Menedżerowie zakładów oczekują od maszyn wysokiej wydajności, niezawodnej pracy, zmniejszenia kosztów i zwiększenia bezpieczeństwa pracy operatorów. Aby możliwe było spełnienie tych wymagań, konstruktorzy muszą wyposażyć maszyny w zabezpieczenia obwodów elektrycznych przed możliwymi przyczynami awarii.
Przyczyny awarii można sklasyfikować jako przetężenia, prądy różnicowe bądź upływowe, łuki elektryczne i skoki napięcia wywołane przez uderzenie błyskawicy lub inny zamontowany sprzęt. Wszystkie cztery przyczyny stanowią zagrożenie dla bezpieczeństwa operatora i wiążą się z ryzykiem uszkodzenia sprzętu, które może prowadzić do długiego przestoju.
Przetężenia (prąd przeciążeniowy lub zwarciowy)
Przyczynami przetężeń są trudne warunki, ogólne zużycie, uszkodzenie na skutek wypadku lub z przyczyn naturalnych albo przeciążenie sieci dystrybucyjnej. Przetężenia mogą występować w formie prądów przeciążeniowych lub zwarciowych. Prąd przeciążeniowy to prąd, który przekracza normalne parametry robocze przewodów, ale jego przepływ ogranicza się do sieci dystrybucyjnej, podczas gdy prąd zwarciowy przepływa poza te normalne ścieżki przewodzenia.
Tymczasowe przeciążenie, którego natężenie często jest od jednego do sześciu razy większe od normalnego poziomu natężenia, jest przeważnie powodowane niegroźnym skokiem napięcia, który występuje przy rozruchu silników lub włączeniu zasilania urządzenia. Ze względu na krótki czas trwania wzrost temperatury przewodów jest znikomy, nie powoduje żadnych szkodliwych skutków i niezwykle istotne jest, aby urządzenia zabezpieczające na niego nie reagowały. Ciągłe przeciążenie może jednak wynikać z wad silników, zużycia łożysk, pracy sprzętu powyżej jego normalnych parametrów roboczych lub podłączenia zbyt wielu obciążeń do jednego obwodu. Takie przeciążenia powodują szkody i muszą być szybko usuwane przez zabezpieczenia, aby zapobiec uszkodzeniom.
W przeciwieństwie do prądów przeciążeniowych natężenie prądów zwarciowych może być kilkaset razy większe od normalnego poziomu natężenia roboczego, osiągając wartość ponad 50 000 A. Jeżeli taki prąd nie zostanie odizolowany w ciągu kilku milisekund, może powodować gwałtownie rosnące szkody i zniszczenia, skutkując poważnym uszkodzeniem izolacji, stopieniem przewodów, parowaniem metalu oraz powstawaniem łuków elektrycznych i pożarów.
Wykorzystuje się dwa rodzaje zabezpieczeń: wyłączniki nadprądowe i bezpieczniki. Chociaż uważa się, że wyłącznik nadprądowy stanowi zamiennik dla bezpiecznika, obydwa elementy mają swoje zastosowania. Bezpiecznik ma tę przewagę nad wyłącznikiem nadprądowym, że jego czas reakcji wynosi 45 ms. Umożliwia to zapobieganie prądom zakłóceniowym o wysokim natężeniu, które mogą uszkodzić elementy elektroniczne maszyny. W celu zapewnienia prawidłowego zabezpieczenia należy dokładnie rozważyć wartości znamionowe napięcia i natężenia dla bezpiecznika, zarówno pod kątem ciągłej pracy, jak i jej przerwania. Warto też zasięgnąć opinii dostawcy – taka pomoc może się okazać niezbędna ze względu na dużą ilość zastosowań bezpieczników i różnorodność ich typów.
Z drugiej strony wyłączniki nadprądowe można resetować po awarii, w niektórych rozwiązaniach nawet zdalnie. W przypadku niektórych zastosowań możliwość zdalnego zresetowania wyłącznika nadprądowego, zamiast wysyłania technika na miejsce, może zwiększyć czas pracy maszyny. Wyłączniki nadprądowe również sprawdzają się lepiej niż bezpieczniki w obwodach, w których występują obciążenia indukcyjne, takie jak silniki elektryczne czy transformatory, które wywołują silne, przejściowe prądy rozruchowe. Można je z łatwością ustawić tak, aby reagowały na prawdziwe, istotne zakłócenia, bez „niepotrzebnego wyzwalania” podczas przejściowych obciążeń indukcyjnych.
Ponadto w przypadku wyłączników nadprądowych można regulować charakterystykę zabezpieczenia, co sprawia, że nadają się one do wielu różnych zastosowań, podczas gdy dla bezpieczników trzeba wybrać jeden o dokładnie takich parametrach, jakie są wymagane do danego zastosowania. Wyłączniki mocy mogą dodatkowo pełnić inne funkcje, np. wyłączników awaryjnych lub wyłączników głównych, przy zastosowaniu asortymentu akcesoriów modułowych.
