Artykuł Nigdy nie lekceważ kreatywności elektryka na utrzymaniu ruchu pochodzi z serwisu Elektryka Prąd Nie Tyka - instalacje elektryczne w praktyce.

Artykuł Port w Odessie pochodzi z serwisu Elektryka Prąd Nie Tyka - instalacje elektryczne w praktyce.

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.

Artykuł Selektywność zabezpieczeń – dawniej i obecnie pochodzi z serwisu Elektryka Prąd Nie Tyka - instalacje elektryczne w praktyce.

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:

1. 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:

1. Dźwignia – element służący do załączenia obwodu.
2. CPI – wskaźnik rzeczywistego położenia styków.
3. Zamek – mechanizm załączający styk ruchomy.
4. Wyzwalacz elektromagnetyczny (zwarciowy) – cewka z ruchomym rdzeniem.
5. Wyzwalacz termobimetalowy (przeciążeniowy) – termobimetalowa blaszka.
6. Komora gaszeniowa – służąca do gaszenia łuku elektrycznego.
7. Wylot gazów z komory gaszeniowej
8. 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.

Artykuł Dobór zabezpieczeń nadmiarowoprądowych w instalacjach elektrycznych pochodzi z serwisu Elektryka Prąd Nie Tyka - instalacje elektryczne w praktyce.

1. Przewód Neutralny – dlaczego jest ważny?

Jest to przewód połączony bezpośrednio z punktem neutralnym całego układu lub części sieci, przewód ten może brać udział w przesyłaniu energii, zazwyczaj w większej jego części, jest to PEN, czyli pełniący funkcje roboczo-ochronne. Jednak w tym artykule skupimy się na typowym przewodzie N, czy to w układzie TT, czy też po podzieleniu w układzie TN-C-S, TN-S.

W przypadku jeżeli w sieci TN lub TT przekrój przewodu neutralnego odpowiada przekrojowi przewodów fazowych, nie jest wymagana wykrywanie prądów przetężeniowych, jednakże biorąc pod uwagę kierunek rozwoju elektrotechniki, a zwłaszcza gałęzi energoelektronicznych, w przyszłości może się to zmienić, np. konieczne może się okazać przewymiarowanie przewodów neutralnych ze względu na wpływy wyższych harmonicznych oraz problemów związanych z nadmiarem mocy biernej pojemnościowej.

Jeśli wymagany jest pomiar prądów na przewodzie neutralnym, to najlepszym sposobem jest odłączenie od zasilania wszystkich przewodów fazowych, pozostawiając tor N lub zgodnie z normą należy najpierw rozłączyć tory fazowe i dopiero potem tor N, załączając w kolejności odwrotnej.

Jeśli weźmiemy pod uwagę tzw. instalacje mieszkaniowe, spełnienie warunku do braku wykrywania przeciążenia przewodu neutralnego wynika z zabezpieczeń zainstalowanych na przewodach fazowych. I tutaj ważna podpowiedź: przewód neutralny jest najlepiej chroniony jeśli obciążenia odbiorcze w sieci trójfazowej są rozłożone jak najbardziej równomiernie.

Inaczej ma się sytuacja w sieci IT, ale tu to tylko o niej wspomnę, gdyż jest to układ, który powinien być obsługiwany przez wykwalifikowany personel. W przypadku tego układu prądy przetężeniowe powinny być wykrywane na całości sieci. Wyjątkiem jest zabezpieczenie przeciwzwarciowe na początku sieci (nie zawsze stosowane). Jeśli brak tego zabezpieczenia, tor N układu winien być zabezpieczony wyłącznikiem różnicowym o obciążeniu dla przewodu neutralnego spełniając zależność:

I_∆N ≤ 0,15 I_ZN

2. Załączanie i rozłączanie toru N

Wbrew obiegowej opinii tor N w pewnych przypadkach można rozłączać, a w niektórych trzeba, jednak zgodnie z normą IEC60364-1 oraz PN-HD 60364-1:2010. Trochę danych znajdziemy także tutaj: PN-HD 60364-4-41:2017-09 i tutaj: PN-HD 60364-6:2016-07.

Najważniejszą zasadą, którą są zobligowani producenci, w przypadku produkcji jakiegokolwiek osprzętu z oznaczeniem toru N, jest kolejność łączeniowa, tzn. najpierw zostają rozłączone tory fazowe, następnie tor neutralny, a przy załączeniu aparatu najpierw zostaje załączony tor N, następnie tory fazowe.

