Czym jest ta selektywność? Najczęściej ktoś się z tym pojęciem spotyka dopiero gdy zadziała zabezpieczenie na cały dom (czy nawet ulicę) zamiast to końcowe. Więc jak to działa i jak przeciwdziałać takim sytuacjom?
W sieciach, instalacjach oraz urządzeniach elektrycznych i elektronicznych stosuje się wiele różnych zabezpieczeń. W tym artykule skupię się wyłącznie na zabezpieczeniach nadprądowych oraz różnicowo-prądowych w sieciach i instalacjach elektroenergetycznych.
W czasach gdy większość zabezpieczeń stanowiły bezpieczniki topikowe, układy sieci i ewentualnie kilka innych (w przemyśle) to temat selektywności był poruszany stosunkowo rzadko. Dużo rzadziej niż obecnie.
Wraz z nadejściem wyłączników nadprądowych w miejsce bezpieczników, można było przypuszczać, że problem selektywności stanie się jeszcze rzadziej poruszaną kwestią, jednak stało się wręcz przeciwnie…
Część osób zapewne oczekuje w tym momencie iż artykuł zakończy się podaniem gotowego rozwiązania. Otóż tak nie będzie, gdyż pewne rzeczy wymagają indywidualnej matematyki. Tak samo nie da się wybudować bloku mieszkalnego na działce mającej pół ara powierzchni. Zainteresowanych dalszym czytaniem, proponuję przygotować kalkulator, gdyż ułatwi to zrozumienie tematu.
Aby znacznie ułatwić zrozumienie problemu i „ominąć” pierwsze prawo Kirchhoffa, posłużę się przykładem, przy którym jest źródło zasilania AC 230V, przewody, zabezpieczenia oraz odbiornik energii.
W przypadku gdy mamy jeden bezpiecznik lub wyłącznik nadprądowy (MCB – ang. Miniature Circuit Braker), jego wyłączenie jest bardzo przewidywalne ze względu na jego pracę według norm, co można jeszcze dokładniej ocenić na podstawie dokumentacji producenta.
Mało obeznanym w temacie muszę objaśnić/przypomnieć kiedy zabezpieczenie nadprądowe wyłącza, a ściślej: w jakich granicach. Dla ułatwienia przyjmujemy warunki normalne określone w normach, z temperaturą otoczenia na czele. Wewnątrz bezpiecznika topikowego jest drucik zwany często topikiem. Podczas przepływu prądu nie przekraczającego wartości jego prądu znamionowego ulega on rozgrzaniu jak każdy inny przewodnik przez który płynie prąd. Jeśli wszystko inne jest w stanie prawidłowym, to ten drucik nie ulegnie przepaleniu i prąd będzie płynął cały czas. Oczywiście brudny styk w wkładce i/lub w podstawie może spowodować jego przedwczesne przepalenie, ale przyjmijmy, że jakimś cudem każdy okresowo czyści styki w podstawach bezpiecznikowych podczas wymiany wkładki – choć co prawda większość osób o tym myśli dopiero gdy rozdzielnica ulegnie spaleniu…
Przy przekroczeniu prądu znamionowego wkładki, na nasze szczęście ten drucik nie ulega przepaleniu. Wartość tego prądu musi znacznie przekraczać wartość znamionową – czasami nawet dwukrotnie. Lecz i to samo w sobie nie spowoduje jego przepalenia, gdyż potrzebny jest jeszcze czas aby została osiągnięta temperatura topnienia, lub inne zjawisko spowodowało przerwanie się drutu topikowego. Stosunek czasu wyłączenia do płynącego prądu można najłatwiej ocenić z pomocą danych zawartych w normach i od producentów w postaci tabel i wykresów.
Mniej znany, lecz bardzo skuteczny i szybki sposób obliczenia granicy możliwości wyłączenia zwarcia to uproszczona całka Joula. Na pierwszy rzut oka brzmi skomplikowanie, jednak tak nie jest. Mianowicie uproszczona całka Joula to I^2*t, czyli kwadrat natężenia prądu razy czas. Przy obliczeniach należy wziąć pod uwagę, iż od momentu przepalenia się wkładki jest jeszcze czas potrzebny na zgaszenie się łuku, podczas czego płynie jeszcze prąd, który może mieć wpływ na pozostałe zabezpieczenia znajdujące się w obwodzie (pętli).
