3,9.doc

3.9 Zabezpieczenia przewodów i kabli przed skutkami zwarć

Zabezpieczenia zwarciowe stanowią:

-          Bezpieczniki klasy gL i klasy aM (do zabezpieczania silników)

-          Nadmiarowe wyłączniki instalacyjne jedno -dwu-trój i czterobiegunowe,

-          Wyłączniki samoczynne z wyzwalaczami zwarciowymi,

-          Wyłączniki różnicowoprądowe PI

Dobór zabezpieczeń zwarciowych jest analogiczny do doboru zabezpieczeń przeciążeniowych i opiera się o znajomość odpowiednich charakterystyk czasowo-prądowych. Aktualnie są produkowane wyłączniki z wyzwalaczami zwarciowymi o charakterystykach czasowo-prądowych typu B,C,D,K,R (przedstawione niżej). Jeszcze niedawno stosowano wyłączniki o charakterystykach typu H,L,U,G o krotnościach prądu zadziałania (jest to stosunek prądu Inz, który wywołuje zadziałanie wyzwalacza zwarciowego do prądu nastawczego Inp. Wyzwalacza przeciążeniowego) bezzwłocznego równych odpowiednio 2-3; 3,5-5; 6-9; 7-10. Wyłączniki o charakterystykach typ B zastąpiły wyłączniki o charakterystykach typu L, a typu C pozostałe.

     In

Charakterystyki czasowo-prądowe wyzwalaczy nadprądowych wyłączników typu R,B,C,D 

In – prąd znamionowy

Wymagania w stosunku do wyłączników samoczynnych i bezpieczników są takie, aby prąd zadziałania wyzwalaczy zwarciowych (dotyczy wyłączników) i prąd probierczy górny (dotyczy bezpieczników) był nie mniejszy od spodziewanych prądów zwarciowych w miejscu ich zainstalowania oraz czas czas zadziałania zabezpieczeń na tyle krótki, aby temperatura żył przewodów lub kabli nie przekroczyła wartości granicznej dopuszczalnej przy zwarciu dla danego typu przewodów lub kabla. Czas ten mierzony jest w sekundach, obliczamy ze wzoru:

tkm=

Gdzie: s – przekrój przewodu

           k – współczynnik zależny od rodzaju materiału żył i izolacji przewodu (podany w poniższej tabeli)

            I – prąd zwarciowy.

Wartość współczynnika k różnych rodzajów przewodów

Na przykład czas zadziałania wyzwalaczy zwarciowych jednoczłonowych bezzwłocznych w wyłącznikach samoczynnych wynosi 0.02-0.04s. Człony zwłoczne działają po czasie 0.1-0.5s nastawionym w specjalnym mechanizmie zegarowym lub przekaźniku czasowym. Wyłączniki samoczynne wyposażone w wyzwalacze nadprądowe i wyzwalacze cieplne spełniają wymagania, co do selektywności działania zabezpieczeń zwarciowych (schemat i budowę wyłącznika podano poniżej).

Wyłącznik samoczynny a) układ połączeń przedstawiający podstawowe elementy składowe;

b) szkic budowy

1- podstawa; 2,3 – styki: stały i ruchomy; 4 – komora gaszeniowa; 5 – wyzwalacz nadprądowy elektromagnetyczny; 6- wyzwalacz cieplny; 7 – cewka podnapięciowa; 8 – dźwignia napędu; 10 - obudowa

W domowych instalacjach elektrycznych do zabezpieczeń przed skutkami przeciążeń i zwarć stosuje się wyłączniki instalacyjne natablicowe. Budowane są one na napięcia 440, prąd znamionowy do 125A, a zwarciowa  zdolność wyłączania do 25kA. Prąd zadziałania It  jest równy 1.45-krotnemu prądowi znamionowemu wyzwalacza przeciążeniowego wyłącznika. Stosuje się też wyłączniki instalacyjne wkrętowe o prądzie znamionowym do 25A, do wkręcania w gniazda bezpiecznikowe E27. Od kilku lat produkowane są jednobiegunowe ( w obwodach jednofazowych) wyłączniki instalacyjne selektywne typu S90 (schemat podany poniżej),o prądzie znamionowym od 20 do 100A, o charakterystyce czasowo-prądowej typu C. Zestaw trzech wyłączników jednobiegunowych tworzy wyłącznik trójbiegunowy (obwody trójfazowe). Trzech.

Wyłączniki typu S90 mają szereg zalet, między innymi można nimi zastąpić powszechnie stosowane bezpieczniki, przy spełnianiu warunków selektywnego zadziałania połączonych szeregowo zabezpieczeń przetężeniowych zarówno w instalacjach odbiorczych jak i zasilających a także umożliwiających szybkie załączanie obwodów po wyłączeniu zwarcia.

Wyłącznik instalacyjny selektywny typu S90: a)układ połączeń; b) przykładowe miejsce jego zainstalowania w instalacji elektrycznej

1 – gałąź główna, 2 – gałąź ograniczająca, 3 – obwód pomiarowy, Rogr - opornik ograniczający, B – bimetale, M – wyzwalacz nadprądowy elektromagnetyczny , WI – wyłączniki instalacyjne zwykłe (nieselektywne)

Przy przeciążeniu selektywne działanie wyłączników jest spełnione, jeśli stosunek prądów znamionowych wyłączników instalacyjnych wynosi 1:1.6 (Stosunek ten dotyczy też selektywnego działania kolejnych, szeregowo połączonych bezpieczników), a także, gdy jest pewien margines czasowy (powyżej 100ms) między charakterystykami prądowo- czasowymi kolejnych wyłączników).

