Instalacje elektryczne powinny być tak zaprojektowane, aby ich użytkowanie było łatwe i bezpieczne. Przyczyniają się do tego odpowiednie rozprowadzenie okablowania, podział obwodów i dobór zabezpieczeń. Jednym z podstawowych i najbardziej rozpowszechnionych zabezpieczeń instalacyjnych są wyłączniki nadprądowe, które zastąpiły stosowane niegdyś bezpieczniki topikowe.
Oczywiście zabezpieczenia topikowe wciąż z powodzeniem wykorzystywane są w elektroenergetyce, jednak w mieszkalnictwie i domowych rozdzielnicach wyłączniki nadprądowe prezentują szereg udogodnień związanych z funkcjonalnością i budową.
Wyłączniki nadprądowe to najpopularniejsze wśród aparatury zabezpieczającej elementy instalacji elektrycznej. Służą one do ochrony przed skutkami zwarć i przeciążeń. Produkowane są w modułowej obudowie i przeznaczone do montażu na szynie TH35 – czyli takiej, która posiada większość rozdzielnic i obudów, a to sprawia, że są uniwersalnym w montażu.
Dlaczego wymiana na nowy typ aparatury zabezpieczającej?
Jednym z podstawowych wymagań stawianych przed instalacją elektryczną jest bezpieczeństwo jej eksploatacji. Aby spełnić ten warunek, aparatura zabezpieczająca, której używamy przystosowana jest do obsługi przez osoby nieprzeszkolone.
Największą zaletą aparatury modułowej używanej w instalacjach domowych jest brak dostępu do części przewodzących. Nie można było tego powiedzieć o tablicach z bezpiecznikami topikowymi, używanymi jeszcze kilkanaście lat temu. Co prawda przy normalnym działaniu zabezpieczeń ceramiczna budowa bezpiecznika ograniczała dostęp do elementów pod napięciem, jednak sytuacja stawała się niebezpieczna, gdy trzeba było wymienić przepaloną wkładkę topikową. Po wykręceniu główki z podstawy ukazywał się styk pod napięciem, którego dotknięcie mogło grozić porażeniem. W przypadku stosowanych dziś wyłączników nadprądowych użytkownik ma dostęp jedynie do dźwigni załączającej, a cała obudowa wykonana jest z nieprzewodzącego i niepalnego tworzywa odpornego na oddziaływania mechaniczne.
Mówiąc o wymianie wkładki topikowej w zabezpieczeniach minionego wieku, nie sposób nie wspomnieć o tym, że niestety rzadko zdarzało się, aby wkładka wymieniona została na taką o identycznych parametrach. W najlepszym przypadku nieświadomy zagrożenia użytkownik wymieniał ją na większą, o znacznie przekroczonej wartości prądu znamionowego.
Najczęściej jednak wkładka nie była wymieniana, a rolę drutu topikowego, który miał przepalić się w razie wystąpienia zwarcia lub przeciążenia, „przejmował” gwóźdź lub kawałek miedzianej linki. Odtąd każde kolejne zwarcie mogło wywołać dreszcz emocji, wszak nikt nie wiadział co przepali się zamiast zabezpieczenia. Mogła być to zarówno puszka łączeniowa, przewód prowadzony po drewnianej więźbie, jak i zaciski licznika energii elektrycznej. Takie działania były przyczyną wielu pożarów i poważnych awarii.
W przypadku wyłączników nadprądowych jakakolwiek manipulacja ze strony użytkownika nie spowoduje pominięcia zabezpieczenia. Zablokowanie dźwigni przez jej zaklejenie czy podparcie w nadziei na blokadę działania nie daje żadnych efektów, ponieważ mechanizm wyłącznika, który znajduje się w środku, i tak rozłączy obwód.
Uwaga! Następuje awaria
Mnogość urządzeń, które podłączamy do gniazd i opraw oświetleniowych w naszych mieszkaniach powoduje, że nietrudno o usterkę. Zniszczony przewód zasilający, uszkodzona elektronika, czy zbyt duża liczba odbiorników wpiętych w listwę rozdzielacza – i przetężenie gotowe. Przetężenie to, ogólnie mówiąc, awaria związana z przepływem zbyt dużego prądu przez obwód elektryczny.
Wyłącznik nadmiarowoprądowy reaguje na dwa rodzaje prądów przetężeniowych:
- Prąd przeciążeniowy.