Rys. 1. Jak widać przy torze N jest kreseczka oznaczająca kolejność łączeniową, w tym wypadku wyłącznik RCD

Rys. 2. Różnica między aparatem 3P+N a 4P

Jeśli na urządzeniu jakiegokolwiek producenta zobaczymy oznaczenie toru N, czy taki schemacik to możemy być pewni, że tor ten działa zgodnie z w/w normami. Czasami jednak schemat jest bez kreseczki, a tor oznaczony i wtedy jest to tak samo działające urządzenie. W niektórych przypadkach producenci odsyłają do not katalogowych i tam możemy znaleźć więcej informacji na ten temat – np. dla RCD Legranda brak kreseczki na schemacie, jednak dokładną różnicę można znaleźć w dokumentacji wyłącznika:

Nie będę się tutaj rozwodził kiedy należy rozłączać przewód neutralny, a kiedy nie jest to wymagane. Jednak często przy publikacjach na ten temat padają pytania: po co więc buduje się wyłączniki 4P, skoro dużo lepsze jak by wszystkie 4-polowe było z torem N, a tylko do niektórych rozwiązań można by stosować 4P z jednoczesnymi torami? A więc prawda jest taka, że chodzi o pieniądze – wykonanie rozłącznika 4P jest po prostu tańsze, a w wielu przypadkach w zastosowaniach przemysłowych, gdzie za takim rozłącznikiem mamy same symetryczne obciążenia trójfazowe, takie rozwiązanie jest wystarczające. A właśnie przemysł jest największym odbiorcą osprzętu, także modułowego. Największym problem jest gdy za takim rozłącznikiem znajdują się odbiory nie symetryczne, nie równo obciążone fazy itp. Dla czułej elektroniki w przypadku rozłącznika 4P nawet ta 1 milisekunda załączenia faz przed N może być szkodliwa. Napięcie dążą wtedy do napięcia międzyfazowego. Prawdą też jest, że gdy przeważały odbiorniki czysto rezystancyjne, problem ten nie był aż tak zauważalny. Podając tylko dla przykładu, tor N rozłącza się w niektórych strefach wybuchowych, spotykane jest to także w niektórych dużych maszynach przejezdnych zasilanych kablem na zwijaku wykorzystywanych np. w górnictwie odkrywkowym.

Dla układu TT zaleca się aby wyłącznik czy rozłącznik, zwłaszcza w mieszkaniówce, był zastosowany właśnie z torem N. Czasami zdarza się, że wymagane jest stosowanie wszystkich wyłączników nadmiarowo-prądowych z torem N, często spotykane u naszych zachodnich sąsiadów, także w układzie TN-S. Głównym tego powodem jest właśnie płynięcie prądów przewodem N związanych z asymetrią obciążeń. Wyłączenie wszystkich przewodów roboczych ułatwia w dużym stopniu zarówno wykrycie usterek w danym obwodzie, jak i ich usunięcie.

3. Wyłączniki RCD

Po tym wstępie widać dlaczego następną częścią są wyłączniki RCD, każdy z 4-polowych wyłączników, który korzysta z przewodu N, posiada kolejność łączeniową opisaną wcześniej. Dla wyłączników 1-fazowych nie jest to konieczne.

Pierwsze wyłączniki powstały dość dawno – tego typu urządzenie opisano już w 1928 r. Były stosowane jako zabezpieczenia ziemnozwarciowe głównie dla sieci SN i nadal są w ten sposób wykorzystywane. Jeśli zaś chodzi o wyłączniki RCD, które kontrolowały bardziej stan izolacji, ich czułość wynosiła 100 mA i pojawiły się już około 1940 r. Natomiast wyłączniki o czułości 30 mA to już lata 50-te. Problemem były ich częste wyzwolenia, zwłaszcza podczas przepięć związanych z wyładowaniami atmosferycznymi w czasie burz. W chwil obecnej większość problemów z poprzednich lat zostało wyeliminowanych, a same aparaty działają naprawdę dobrze jeśli wykorzystujemy je w sposób zgodny z zaleceniami producenta. Do dzisiaj zasada działania zarówno wyłączników modułowych, większych przekładników Ferrantiego wyglądającego po prostu jak duży przekładnik, powiązanych zależnie od sposobu ochrony z modułem ziemnozwarciowym czy też wyzwalaczem działającym identycznie jak wyłącznik modułowy, jest taka sama.

