Wyłącznik nadprądowy – Co to jest? Dobór zabezpieczeń, charakterystyki

Wyłącznik nadprądowy (nadmiarowo-prądowy) to najbardziej rozpowszechniony obecnie element wchodzący w skład instalacji elektrycznej. Na pewno mieliście z nim do czynienia, może niekoniecznie pod określeniem „wyłącznik nadprądowy” czy „wyłącznik nadmiarowo-prądowy”, ale również: korek, bezpiecznik, es czy eska. Znajdziemy go praktycznie w każdej rozdzielnicy domowej, mieszkaniowej jak i przemysłowej. Z uwagi na swoją budowę, funkcjonalność oraz uniwersalność wypiera sukcesywnie wcześniej stosowane bezpieczniki topikowe. W moim artykule postaram się wprowadzić Was głębiej w temat tych urządzeń.

Definicja

Ogólna definicja wyłącznika nadprądowego mówi, że jest to urządzenie, które chroni instalację elektryczną oraz podpięte poprzez nią odbiorniki przed skutkami zwarć oraz przeciążeń, które w tej instalacji mogą wystąpić. Analizując powyższą definicję od razu pojawia się kolejne pytanie: Co to jest przeciążenie, a co nazywamy zwarciem? Już wyjaśniam.

Przeciążenie elektryczne – przepływ przez element prądu elektrycznego większego niż znamionowy tego elementu. Naszym elementem jest przewód elektryczny, który ma określoną przez producenta długotrwałą obciążalność prądową. W przypadku kiedy ta wartość jest przekroczona, wydziela się ciepło. Utrzymująca się przez dłuższy czas podwyższona temperatura na przewodzie elektrycznym w skrajnym przypadku może doprowadzić – poprzez stopienie się izolacji – do pożaru. I tutaj na straży czuwa odpowiednio dobrany wyłącznik nadprądowy, który w odpowiednim momencie przerwie zasilanie obwodu. Dlaczego to zaznaczyłem? Z uwagi na to iż wyłączniki nadprądowe dobiera się według określonych zasad, ale o tym powiemy w dalszej części artykułu. Analizując definicję przeciążeń elektrycznych warto omówić bardzo istotny aspekt. Te zjawisko nie pojawia się w obwodach elektrycznych samoistnie. Zazwyczaj to użytkownicy końcowi (czyli my) doprowadzamy do takich sytuacji poprzez zbyt intensywne obciążanie poszczególnych obwodów elektrycznych. Idealny przykład obrazuje rysunek 2, na którym widzimy znane nam wszystkim przedłużacze elektryczne.

 

Od razu chciałem zaznaczyć, że nie jestem przeciwnikiem stosowania tego typu elementów. Najważniejsze jest to aby używać ich rozsądnie, bo każde z tych urządzeń ma określoną obciążalność prądową. Nieświadomi użytkownicy często podłączają szeregowo kolejne przedłużacze, a do nich kolejne odbiorniki, tworząc mega rozbudowany obwód elektryczny. W przypadku takiej rozbudowanej sieci nie trudno o pojawienie się zjawiska przeciążenia elektrycznego, a to jak pisałem wcześniej może przynieść dosyć poważne konsekwencje. Wniosek z tego taki aby ograniczać maksymalnie tworzenie tzw. „jeżyków”.

Zwarcie elektryczne – na przykładzie instalacji domowej możemy to zdefiniować jako połączenie przewodu fazowego i neutralnego na skutek uszkodzenia izolacji pomiędzy tymi żyłami lub połączenia się tych żył w sposób mechaniczny. Towarzyszy temu zjawisku pojawienie się w obwodzie prądu zwarciowego o bardzo dużym natężeniu, który może spowodować uszkodzenie przewodów podłączonych do obwodu odbiorników jak i pożar. Taki prąd musi być jak najszybciej przerwany poprzez zadziałanie zabezpieczenia zwarciowego, w naszym przypadku – „eski”.

Kiedy w praktyce możemy mieć do czynienia ze zwarciem? Np. kiedy wiercąc otwór pod kołek trafimy na przewód pod napięciem, nieodpowiednio zabezpieczymy końcówkę obciętego przewodu elektrycznego, gdzie żyły fazowa i neutralna będą ze sobą połączone. No i na koniec kiedy w procesie „spinania” całej instalacji elektrycznej zepniemy ze sobą przewód L i N, po czym załączymy obwód elektryczny.