Ogólnie można powiedzieć, że zabezpieczenia przetężeniowe działają selektywnie, gdy ich pasmowe charakterystyki prądowo-czasowe nie przecinają się ani nie mają wspólnych obszarów działania.

W krajach o przodującej technice powszechnie stosuje się jako zabezpieczenia przeciwzwarciowe wyłączniki przeciwporażeniowe różnicowoprądowe PI. Działają one na upływ prądu z instalacji (na przykład przy uszkodzeniu izolacji przewodów)do ziemi, dlatego nie wolno uziemiać przewodu neutralnego za wyłącznikiem. Ostatnio w naszym kraju zaczęto produkować wyłączniki różnicowoprądowe dwubiegunowe (jednofazowe) o działaniu pośrednim (zależnym od napięcia zasilającego) typu P190, P191 na prąd znamionowy ciągły 16A, 40A i znamionowy prąd wyzwalający (czułość) 0.01A; 0.03A a także wyłączniki różnicowoprądowe czterobiegunowe (trójfazowe) o działaniu bezpośrednim typu P400 na prąd znamionowy ciągły 25A, 40A,63A, i na znamionowy prąd wyzwalający 0.03A;0.3A i 0.5A. Stosuje się też w naszym kraju przekaźniki różnicowoprądowe typu PRP o działaniu pośrednim, do współpracy z wyłącznikami wyposażonymi w, wyzwalacze podnapięciowe i napięciowe wzrostowe lub też ze stycznikami. Zaletą przekaźników PRP i wyłączników różnicowoprądowych o działaniu pośrednim jest możliwość nastawienia czułości i czasów opóźnienia działania w szerokich granicach. I tak np. czułość przekaźników PRP może być nastawiona od 30mA do 2A, a czas opóźnienia działania od 0.04s do 5s. Zasilanie przekaźnika może być jednofazowe (PRP-1R), trójfazowe (PRP-3R), trójfazowe czteroprzewodowe (PRP-4R). Przekaźnik ten zadziała również przy całkowitym zaniku napięcia zasilającego.

Produkowane obecnie wyłączniki różnicowoprądowe są wyposażone w wyzwalacze (przekaźniki) różnicowoprądowe, przeciążeniowe i zwarciowe. Wyłączniki te maja znamionową zdolność łączeniową od 1.5kA do 10kA.

Najczęściej w obwodach zabezpieczonych wyłącznikami różnicowoprądowym nie stosuje się bezpieczników, za wyjątkiem, gdy prądy zwarciowe mogą przekroczyć prądy wyłączalne wyłączników, wówczas bezpieczniki trzeba zastosować (wartości prądu znamionowego bezpieczników klasy gL i gG instalowanych z wyłącznikami różnicowoprądowymi firmy Siemens podaje tabela)

Ze względu na wytrzymałość cieplną zwarciową przewodów określa graniczne dopuszczalne prądy zwarciowe i czasy trwania zwarcia dla konkretnych wartości przekrojów przewodów, co ilustruje poniższy wykres.

Można mówić o skutecznej ochronie przeciwporażeniowej, jeśli charakterystyka czasowa-prądowa przewodu przebiega powyżej charakterystyki czasowo-prądowej odpowiednio dobranego zabezpieczenia, co jest pokazane na poniższym rysunku:

Charakterystyki czasowo-prądowe: 1-przewodu, 2-bezpieczników, 3-wyłącznika samoczynnego, zabezpieczających skutecznie przewody przed prądami zwarciowymi.

Z analizy charakterystyk czasowo -prądowych przewodów, bezpieczników oraz wyzwalaczy (przekaźników) przeciążeniowych i zwarciowych, przedstawionych na poniższych wykresach, wynika, że przewody nie są zabezpieczone przed skutkami zwarć, jeśli prądy zwarciowe są mniejsze od prądu IkB.  Żeby zapewnić skuteczne zadziałanie zabezpieczeń , należy obliczyć prądy zwarciowe płynące przez dany przewód i porównać z prądami IkA i IkB  (dla układu a )musi być I ³ IkA ; dla układu b)musi być I > IkB. Gdy nie jest to spełnione, należy zainstalować odpowiednio dobrane dodatkowe bezpieczniki lub inne wyłączniki.

Charakterystyki czasowo- prądowe przewodów (1) bezpieczników (2) oraz wyzwalaczy (przekaźników) przetężeniowych łączników samoczynnych (3), przy których w pewnych zakresach prądów zwarciowych nie są spełnione warunki ochrony w układzie: a) z bezpiecznikami; b) z wyłącznikami.

Przy doborze przewodów na warunki zwarciowe trzeba zwrócić uwagę na ochronę przeciwporażeniową, gdzie wymagania wyłączania prądów zwarciowych (na przykład w obwodach odbiorczych czas wyłączania rzędu dziesiętnych części sekundy) są większe, niż to wynika z zastosowania zabezpieczeń zwarciowych. Dlatego, czasami dobiera się przewody o większym przekroju, niż to wynika z warunku obciążalności prądowej, czy też stosuje się zabezpieczenia o mniejszym prądzie znamionowym, czy też inne rodzaje zabezpieczeń (na przykład opisane wcześniej wyłączniki różnicowoprądowe spełniają role zabezpieczeń zwarciowych jak i stanowią ochronę dodatkową przeciwporażeniową).