W powyższym przykładzie dodajmy jeszcze jeden bezpiecznik. Pierwszy niech ma prąd znamionowy o wartości 400A i charakterystykę gG a drugi 35A gF. Dochodzi do zwarcia, przy którym wartość IPZ (Impedancja Pętli Zwarcia) wynosi 0.8Ω. Przy napięciu zasilania wynoszącym dokładnie 230V jak łatwo policzyć z wzoru z prawa Ohma, natężenie prądu podczas zwarcia wyniesie 287,5A.
Pierwszy bezpiecznik ma prąd znamionowy większy niż prąd zwarcia, więc nie ma nawet potrzeby sprawdzania jego szczegółowej charakterystyki i można śmiało założyć iż prąd jest zdecydowanie zbyt mały aby ten uległ przepaleniu.
Przy tym drugim, nie da się ukryć że jest inaczej i należało by sprawdzić dokładną charakterystykę u producenta dla danej konkretnej wkładki, a ściślej widełki czasowe w jakich nastąpi wyłączenie. Wciąż to jest przykład, więc aby posługiwać się okrągłymi wartościami, przyjmijmy, że te widełki wynoszą od 20ms do 0.2s (200ms) czyli dość blisko do tego czego można się spodziewać po większości wkładek gF (oczywiście przy wyżej podanych wartościach). Przy okazji widać iż warunek SWZ nie może być spełniony dla obwodu odbiorczego w środowisku wilgotnym – zwłaszcza że trzeba jeszcze uwzględnić współczynnik korekcyjny. Jednak SWZ to temat na osobny artykuł, więc przejdźmy dalej.
Za ostatnim bezpiecznikiem, dodajmy kolejne zabezpieczenie w postaci wyłącznika nadprądowego (MCB), czyli coś czego praktycznie nie było w czasach PRL. Zanim zaczniemy rozpatrywać selektywność lub jej brak, spójrzmy na istotne cechy MCB odróżniającego go od topików.
Zalety wyłączników nadprądowych (MCB):
- Charakterystyka czasowo-prądowa pozwalająca na znacznie wcześniejsze wyłączenie – mniejsze widełki od do po przekroczeniu prądu znamionowego. Na marginesie: to m.in. dzięki możliwości fabrycznej kalibracji, która w tym wypadku jest możliwa.
- Wyzwalacz zwarciowy zwany też wyzwalaczem elektromagnetycznym. Umożliwia on znacznie szybsze wyłączenie przy większym przekroczeniu prądu znamionowego, czyli zazwyczaj podczas zwarcia.
- Możliwość szybkiego ponownego i bezpiecznego załączenia.
- Znacznie trudniejsza możliwość „watowania” przez osoby niewykwalifikowane i nieświadome zagrożeń.
- Niemożność ponownego załączenia do chwili ostygnięcia bimetalu wewnątrz wyłącznika, przez co przewody w obwodzie mają możliwość ostygnięcia przed ponownym załączeniem (natychmiastowa wymiana wkładki topikowej nie daje tej możliwości).
- Brak konieczności rozplombowania rozdzielnicy czy podstawy zabezpieczenia w celu ponownego załączenia.
- Szybki i wygodny montaż modułowy.
Wady wyłaczników nadprądowych (MCB):
- Ograniczona trwałość mechaniczna i elektryczna.
- Przeważnie mniejsza zdolność zwarciowa.
- Podczas przekroczenia dopuszczalnego natężenia prądu podczas zwarcia (zdolności zwarciowej) może nastąpić jego uszkodzenie, podczas którego może dojść do sklejenia się styków, uszkodzenia części mechanicznych, czy nawet eksplozji w bardziej skrajnych wypadkach.
- Ogólny brak wiedzy kiedy należy, a kiedy nie można stosować tego rodzaju zabezpieczenia.
- Znacznie większa indukcyjność własna – głównie wskutek obecności elektromagnesu.
Istnieją również tzw. ograniczniki mocy w postaci wyłącznika nadprądowego pozbawionego wyzwalacza elektromagnetycznego. W obu wypadkach nie mają one jednej istotnej wady, którą niejednokrotnie można spotkać w topikach. Mianowicie podczas udaru spowodowanego rozruchem urządzenia lub np. ładowaniem się pojemności (zasilacze impulsowe) drucik w wkładce topikowej początkowo nie ulega spaleniu, jednak temperatura i jej nagły wzrost powoduje „nadpalenie” wkładki. Wskutek czego można się spotkać z sytuacją, że bezpiecznik się przepali przy prądzie znacznie mniejszym niż znamionowy prąd wkładki.