Jak działają wyłączniki i dlaczego nie potrzeba do jego działania wszystkich faz czy przewodu neutralnego?

Zasada działania przekładnika Ferrantiego jest nadzwyczaj prosta – jest to po prostu przekładnik sumujący. Dlatego ważna jest tylko i wyłącznie suma geometryczna prądów. Spełniona musi być więc taka zależność:

 I_L1 + I_L2 + I_L3 + I_N = 0

Zatem jeśli prąd będzie płynął jedynie przez fazę np. L1 i L3, a brak będzie upływności do przewodu PE, który nie przebiega bezpośrednio przez przekładnik, to nie ma możliwości zadziałania wyłącznika. Podobnie sprawa się ma, jeśli odbiornik jest symetryczny, np. silnik asynchroniczny, który do działania nie potrzebuje w ogóle przewodu neutralnego, np.:

2A – 1A – 1A + 0 = 0

Dla tego przykładu (bardzo uproszczonego, więc proszę nie brać go na serio ) w pierwszej fazie silnik pobiera 2A, natomiast w fazie drugiej i trzeciej są oddawane po 1A – w przewodzie neutralnym nie płynie żaden prąd.

Dlatego też producenci często na opakowaniach wyłączników 4-polowych podają różne możliwości podłączenia takiego wyłącznika. Bo po prostu nie jest konieczne podłączenie wszystkich jego zacisków. W chwili obecnej nawet przycisk testu często jest przystosowany do 400 V, żeby wyeliminować potrzebę podłączenia przewodu neutralnego.

Budowa wyłącznika różnicowoprądowego:

A – Przycisk zwierający rezystor testowy
B – Tory prądowe
C – Włącznik
D – Przekładnik Ferrantiego
E – Wyzwalacz w przypadku upływu
1 – Przycisk testujący
2 – Rezystor
3 – Rdzeń przekładnika
4 – Uzwojenie wtórne
5 – Uzwojenie wyzwalacza
6 – Kotwica
7 – Magnes stały

Przykładowe zastosowania 4-polowego RCD w innych kombinacjach:

Wyłącznik RCD w całej okazałości oraz jego schemat połączeniowy – w tym wypadku jednak rezystor wymaga podłączenia toru N aby zadziałał przycisk TEST.

W instrukcji dołączonej do opakowania producent podaje prawidłowy sposób podłączenia, a prawidłowe oprzewodowanie przycisku testowego jest wymogiem poprawnej eksploatacji.

Źle podłączony obwód testowy = obwód testowy nie działa = aparat do wymiany!

Typy oraz selektywność zabezpieczeń różnicowoprądowych

Nie będziemy się całkowicie rozwodzić nad typami wyłączników. Opisze je pokrótce, a następnie poruszę rzecz, o której niestety niewielu elektryków zdaje się wiedzieć, że w ogóle istnieje.

Najczęściej spotykane są wyłączniki RCD typu:

• AC – działają dla prądu przemiennego sinusoidalnego
• A – działają dla prądów zmiennych pulsujących ze składową stałą (DC) do 6mA
• B – dla wszystkich prądów tj. zmiennego, pulsującego oraz stałego DC

Istnieje jeszcze kilka typów działających przy dużych częstotliwościach itp. Nie będę także wskazywał jakie wyłączniki RCD gdzie stosować, bo jest cała masa poradników udostępnianych często przez samych producentów.

Moje osobiste zdanie jest takie, że czasy RCD typu „AC” w tzw. „mieszkaniówce” bezpowrotnie mijają i ja staram się zawsze stosować aparaty typu „A” (jeśli oczywiście jest zgoda inwestora). W przypadku wielu gałęzi przemysłu wyłączniki „AC” będą jednak służyć jeszcze wiele lat.

Kolejna klasyfikacja związana jest ze zwłocznością:

1. Bez zwłoczności – brak oznaczenia
2. Krótkozwłoczne do 10 ms – np. typ G
3. Selektywne z czasem zwłoki do 40 ms – typ S

Selektywność zabezpieczeń różnicowoprądowych to temat tabu dla dużej rzeszy instalatorów w naszym kraju. A spoglądając na wykres powyżej łatwo zauważyć, że selektywność RCD łatwiej zachować niż selektywność wyłączników nadmiarowo-prądowych, bo charakterystyki nie zazębiają się. W przypadku układu sieci TT, gdzie często wyłącznik RCD jest podstawową ochroną, należy zabezpieczyć „różnicówki” ogólnego zastosowania wyłącznikiem najlepiej selektywnym. Dodatkowo przyjęto, że zabezpieczamy wyłącznikiem o prądzie różnicowym trzykrotnie większym niż prąd zadziałania wyłącznika pierwszego od strony obciążenia, więc w przypadku 30 mA kolejny typoszereg to 100 mA, a nie 300 mA, jak niejednokrotnie mogłem spotkać podczas pomiarów takich instalacji.

