikowe. Są to bardzo proste elementy zabezpieczające układy elektryczne. Korpusy wykonuje się zazwyczaj ze steatytu (zbitego talku), który ma bardzo dobrą odporność na obciążenia termiczne. Wewnątrz znajduje się element topikowy z miedzi, a wnętrze wypełnione jest piaskiem kwarcowym. Pokrywy wykonuje się z aluminium lub w przypadku zastosowania w górnictwie – ze stali. Zadziałanie takiego bezpiecznika polega na stopieniu się elementu topikowego, co powoduje przerwanie ciągłości obwodu elektrycznego. Często, ale niepoprawnie, bezpiecznikami nazywane są też inne aparaty elektryczne, takie jak: wyłączniki automatyczne wkrętkowe, wyłączniki instalacyjne czy wyłączniki różnicowoprądowe.
Prostota budowy nie oznacza wcale, że w tej dziedzinie nie mamy do czynienia z nowymi konstrukcjami i nowymi materiałami. W utrzymaniu ruchu znaczenie mają nie tylko parametry pracy wymienionych powyżej zabezpieczeń, ale też wszystko, co ułatwia szybką diagnostykę układu elektrycznego, jak choćby wkładki topikowe ze wskaźnikiem zadziałania umieszczanym w przedniej części korpusu. Pozwala to szybko zorientować się, w jakim obwodzie wystąpiło przeciążenie. Na rynku dostępne są też bezpieczniki topikowe z wybijakiem. W połączeniu z mikrowyłącznikiem pozwalają na zdalne przekazanie informacji o stanie bezpiecznika. Należy zwracać uwagę na charakterystykę pracy bezpiecznika topikowego. Na przykład do ochrony silników używa się bezpieczników o charakterystyce aM. Mają one charakterystykę niepełnozakresową, co pozwala na ich pracę tam, gdzie występują nawet znaczne prądy rozruchowe.
W praktyce
Jak mówi Roman Kłopocki, product manager w firmie ETI Polam, przy doborze bezpieczników do zabezpieczania przewodów należy wziąć pod uwagę: dla ochrony przed przeciążeniem – charakterystyki czasowo-prądowe bezpieczników, a dla ochrony przed zwarciem – charakterystyki energetyczne bezpieczników – całki Joule’a (A2s), które są podawane przez producentów w katalogach. Należy dobrać napięcie znamionowe bezpiecznika do napięcia znamionowego zabezpieczanego obwodu, wyliczyć prąd znamionowy bezpiecznika w zależności od przekroju zabezpieczanego przewodu, dobrać jego charakterystykę czasowo-prądową, określić prąd ograniczony bezpiecznika w zależności od spodziewanego prądu zwarcia, dobrać wielkość bezpiecznika (rozmiar) i podstawy bezpiecznikowej lub rozłącznika bezpiecznikowego. Firmą macierzystą ETI Polam jest słoweńska ETI-ELEKTROELEMENT, należąca do największych w Europie fabryk sprzętu elektrotechnicznego. Jej główny asortyment produkcji to: wyłączniki nadprądowe i ochronne różnicowo-prądowe, bezpieczniki topikowe o różnych wielkościach i charakterystykach oraz ceramika elektrotechniczna itp.
Z kolei SIBA jest jednym z trzech największych producentów bezpieczników topikowych. W swojej ofercie ma ok. 14,5 tys. typów wkładek topikowych wysokiego i niskiego napięcia, miniaturowych i do zabezpieczania półprzewodników. Jej sztandarowym produktem są wkładki topikowe wysokiego napięcia z wybijakiem wyposażonym w wyzwalacz termiczny. Krzysztof Ćwidak, konsultant techniczny w firmie SIBA Polska, zwraca uwagę na to, że zasady doboru bezpiecznika zależą od zabezpieczanego urządzenia lub instalacji. To oczywiste. Jednak w przypadku bezpieczników do zabezpieczania półprzewodników są one obecnie znormalizowane pod względem wymiarów. Natomiast ich dane znamionowe, takie jak I2t przedłukowe i wyłączania, charakterystyki czasowo-prądowe, przepięcia przy wyłączaniu oraz straty mocy nie są określone w normie. Jednak producenci i dystrybutorzy tych bezpieczników dysponują tabelami zamienników umożliwiającymi bezproblemowe i bezpieczne zastąpienie wkładek topikowych jednego producenta wkładkami innego producenta.