2. Prąd zwarciowy.
Przeciążenie to ponad znamionowy przepływ prądu przez obwód. Następuje przy podłączeniu do instalacji odbiornika o zbyt dużej mocy. Ma charakter długotrwały (co najmniej kilka sekund), a przepływający prąd powoduje nagrzewanie się elementów instalacji.
Długotrwałe przeciążenie może skutkować uszkodzeniem izolacji, w efekcie czego, przetężenie rozwinie się do zjawiska bardziej gwałtownego, przy którym prądy osiągają znacznie większe wartości, czyli do zwarcia.
Zwarcie to uszkodzenie polegające na bezpośrednim połączeniu elementów obwodu o różnym potencjale. Połączenie to może być realizowane poprzez łuk elektryczny lub element metaliczny, na przykład drut zwierający dwa przewody – L i N.
Zwarcie może mieć także charakter międzyfazowy – kiedy zewrzemy przewody L1 i L2, stąd też produkowane wyłączniki nadprądowe mają różne rozmiary. Najpopularniejsze z nich to wyłączniki:
- Jednobiegunowe
- Dwubiegunowe
- Trójbiegunowe
- Czterobiegunowe
W zrozumieniu istoty działania wyłącznika nadprądowego pomocne będzie zapoznanie się z jego budową:
- Dźwignia – element służący do załączenia obwodu.
- CPI – wskaźnik rzeczywistego położenia styków.
- Zamek – mechanizm załączający styk ruchomy.
- Wyzwalacz elektromagnetyczny (zwarciowy) – cewka z ruchomym rdzeniem.
- Wyzwalacz termobimetalowy (przeciążeniowy) – termobimetalowa blaszka.
- Komora gaszeniowa – służąca do gaszenia łuku elektrycznego.
- Wylot gazów z komory gaszeniowej
- Zaciski przyłączeniowe.
Po podniesieniu dźwigni zamek zmienia położenie, łącząc tym samym styk ruchomy ze stykiem nieruchomym. Prąd przepływa od zacisku przez wyzwalacz termiczny, następnie wyzwalacz elektromagnetyczny aż do drugiego zacisku.
Na skutek wzrostu prądu ponad znamionowy blaszka termobimetalowa nagrzewa się i ulega deformacji, co powoduje uruchomienie zamka i rozłączenie styków. W przypadku wystąpienia zwarcia rdzeń cewki zostaje wypchnięty i również wyzwala zamek.
Przy rozłączaniu styków może pojawić się łuk elektryczny. Jest on kierowany do komory gaszeniowej i tam ulega wygaśnięciu.
Dobór wyłącznika nadmiarowoprądowego
Instalacja elektryczna powinna być zabezpieczona w taki sposób, aby w razie zwarcia lub przeciążenia nastąpiło samoczynne wyłączenie zasilania. Ponadto przerwanie prądu przetężeniowego powinno nastąpić zanim wystąpią skutki elektrodynamiczne i elektrotermiczne w obwodzie. W skrócie – zabezpieczenie musi zadziałać, zanim nastąpi nadmierny wzrost temperatury żył przewodu.
Wymagania te są spełnione, jeżeli pozostają zachowane następujące warunki:
Ib ≤ In ≤ Iz
I2 ≤ 1,45 Iz
Ib – prąd obliczeniowy lub prąd znamionowy odbiornika, jeżeli z danego obwodu zasilany jest 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 określić jako krotność prądu znamionowego In wyłącznika nadprądowego według zależności:
I2 = k × In
k – współczynnik krotności prądu powodującego zadziałanie urządzenia zabezpieczającego
Dla wyłączników nadprądowych o charakterystyce B, C i D wynosi 1,45.
W instalacjach domowych dla przewodu YDYp 3×2,5 przyjmuje się maksymalne zabezpieczenie o prądzie znamionowym 16 A, a dla przewodu YDYp 3×1,5 przyjmuje się maksymalne zabezpieczenie o prądzie znamionowym 10 A.
Prąd znamionowy wyłącznika nadprądowego informuje o tym, jaki prąd może przepływać przez wyłącznik nie powodując jego zadziałania. O tym, w jakim czasie i po jak dużym przekroczeniu prądu znamionowego aparat zostanie wyzwolony, informują nas charakterystyki. Charakterystyka wyłącznika nadprądowego to zestawienie krotności prądu znamionowego i czasu jego przepływu, z której możemy wywnioskować, kiedy nastąpi wyzwolenie aparatu.