Prądy różnicowe bądź upływowe
Prądy różnicowe bądź upływowe nie są tak silne i nie mają takiej mocy jak prądy zwarciowe, ale jeżeli pozwoli się, aby prąd upływowy o natężeniu zaledwie 30 mA przepływał przez ludzkie ciało przez więcej niż ułamek sekundy, może on spowodować zatrzymanie akcji serca lub poważne uszkodzenie ciała. W związku z tym układy dystrybucji zasilania muszą zawierać wyłączniki różnicowo-prądowe (Residual Current Devices – RCD), które otwierają się przy wykryciu zaburzenia równowagi pomiędzy prądem płynącym w linii zasilania i w przewodzie zerowym. Każde zaburzenie równowagi tego typu zazwyczaj wskazuje na wystąpienie zwarcia lub innej nieprawidłowości elektrycznej. Oprócz zagrożenia porażeniem elektrycznym występuje również zagrożenie pożarem, jaki mogą wywołać nadmierne prądy różnicowe.
Jednak we współczesnych zakładach przemysłowych układy maszyn często obejmują napędy o zmiennej prędkości, które generują robocze prądy upływowe. Dlatego ważne jest, aby wyłącznik różnicowo-prądowy odpowiednio reagował na prądy zakłóceniowe, które rzeczywiście stanowią zagrożenie, bez „niepotrzebnego wyzwalania” w odpowiedzi na normalne dla układu napędowego prądy upływowe i bez zmniejszenia stopnia ochrony operatora.
Konstruktorzy maszyn powinni korzystać z wyłączników różnicowo-prądowych typu B, aby spełniać wymogi dotyczące zabezpieczeń sprzętu maszynowego. Wyzwanie polega na jednoczesnym utrzymaniu długiego czasu pracy układu oraz zapewnieniu wysokiego poziomu ochrony dla sprzętu i operatora, niezależnie od lokalizacji maszyny. Dlatego niezbędne jest przestrzeganie wszystkich norm i regulacji.
Obecnie na rynku dostępne są cyfrowe wyłączniki różnicowo-prądowe, oferujące użytkownikom maszyn wiele korzyści. Dzięki funkcji pomiaru prądów różnicowych w czasie rzeczywistym mogą one powiadamiać o zagrożeniu zarówno lokalnie, za pomocą kontrolek LED, jak i zdalnie, poprzez styki bezpotencjałowe. Awarie można wykrywać, zanim dojdzie do wyzwolenia, co zmniejsza potrzebę nieplanowych konserwacji i w rezultacie wydłuża czas pracy układu.
Zwarcia łukowe
Zwarcia łukowe mogą wystąpić w przypadku uszkodzenia izolacji lub poluzowania przewodów i stanowią główną przyczynę uszkodzeń instalacji elektrycznych. Podobnie jak wszelkie uszkodzenia instalacji elektrycznych tego typu, zwarcia łukowe mogą łatwo wywołać pożar, co stwarza poważne zagrożenie dla operatorów, maszyn i infrastruktury. Typową przyczyną powstania zwarcia łukowego jest np. uszkodzenie kabla przez podnośnik mechaniczny. Firmy ubezpieczeniowe szacują, że 25% wszystkich pożarów spowodowanych przez awarię elektryczną było na pewnym etapie zwarciem łukowym. Początkowo urządzenia wykrywające zwarcia łukowe (Arc Fault Detection Devices – AFDD) miały chronić przed pożarem osoby i mienie w budynkach mieszkalnych, ale ponieważ okazały się niezawodne i niedrogie, stają się coraz bardziej popularne wśród konstruktorów maszyn.
Do wykrywania zwarć łukowych wykorzystywane są złożone obwody elektryczne, które wykrywają sygnały o wysokiej częstotliwości na linii zasilania. Wzór szumów łuków elektrycznych rozkłada się w szerszym paśmie, różniącym się od innych zakłóceń o wysokiej częstotliwości. Wykrycie zwarcia łukowego uruchamia podłączony wyłącznik nadprądowy (Miniature Circuit Breaker – MCB) lub wyłącznik różnicowo-prądowy z wbudowanym zabezpieczeniem nadprądowym (Residual Current Circuit Breaker – RCBO), który odcina zasilanie od łuku elektrycznego.
Najważniejszą cechą wyróżniającą urządzenia wykrywające zwarcia łukowe pod względem jakości jest minimalizacja liczby niepotrzebnych wyzwoleń. Stanowi to wyzwanie dla konstruktorów maszyn ze względu na fakt, że wiele sygnałów na linii, np. przełączanie styków, może zostać błędnie zinterpretowanych jako zwarcia łukowe. Szybkie i bezpieczne wykrywanie (oraz redukcja) zwarć łukowych stanowią przedmiot dokładnych badań na etapie zatwierdzania instalacji zasilania w budynkach przemysłowych.