Popełniane błędy
Przeciążenia w obwodach elektrycznych to częste zjawisko, ale stale przekroczona wartość prądu znamionowego może spowodować nadmierne rozgrzanie przewodów, a to prowadzi z czasem do uszkodzenia izolacji i może być źródłem pożaru. Takie sytuacje wcale nie muszą być związane z wadliwą instalacją elektryczną. Powodem może być także uszkodzenie mechaniczne – na przykład nieprawidłowa praca łożyska może powodować nadmierne obciążenie silnika elektrycznego, co również należy brać pod uwagę. Przy doborze bezpieczników nie wszyscy zwracają uwagę na charakterystyki pracy. Jak mówi Roman Kłopocki, bardzo często nie przywiązuje się uwagi do charakterystyki bezpieczników gG (zwłocznej) lub gF (szybkiej). Szczególnie często mylone są charakterystyki gR i aR do zabezpieczania półprzewodników. Jest to o tyle groźne dla zabezpieczanego obwodu, że charakterystyka aR bezpiecznika oznacza charakterystykę niepełnozakresową, a to oznacza, że bezpiecznik wyłącza tylko zwarcia (nie wyłącza przeciążeń) natomiast charakterystyka gR jest charakterystyką pełnozakresową, a to oznacza, że bezpiecznik wyłącza zarówno w zakresie przeciążeń, jak i zwarć. Dodaje też, że popełnia się błędy przy stosowaniu zasady selektywności działania zabezpieczeń, szczególnie przy współpracy bezpieczników topikowych z wyłącznikami nadprądowymi i innymi rodzajami zabezpieczeń. Również często stosuje się bezpieczniki topikowe przeznaczone do obwodów prądu przemiennego w obwodach prądu stałego. Jest to bardzo niebezpieczne, ponieważ wkładka na napięcie znamionowe przemienne może nie ugasić łuku elektrycznego prądu stałego w momencie wyłączania zwarcia.
Z kolei Krzysztof Ćwidak wymienia takie błędy, jak ignorowanie potrzeby uwzględnienia charakterystyki czasowo-prądowej wkładek topikowych. Również w przypadku bezpieczników miniaturowych nie zawsze sprawdzają, czy zwarciowa zdolność wyłączania dobieranych wkładek jest większa niż prądy zwarciowe w miejscu ich instalowania. Jego zdaniem trzeba też – dobierając standardowe podstawy bezpiecznikowe do wkładek topikowych do zabezpieczania półprzewodników – brać pod uwagę moc rozpraszaną przez same podstawy bezpiecznikowe. Powinna ona być większa niż strata mocy umieszczonych w nich wkładek topikowych. Już nie w kategorii błędów zwraca uwagę na to, że strata mocy na wkładce topikowej nie tylko wpływa na koszty eksploatacji, ale również powoduje przyrosty temperatury wewnątrz obudów, w których zainstalowano bezpieczniki. W rozdzielnicach duże przyrosty temperatury powodują konieczność obniżenia prądu znamionowego wkładek topikowych oraz mogą powodować uszkodzenia wynikające z degradacji izolacji i przegrzewania się torów prądowych.
Nowości
Pod względem użytkowym typowe bezpieczniki topikowe mają wiele wad. Nie jest prawdą, że zadziała, jeśli tylko popłynie w nim prąd o wartości przekraczającej nominalną. Typowy bezpiecznik ma odwrotną charakterystykę czasowo-prądową, czyli im większy prąd, tym szybciej się przepali. W niektórych sytuacjach, choć wartość znamionowa prądu jest przekroczona, to czas do rozłączenia obwodu może być na tyle długi, że spowoduje to dodatkowe uszkodzenia lub zagrożenie dla użytkowników urządzeń. Bezpiecznik ma tylko jedną charakterystykę czasowo prądową i nie można jej zmienić lub sygnałem z zewnątrz spowodować rozłączenie obwodu.
Podstawową zaletą jest prostota budowy w połączeniu z niską ceną i dużą niezawodnością. Zapewne to spowodowało, że choć w minionych latach zapowiadano odchodzenie od bezpieczników topikowych, to nadal są one popularne. Dodatkowo sprzyja temu pojawienie się wielu nowych i udoskonalonych rozwiązań technologicznych i konstrukcyjnych bezpieczników topikowych niskiego napięcia.