Dla wyłączników nadprądowych stosowanych w instalacjach domowych stosuje się trzy główne charakterystyki:
- B
- C
- D
Człony termobimetalowe we wszystkich trzech charakterystykach wyzwalają przy prądzie od 1,13- do 1,45-krotności prądu znamionowego. Oznacza to, że przy prostym mnożeniu:
1,13 × 16 A = 18,08 A
1,13 x 10 A = 11,3 A
Otrzymujemy progi zadziałania członu przeciążeniowego, dopiero powyżej którego nastąpi zadziałanie wyłącznika.
Dla członu zwarciowego zakres działania odczytujemy z drugiej części wykresu:
Dla charakterystyki B – 3-5 In
Dla charakterystyki C – 5-10 In
Dla charakterystyki D – 10-20 In
Oznacza to, że człon zwarciowy wyłącznika D16 wyzwoli w najlepszym wypadku przy 160 A, a w najgorszym przy 320 A.
Aby odpowiednio dobrać wyłącznik nadprądowy konieczna jest więc znajomość prądu zwarciowego w danym obwodzie. Gdybyśmy zastosowali wyłącznik nadprądowy w obwodzie o tak dużej impedancji pętli zwarcia, że prąd zwarciowy będzie mniejszy niż próg zadziałania wyzwalacza zwarciowego, to wyłącznik rozłączy obwód ze zwłoką. Zwłoka ta może być katastrofalna w skutkach.
Konkretne różnice w budowie wyłączników nadprądowych powodują, że mają one także inne zastosowania niż te do aplikacji mieszkaniowych.
Doposażać możemy je również w elementy pomocnicze, takie jak styki czy inne wyzwalacze. Użycie akcesoriów ułatwi sterowanie i sygnalizację – możemy dodać na przykład sygnalizację dźwiękową, która poinformuje nas o wyzwoleniu jakiegoś ważnego obwodu – lodówki lub ogrzewania domu.
Nieraz zdarza się, że przy awarii, zamiast wyłącznika nadprądowego, który znajduje się w najbliższej nam rozdzielnicy wyłączane są wszystkie zabezpieczenia – w skrzynce licznikowej, w złączu. Co powoduje, że odcinane jest zasilanie w sumie na wszystkie obwody. Spowodowane jest to złym doborem stopniowania zabezpieczeń i brakiem zachowania selektywności – czyli ich wybiórczości.
Selektywność polega na tym, że wyłączone zostaje tylko jedno najbliższe nam zabezpieczenie.
W przypadku stosowania zwykłych wyłączników nadprądowych o znanych nam charakterystykach bardzo trudne jest zachowanie selektywności.
Wyobraźmy sobie, że w rozdzielnicy warsztatu zabezpieczenie gniazda realizowane jest wyłącznikiem B10. Podrozdzielnica ta zasilana jest z rozdzielnicy głównej, w której zastosowano wyłącznik C16.
Rozdzielnica główna zasilana jest natomiast z rozdzielni budynku i zabezpieczona jest wyłącznikiem D20. Nastąpiło zwarcie…
Na pierwszy rzut oka stopniowanie wydaje się właściwe, jednak znając przewidywany prąd zwarciowy – na przykład na poziomie 450 A, zobaczymy, że wyłącznik nadprądowy:
B10 wyzwala przy 50 A
C16 wyzwala przy 160 A
D20 wyzwala przy 400 A
Zatem prąd zwarciowy jest większy od górnego progu zadziałania wszystkich trzech wyłączników i oczywiste jest, że wyzwolą one jednocześnie.
Aby zachować selektywność zabezpieczeń konieczne będzie użycie wyłącznika nadprądowego selektywnego. Co prawda nie zapewni on selektywności w każdych warunkach, ale dzięki swojej budowie ograniczy szeregowe wyzwalanie wszystkich zabezpieczeń jednocześnie.
Podsumowanie
Szereg wartości wynikających z budowy i funkcji wyłączników nadprądowych powoduje, że są one bardzo dobrym rozwiązaniem przy zabezpieczeniach obwodów przed skutkami zwarć. Stosując aparaturę wysokiej jakości, możemy być pewni, że przez wiele lat będzie ona chroniła nasze instalacje i nas samych przed skutkami niebezpiecznych awarii.