W przypadku wyzwalaczy stosowanych w przemyśle sprawa jest jeszcze prostsza, bo wyzwalacze często posiadają regulowane nastawy zarówno prądów jak i czasu zadziałania. W przypadku RCD ogólnego zastosowania selektywność między 30 mA a nawet 500 mA jest praktyczne równa zero. Związane jest to oczywiście z prądem wyzwalania.

Dlaczego warto stosować 1-fazowe wyłączniki RCD dla odbiorów 1 fazowych?

Mimo że można stosować wyłączniki 4-polowe czy inaczej trójfazowe do odbiorów jednofazowych to nie zaleca się ich używania, zwłaszcza przy obecnych cenach RCD. Najważniejszą wadą takiego rozwiązania jest możliwość uszkodzenia właśnie toru rozłączającego przewód neutralny. Nie byłoby to problemem, jeśli nie zabezpieczałby ten wyłącznik grupy odbiorów. I chociaż niezawodność „różnicówek” wciąż rośnie to awarie nadal się zdarzają. Należy pamiętać, że życie wyłącznika znacząco się wydłuża, jeśli jest testowany zgodnie z zaleceniami producenta, a jego przeglądy wykonywane są przez pomiarowca rzetelnie.

Więc jeśli elektryk chce spać spokojnie, najlepiej jeśli dla odbiorów jednofazowych zastosuje po prostu wyłączniki różnicowoprądowe 2P. W tym artykule pominąłem problemy z wyzwalaniem wyłącznika RCD z powodu ponownych połączeń przewodów neutralnych z ochronnymi za „różnicówką” czy też błędy montażowe. Skupię się na jednym z problemów, który trudniej wychwycić.

Jeśli chodzi o jeden wyłącznik różnicowoprądowy dla całej instalacji to czasy te minęły bezpowrotnie! Koniec kropka. Biorąc pod uwagę zastosowanie jednego trójfazowego wyłącznika dla całej instalacji domowej mija się całkowicie z celem i jest źródłem problemów i zniechęcenia dla tego typu ochrony przeciwporażeniowej, która wykonana z głową pracuję naprawdę dobrze. Nie ma możliwości wykonania instalacji z jednym wyłącznikiem ze względu na charaktery obciążeniowe zarówno w sieciach przemysłowych jak i domowych, a także na stałe prądy upływowe.

Każda instalacja wykazuje jakiś poziom stałych prądów upływowych związanych z ładowaniem izolacji i jej upływności, starzeniem się tej izolacji, czynnikami zewnętrznymi (najczęściej wilgoć), zmianami temperatury, a także zwykłą pracą urządzeń z zasilaczami impulsowymi posiadającymi filtry oraz wszelkie przemienniki częstotliwości niezależnie od ich mocy.

Tabela z normy IEC 61140:

Na poniższym zdjęciu można zauważyć, że za przekształtnikiem częstotliwości może pojawić się nawet 3,5 mA upływu:

Jak widać same urządzenia biurowe mogą powodować prąd upływu 5 mA. Wystarczy, że dorzucimy do tego TV, radio, pralkę i zmywarkę, parę źródeł światła typu LED i może się okazać, że normalna praca instalacji powoduje zadziałanie wyłącznika RCD.

Zachęcam do komentowania tego artykułu. Mam nadzieję, że zakończy wiele on dziwnych tematów na forum naszej Grupy. Chciałbym aby było to raczej utrwalenie wiedzy, a nie jej poszerzenie. Być może otworzy też oczy niektórym inwestorom, bagatelizującym problemy w dzisiejszych instalacjach elektrycznych i może uratuje to kiedyś od tragedii.

Artykuł Zasada działania wyłącznika różnicowoprądowego, rozłączanie toru N oraz problemy w częstym wyzwalaniu wyłączników RCD pochodzi z serwisu Elektryka Prąd Nie Tyka - instalacje elektryczne w praktyce.