Powracając do zwykłego MCB, bez samego patrzenia na wykres prezentujący charakterystykę czasowo-prądową, można bardzo łatwo dojść do wniosku iż jest to dobry materiał do uzyskania selektywności zwarciowej. To oczywiście przez istnienie wyzwalacza zwarciowego, którego działanie jest na tyle szybkie, że jest znacznie łatwiej doprowadzić do sytuacji gdy zdąży on zadziałać zanim wkładka topikowa będzie miała szansę się przepalić. Oczywiście czas zadziałania jest ograniczony z jednej strony przez elementy mechaniczne, a z drugiej przez czas gaszenia łuku, który zależy od wielu czynników w budowie wyłącznika.
Z czystej praktyki, wyłącznik nadprądowy o tym samym prądzie znamionowym co bezpiecznik topikowy połączony szeregowo, może zadziałać kilka a nawet kilkanaście razy zanim wkładka zostanie przepalona wskutek wcześniejszego „nadpalenia” o czym było wspomniane dwa akapity wyżej. Może, lecz nie musi. Z rozważań teoretycznych i tak samo z obserwacji w praktyce, tani MCB (czyli mniej cenionej marki, lub ewentualnie tańsza seria) zwłaszcza w połączeniu z niską impedancją zwarcia, zadziała i równocześnie za każdym razem przepali się topik, nawet o wyraźnie większym In.
Aby zrozumieć selektywność lub jej brak na wyłącznikach nadprądowych, musimy spojrzeć na wykres przedstawiający charakterystyki czasowo-prądowe wg normy IEC 60898:
Skupmy się na najczęściej stosowanych charakterystykach, mianowicie B oraz C. Pola oznaczone literami wskazują na zakres działania wyzwalacza zwarciowego. Jak widać wartości czasów zadziałania są bardzo zbliżone. Jeśli doliczyć bezwładność części mechanicznych, to mamy wyjaśnienie czemu np. C20 zazwyczaj zadziała równocześnie z wyłącznikiem B10.
Jeśli być precyzyjnym, to trzeba zaznaczyć iż w charakterystyce B granice zadziałania wyzwalacza elektromagnetycznego to krotność 3-5 prądu znamionowego, a przy C te widełki wynoszą 7-10.
Do wcześniejszego przykładu dodając C20, można obliczyć iż jego wyzwalacz zwarciowy z pewnością zadziała gdyż prąd przekracza 10x In czyli 287,5A > 200A. Jak widać pominąłem tutaj wpływ impedancji samego wyłącznika na wartość prądu zwarciowego.
Gdy dołożyć jeszcze B10 i tak samo pominąć jego wewnętrzną impedancję, to bez żadnych obliczeń można stwierdzić że zadziała przy tym prądzie. Tak jak wyżej wspomniałem, w większości wypadków oba zadziałają równocześnie.
Dolna granica zadziałania C20 to 5×20, więc 100A. O tyle właśnie musiałby być mniejszy prąd zwarcia aby „późniejszy” wyłącznik B10 miał 100% szansy zadziałania, zanim zrobi to C20 od zagrzania się bimetalu (wyzwalacz termiczny) w nim.
Warto tu wspomnieć o coraz popularniejszych ogranicznikach mocy, które są niemalże wyłącznikami nadprądowymi, z tą jedną różnicą że nie posiadają wyzwalacza elektromagnetycznego a tylko sam przeciążeniowy (termiczny). W połączeniu z zwykłymi MCB, pozwalają bardzo łatwo uzyskać selektywność zwarciową czy nawet przeciążeniową, nie tracąc przy tym zalet typowego esa.
Pozostaje pytanie czy przy powyższych wyłącznikach istnieje ryzyko przepalenia się ww. dwóch wkładek, czy nie. Wyjaśnić to można z pomocą wykresu charakterystyki czasowo-prądowej lub całki Joula dla przepalenia się topika. Oczywiście uwzględniamy całkę dla czasu przedłukowego, gdyż zapalenie się łuku i tak spowoduje wyłączenie obwodu.
Dla C20 oraz B10 przy prądzie 287,5A teoretyczny czas zadziałania wyniesie 10ms (patrz wykres). W praktyce to zależy od wartości chwilowej napięcia zasilania (z sieci) oraz indukcyjności pętli, która powoduje iż napięcie na rozsuwających się wzajemnie stykach chwilowo może być znacznie większe i tym samym wydłużyć czas palenia się łuku.
Zwykle te indukcyjności są stosunkowo małe, więc przyjmijmy 10ms czyli połowę okresu sieci o częstotliwości 50Hz. 287,5 podniesione do kwadratu daje 82656,25, a po pomnożeniu przez 0.01s (10ms) da nam 826,5.