Podział najbardziej popularnych wyłączników nadprądowych

• Ze względu na rozmiar (ilość modułów):
  • 1-biegunowe
  • 2-biegunowe
  • 3-biegunowe
  • 4-biegunowe

• Ze względu na charakterystykę czasowo-prądową – charakterystykę wyłączenia (rys. 5) – podział w obrębie tej grupy dotyczy szybkości zadziałania wyłącznika w zależności od natężenia prądu przepływającego przez niego. Wystąpienie zwarcia w obwodzie wyzwoli wyłącznik nadprądowy od razu bez względu na charakterystykę.
  • Charakterystyka czasowo-prądowa A – rzadziej spotykane, charakteryzują się natychmiastowym zadziałaniem (bezzwłocznym), stosowane do zabezpieczeń urządzeń elektronicznych
  • Charakterystyka czasowo-prądowa B – najbardziej standardowa grupa stosowana do rozwiązań mieszkaniowych służą do zabezpieczania urządzeń o małych prądach rozruchowych, np. obwody gniazdkowe, oświetleniowe
  • Charakterystyka czasowo-prądowa C – stosowane do zabezpieczania urządzeń o zwiększonych prądach rozruchowych, główne zastosowanie znajdują w rozwiązaniach przemysłowych, np. do rozruchów silników
  • Charakterystyka czasowo-prądowa D – typowo przemysłowe zastosowanie, zabezpieczają urządzenia elektroenergetyczne o dużych prądach rozruchowych

Istnieją również wyłączniki nadprądowe o charakterystykach E, K, L, S, Z. Z uwagi na tematykę artykułu nie będziemy ich omawiać. Są to urządzenia, których zwykły „śmiertelnik” raczej nie doświadczy.

W tabelce nr 1 określone mamy wartości prądów wyzwalania zwarciowego oraz przeciążeniowego w zależności od charakterystyki czasowo-prądowej wyłącznika.

Lp	Charakterystyka czasowo-prądowa	Prąd wyzwalania przeciążeniowego (krotność)	Prąd wyzwalania zwarciowego (krotność)
1.	B	1,13-1,45	od 3 do 5
2.	C	1,13-1,45	od 5 do 10
3.	D	1,13-1,45	od 10 do 20

Tab. 1. Wartości prądów wyzwalania zwarciowego oraz przeciążeniowego w zależności od charakterystyki wyłącznika

• Ze względu na prąd znamionowy wyłącznika: 6A, 10A, ,16A, 20A, 25A, 32A, 40A, 50A, 63A, 80A, 100A, 125A, niektórzy producenci w swojej ofercie posiadają wyłączniki o In = 0,5A, 1A, 2A, 3A, 4A, 8A

Budowa włącznika nadprądowego

• Każdy wyłącznik nadprądowy ma znormalizowaną szerokość (szerokość jednego modułu = 17,7mm x krotność), wysokość natomiast może delikatnie się różnić w zależności od producenta danej „eski” (rys. 3 i 4),
• Konstrukcja obudowy wyłącznika jest przystosowana do montażu na szynie DIN TH35,

 

• W górnej i dolne części wyłącznika znajdują się śrubowe zaciski przyłączeniowe, za pomocą których podłączamy przewody zasilające i odpływowe do naszego urządzenia,

 

• Na przedniej elewacji znajduje się dźwignia napędowa za pomocą której załączamy/wyłączamy napięcie w zabezpieczonym przez wyłącznik obwodzie (rys. 8)
• Poniżej dźwigni znajduje się wskaźnik określający status „pracy” wyłącznika, a mianowicie:
  • kolor zielony – wyłącznik wyłączony (przerwa w obwodzie, stan bezpieczny)
  • kolor czerwony – wyłącznik załączony

 

• 

  Na przednim panelu naniesione są również parametry urządzenia takie jak: producent, typ, charakterystyka wyzwalania, prąd znamionowy, napięcie pracy, wartość maksymalnego prądu jaki może przepłynąć przez wyłącznik (rys. 9),

• Widok elementów znajdujących się wewnątrz obudowy wyłącznika obrazuje rys. 10.

Legenda:

1 – Wyzwalacz zwarciowy (elektromagnetyczny)

2 – Wyzwalacz przeciążeniowy (termobimetalowy)

3 – Komora do gaszenia łuku elektrycznego

4 – Zamek

5 – Styk stały/ruchomy

 

Podłączenie wyłącznika nadprądowego

Teoretyczne podłączenia wyłącznika obrazuje rys. 11. W praktyce musimy pamiętać o poniższych zasadach:

• Do podłączenia wyłączników za pomocą listew łączeniowych w aparaturze modułowej używamy dedykowanych do tego celu zacisków znajdujących się powyżej zacisków na przewody (jedne i drugie dokręcane są za pomocą tej samej śruby)
• Pamiętamy aby dokładnie dokręcić każde połączenie listwy z danym modułem,
• Dobieramy odpowiednie listwy do danego typu aparatury modułowej,
• Jeżeli chcemy pod zacisk śrubowy podłączyć przewody typu drut, pamiętajmy aby ściągnąć z nich odpowiednią ilość izolacji – maksymalnie 12 mm, aby przy dokręcaniu zacisk właściwie trzymał dokręcany przewód,