Roman Kłopocki z nowości w ofercie ETI Polam wymienia do stosowania w instalacjach przemysłowych bezpieczniki typu WT o charakterystykach podstawowych gG (charakterystyka zwłoczna) i gF (charakterystyka szybka) do zabezpieczania przewodów i kabli oraz bardziej specjalistyczne bezpieczniki o charakterystykach: aM – do zabezpieczania obwodów zasilających silniki elektryczne, gR i aR do zabezpieczania elementów półprzewodnikowych (diody, tyrystory itp.), gTr – do zabezpieczania obwodów wtórnych transformatorów sieciowych, gPV – do zabezpieczania obwodów prądu stałego instalacji fotowoltaicznych PV, gB – do zabezpieczania kabli i urządzeń podziemnych w kopalniach. Jak mówi, warto na nie zwrócić uwagę ze względu na parametry elektryczne, takie jak: niskie znamionowe straty mocy, precyzyjne charakterystyki czasowo-prądowe (zależność czasu zadziałania bezpiecznika od prądu przeciążenia lub zwarcia) t-I, niskie całki cieplne Joule’a (A2s), dostępne w szerokim zakresie prądów znamionowych i wielkości wraz z osprzętem dodatkowym – podstawy bezpiecznikowe, rozłączniki bezpiecznikowe itp. W firmie ETI obecnie główne kierunki prac nad rozwojem bezpieczników topikowych instalacyjnych (powszechnego użytku) i przemysłowych firmy zmierzają do: doskonalenia i wprowadzania nowych charakterystyk czasowo-prądowych, rozszerzania zakresów prądów znamionowych bezpieczników instalacyjnych D, polepszania parametrów elektrycznych bezpieczników przez obniżanie strat mocy poprzez stosowanie srebrzonych styków przy wkładkach instalacyjnych i styków nożowych przy wkładkach przemysłowych oraz powiększania zdolności zwarciowej poprzez modyfikację geometrii ich elementów topikowych.
Nowoczesnymi bezpiecznikami w ofercie firmy Siba są bezpieczniki do zabezpieczania półprzewodników. Oprócz wkładek topikowych o niepełnej zdolności wyłączania (aR) firma oferuje również wkładki (o oznaczeniu gS, a wcześniej oznaczane skrótem gRL) zabezpieczające dodatkowo przewody. Firma wytwarza też bezpieczniki do zabezpieczania systemów fotowoltaicznych PV. Jak dodaje Krzysztof Ćwidak, zmiany technologii montażu obwodów elektronicznych i stała miniaturyzacja elementów elektronicznych wymuszają na producentach bezpieczników miniaturowych konieczność dostosowania produktów do tych zmian. Stąd wkładki topikowe subminiaturowe o wymiarach zaledwie 1 × 0,5 × 0,32 mm lub wkładki o dużej zdolności wyłączania do montażu powierzchniowego.
Na pewno duży potencjał rozwojowy jest w różnego typu wyłącznikach. Wyłącznik nadprądowy samoczynnie odłącza obwód, w którym jest zamontowany, jeśli prąd płynący przekroczy ustaloną wartość. Są one dziś oferowane w różnych wykonaniach. Oznaczone literą A działają natychmiastowo, a B, C oraz D mają opóźnione działanie. Można też otwierać lub zamykać obwód ręcznie albo automatycznie bez wpływu na sam wyłącznik. To również zaleta wyłączników w stosunku do bezpieczników.
Przeciążenie w systemie elektrycznym, jeśli jest umiarkowane i nie występuje zbyt często, to normalne zjawisko. Znaczne przetężenia mogą uszkadzać izolację, powodować niszczenie różnych elementów montażowych. Mówiąc o systemie elektrycznym i jego zabezpieczeniu, warto wspomnieć o koordynacji wybiórczej. Chodzi o to, by odizolować przeciążony lub uszkodzony obwód przez zadziałanie najbliższego zabezpieczenia przeciążeniowego. Uszkodzenie w jednym miejscu nie może mieć wpływu na pozostałe elementy sieci, co objawia się na przykład samoczynnymi wyłączeniami. Jest to możliwe, jeśli odpowiednio dobierze się parametry wyzwalaczy w wyłącznikach instalacyjnych. Oczywiście bezpieczeństwo jest tu sprawą podstawową. Obecnie coraz więcej specjalistów jest przekonanych, że koordynację i bezpieczeństwo można pogodzić z ochroną przed wyładowaniami łukowymi. Warto obserwować postępy w systemach zabezpieczeń i sposobie budowy sieci zasilania prądem elektrycznym. Zawsze znaczącym elementem przy podejmowaniu decyzji są koszty. Tu bezpieczniki często okazują się w wielu zastosowaniach bardzo konkurencyjne.
UR
Autor: Bohdan Szafrański