Z tego powodu strategie ochrony przed zwarciami łukowymi skupiają się na ich wykrywaniu. Urządzenia wykrywające zwarcia łukowe współpracują z wyłącznikami mocy oraz wyłącznikami różnicowo–prądowymi z wbudowanym zabezpieczeniem nadprądowym. Urządzenie wykrywające zwarcia łukowe powinno reagować w momencie wykrycia łuku elektrycznego o energii wynoszącej 100 dżuli lub więcej, skracając dopuszczalny czas reakcji wraz ze wzrostem energii łuku elektrycznego. Ogólnie rzecz biorąc, skuteczność zabezpieczenia zależy przede wszystkim od szybkiej reakcji w celu zminimalizowania energii łuku elektrycznego.
Urządzenia wykrywające zwarcia łukowe są niezbędne nawet w układach, które są już zaopatrzone w zabezpieczenie nadprądowe. Wyłączniki mocy i wyłączniki różnicowo-prądowe nie są bowiem w stanie wykryć zwarć łukowych, które zazwyczaj nie wywołują prądów przetężeniowych ani różnicowych. Urządzenia wykrywające zwarcia łukowe w połączeniu z wyłącznikami nadprądowymi stanowią najlepsze zabezpieczenie przed szeregowymi i równoległymi zwarciami łukowymi np. L-L lub L-N. Urządzenia wykrywające zwarcia łukowe w połączeniu z wyłącznikami różnicowo-prądowymi chronią z kolei przed zwarciami między fazą a przewodem ochronnym (L-PE).
Ochrona przeciwprzepięciowa
Coraz częstsze stosowanie elementów elektronicznych w maszynach wiąże się z koniecznością zapewnienia ochrony przeciwprzepięciowej sieci dystrybucyjnej. Wraz z rozwojem koncepcji Przemysłu 4.0 coraz powszechniejsze staje się stosowanie komputerów, sterowników PLC, wyświetlaczy i podzespołów komunikacyjnych w licznych aplikacjach przemysłowych. Tymczasem przepięcia mogą poważnie uszkodzić tego typu elementy i urządzenia elektroniczne, powodując katastrofalne w skutkach awarie, przerywanie procesów technologicznych oraz powtarzające się uszkodzenia, prowadzące w rezultacie do awarii. Przyczynami przepięć mogą być zdarzenia zewnętrzne, takie jak uderzenie pioruna, przełączanie sieci elektroenergetycznej lub przełączanie wewnętrznego silnika i przekaźnika.
Przepięcia szybko osiągają niebezpieczne poziomy napięcia, często w ciągu nanosekund. Bezpieczniki i wyłączniki mocy nie są w stanie zareagować dostatecznie szybko, aby zapobiec uszkodzeniu. Z tego powodu konieczne są alternatywne metody, aby uzupełnić istniejące już zabezpieczenia przeciwprzetężeniowe o ochronę przeciwprzepięciową. Najczęściej stosowanymi podzespołami są iskierniki i warystory. Iskierniki, które mają długi okres eksploatacji i potrafią zaabsorbować duże ilości energii, wymagają zazwyczaj określonego poziomu energii aktywacji, podczas gdy warystory działają bardzo szybko i nie potrzebują nadmiernej ilości energii do wywołania reakcji.
Zalecane jest zainstalowanie co najmniej jednego urządzenia przeciwprzepięciowego (Surge Protection Device – SPD) w szafie dystrybucyjnej, jednego w każdym wrażliwym urządzeniu i jednego na przewodzie czujnika wychodzącym poza budynek. Koszty urządzeń przeciwprzepięciowych są zazwyczaj niewielkie w porównaniu ze szkodami, jakim zapobiegają.
Podsumowanie
Wyłączniki mocy, bezpieczniki i inne urządzenia rzadko się sprawdzają, gdy działają w aplikacjach ochronnych linii zasilających samodzielnie. Zazwyczaj projektowane są jako części składowe hierarchicznych układów zasilania, w których funkcje zabezpieczeniowe podzielone są między podzespoły, w zależności od ich pozycji w ogólnym układzie. Logicznym rozwiązaniem jest zaopatrywanie się we wszystkie te elementy u jednego, najlepiej globalnego partnera, który zagwarantuje ich wydajność we wspólnej pracy i posłuży radą przy opracowywaniu zrównoważonego rozwiązania zabezpieczającego.
Autor: dr Peter Terhoeven jest kierownikiem działu badawczo-rozwojowego w firmie Eaton.
Tekst pochodzi ze specjalnego wydania “Energia 2017“. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