Co prawda nie znalazłem wartości całki Joula czasu przedłukowego dla żadnej wkładki gF 35A, jednak udało mi się znaleźć dla gF 32A marki ETI i wynosi ona 820, a dla gF 40A 1210, więc jest praktycznie pewne iż przy tym prądzie zwarciowym, wkładka nie powinna ulec przepaleniu.
Trzeba też mieć na uwadze początkową temperaturę topika tuż przed wystąpieniem zwarcia – długotrwałe obciążenie obwodu zasilanego z niego może przechylić szalę i zostanie on przepalony. Tym bardziej jeśli doliczyć ww. „zjawisko” nadpalenia przez krótkotrwałe udary przy załączaniu obciążenia. Tak samo do jego przepalenia dojdzie gdy czas wyłączenia przez wyłącznik wyniesie 20ms, a nie 10ms. Wartość całki Joula jest liniowo zależna od czasu (razy czas), więc jak łatwo policzyć wyjdzie dwa razy tyle, czyli w przybliżeniu 1653, a w takim wypadku minimum wcześniejszego zabezpieczenia dla zapewnienia selektywności to gF 50A lub gG 32A (odpowiednio minimalna całka przedłukowa to 2500 i 1800).
Powyższe wartości całek są przykładowe – zostały zaczerpnięte z katalogów różnych producentów – u innych producentów może być identycznie lub porównywalnie, jednak podczas rozpatrywania konkretnych przypadków na własnym podwórku, należało by sprawdzić dokumentację posiadanych lub planowanych zabezpieczeń. Można też porównać lub nanieść na siebie wykresy dwóch różnych charakterystyk, jednak bez odpowiedniego oprogramowania może to być bardzo kłopotliwe, gdyż w katalogach często jest inne skalowanie – jeśli się uprzeć, to można jeden z wykresów przeskalować i nanieść jeden na drugi z pomocą specjalnego oprogramowania. Całkowitą selektywność uzyska się gdy na całej długości wszystkie charakterystyki nie mają punktów wspólnych jak na poniższym przykładzie:
Podkreślę fakt, iż we wkładkach topikowych dolną granicą jest minimalna całka przedłukowa (czyli moment do zapalenia się łuku a nie po jego zgaszeniu) a górną jest górna całka wyłączania czyli po całkowitym zgaszeniu się łuku.
Przy łączeniu bezpieczników topikowych, często można się spotkać z uniwersalną zasadą że przy tej samej charakterystyce, następna wkładka dla zachowania selektywności musi mieć In co najmniej 1,6 razy mniejszy. Równie często można się spotkać iż ten współczynnik jest nieco zaniżony i powinien wynosić np. 2. Ten sam współczynnik (1,6) znalazłem na stronie internetowej producenta ETI:
U tego samego producenta można odnaleźć ciekawą tabelę, która nieco ułatwia zrozumienie tematu całek, a ściślej minimalnej zależności między nimi dla zachowania selektywności:
Oczywiście w realnym świecie zabezpieczenia nie są łączone stricte szeregowo, tylko niczym drzewo genealogiczne rozchodzi się na poszczególne obwody i na wcześniejszych zabezpieczeniach sumuje się obciążenie oraz prądy zwarciowe, które mogą zamykać się L-N, doziemnie, oraz L-L. Z pomocą przychodzą współczynniki jednoczesności zabezpieczeń. Jednak mimo wszystko okresowo należy się spodziewać nadpalenia topików, no chyba że przewody i zabezpieczenia zostaną nieco przewymiarowane.
Z wyłącznikami różnicowo-prądowymi (RCD, różnicówka) jest bardzo podobnie jak z zabezpieczeniami nadprądowymi. Z tym, że nie wszystko jest tak oczywiste jakby mogło się wydawać. W ich przypadku po pierwsze należy pamiętać o typie RCD, co też jest tematem na osobny artykuł, a po drugie większy prąd różnicowy znamionowy niekoniecznie oznacza zachowanie selektywności. Wyłączniki RCD szybkie (bezzwłoczne), zwykle mają opóźnienie często sięgające niecałych 0.2s (200ms) czyli górnej granicy normy i zarazem są takie które wyłączają z zwłoką rzędu 10-30ms, czyli porównywalną do jednego okresu sieci. Jako wcześniejsze RCD (zazwyczaj w celu ochrony przeciwpożarowej WLZ) stosuje się wyłączniki RCD zwłoczne, najczęściej o prądzie różnicowym znamionowym nie mniejszym niż 100mA. Choć przeważnie nic nie stoi na przeszkodzie aby zastosować 30mA przed WLZ, a jako końcowe zabezpieczenie wykorzystać 10mA.