• Chcąc podpiąć pod zacisk dwa przewody typu drut, pamiętajmy aby były one jednakowego przekroju – przewody o różnych średnicach nie będą trwale zamocowane choćbyśmy nie wiem z jaką siłą dokręcali zaciski śrubowe (rys. 12),
• Podłączenie przewodu Lgy i YDY pod jeden zacisk również jest niewskazane,
• Po dokręceniu przewodów do zacisków wyłącznika weryfikujemy za każdym razem poprawność dokręcenia przewodów,
• Należy zweryfikować czy dokręcane przewody zostały wsadzone w odpowiednie miejsce w zaciskach przyłączeniowych wyłącznika, tj. pomiędzy elementem ruchomym a stałym zacisku,

 

 

Dobór odpowiednich wyłączników nadprądowych.

Norma PN-HD 60364-4-43:2012 mówi nam, że urządzenia zabezpieczające powinny być tak dobrane, aby w przypadku przepływu prądów o wartości większej od długotrwałej obciążalności prądowej przewodów Iz, następowało ich działanie zanim nastąpi nadmierny wzrost temperatury żył przewodów. Wymagania te uważa się za spełnione, jeżeli zachowane są następujące warunki:

Ib ≤ In ≤ Iz

I2 ≤ 1,45 Iz

gdzie:
Ib – prąd obliczeniowy lub prąd znamionowy odbiornika, jeżeli z danego obwodu jest zasilany tylko jeden odbiornik,
Iz – obciążalność prądowa długotrwała przewodu,
In – prąd znamionowy lub prąd nastawienia urządzenia zabezpieczającego,
I2 – prąd zadziałania urządzenia zabezpieczającego.

Prąd zadziałania urządzenia I2 należy określać jako krotność prądu znamionowego In wyłącznika nadprądowego lub bezpiecznika topikowego według zależności:

I2 = k × In

gdzie:
k współczynnik krotności prądu powodującego zadziałanie urządzenia zabezpieczającego przyjmowany jako równy: 1,6 oraz 2,1 dla wkładek bezpiecznikowych i 1,45 dla wyłączników nadprądowych o charakterystyce B, C i D.

Przykład nr 1

Mamy poprowadzony obwód prądowy do kuchni przewodem YDYp położonym pod tynkiem o przekroju 3×2,5mm2. Chcemy do tego obwody podłączyć piekarnik o mocy 2000W o mocy. Jakie należy zastosować wyłącznik nadprądowy do tego obwodu?

Dane wejściowe:

• Przekrój przewodu YDYp wynosi 3×2,5mm2 – z tabeli nr 2 odczytujemy obciążalność prądową, która równa się 18,5A
• Prąd znamionowy piekarnika po przeliczeniu z mocy znamionowej wynosi ok. 8,7A

Podstawiając do powyższych wzorów:

8,7A ≤ In ≤ 18,5A => na podstawie tej zależności widzimy iż prąd znamionowy zabezpieczenia z dostępnego typoszeregu może wynieść 10A lub 16A. Z doświadczenia zastosujemy zabezpieczenie 16A.

8,7A ≤16 ≤ 18,5A – warunek nr 1 spełniony

I2 ≤ 1,45 Iz to I2 ≤ 1,45×18,5 => I2 ≤ 26,825

I2 = k × In = 1,45x => 1,45 x 16 -= 23,2A

23,2 ≤ 26,825 – warunek  nr 2 spełniony

Jeżeli chodzi o charakterystykę zabezpieczenia to w zupełności z uwagi na prąd rozruchowy wystarczy nam „B”.

 

Podsumowanie

Należy pamiętać , że w przypadku instalacji domowej czy mieszkaniowej do czynienia mamy przede wszystkim z wyłącznikami o charakterystyce „B”. Jeżeli chodzi o wartości prądów znamionowych to stosujemy głównie zabezpieczenia 10A dla obwodów oświetleniowych położonych przewodem o przekroju 1,5mm2 a dla obwodów gniazdowych oraz pozostałych stosujemy głównie zabezpieczenia 16A – dla przewodów o przekroju 2,5mm2.

W podsumowaniu artykułu warto też zwrócić uwagę na to, że Polska Norma PN-EN 60364-4-41 definiuje wyłącznik nadprądowy jako element ochrony przed dotykiem pośrednim. Niestety z uwagi na czas zadziałania nie jest on elementem wystarczającym przy ochronie przed dotykiem bezpośrednim. Do tych celów musimy dodatkowo w obwodach zasilających używać wyłączników różnicowoprądowych.

Aparaty na potrzeby artykułu udostępniła firma Eaton Electric Sp. z o.o. Eaton Electric jest producentem najwyższej jakości automatyki przemysłowej, aparatury sygnalizacyjnej, łączeniowej, zabezpieczającej i instalacyjnej oraz systemów rozdziału energii niskiego napięcia. Więcej informacji na stronie: www.moeller.pl