 |
 |
 |
 |
 |
|
|
||||||
|
|||
|
|||
Konferencja naukowa "Zabezpieczenia obwodów elektrycznych Andrzej Wolny Korzyści wynikające ze stosowania współczesnych bezpieczników topikowych Abstrakt: Przedstawiono podstawowe wady i zalety bezpieczników, ich własności oraz podstawy fizyczne działania, a także głównych charakterystyk. Uzasadniono różnorodność dostępnych rodzajów wkładek. Porównano skutki stosowania zabezpieczeń opartych na wyłącznikach i bezpiecznikach. Wykazano, że bezpieczniki nadal są niezastąpione jako zabezpieczenie "życia", do ograniczania prądów zwarciowych i pomagające w zwalczaniu zapadów napięcia. 1. WPROWADZENIE Historia bezpieczników topikowych do zabezpieczania obwodów elektrycznych od skutków zwarć i przeciążeń jest bardzo długa. Sięga początków rozwoju elektroenergetyki. Chociaż patent Edisona z roku 1880 przysporzył jego twórcy miano ojca bezpieczników, to istnieją jeszcze wcześniejsze publikacje np. Sir Edwarda Nairne z roku 1773 opisujące zachowanie się przewodu obciążanego dużym impulsem prądu. Warunki takie charakteryzują między innymi działanie bezpieczników [1].
Wśród najistotniejszych wad wymienił przede wszystkim:
Ponadto, można usłyszeć skargi na nieuzasadnione działanie bezpieczników w czasie burzy, gdy są użyte do zabezpieczenia małych transformatorów w słupowych stacjach napowietrznych. Istnieje trudność zapewnienia przez bezpieczniki wysokonapięciowe wyłączania małych prądów powodujących ich zadziałanie (działanie niepełnozakresowe), a stosowane metody usunięcia tej wady są dość kosztowne. Wydaje się jednak, że najczęstszym prawdziwym powodem skarg na bezpieczniki, jest trudność dobrania najwłaściwszej wkładki bezpiecznikowej przez osoby nie mające dostatecznej praktyki w stosowaniu tych zabezpieczeń. Po prostu nie zauważa się popełnionych błędów i nieprawidłowym działaniem obarcza się bezpiecznik. Jak wykazał Ossowicki [4] tak może być w wielu przypadkach nieprawidłowego działania bezpieczników użytych do zabezpieczania transformatorów SN w napowietrznych stacjach słupowych. Trudny czasem do zrozumienia fakt, że charakterystyki czasowoprądowe bezpieczników muszą być bardzo zróżnicowane wynika z własności chronionych obiektów. Szybkość zmian ich temperatury przy danym prądzie zakłóceniowym zależy od ich termicznej stałej czasowej, a temperatura dopuszczalna - od zastosowanych materiałów. Nikt nie może podważyć faktu, że bezpieczniki należą do ekonomicznych najszybciej działających zabezpieczeń zwarciowych o niewielkich wymiarach, skutecznie ograniczających prądy zakłóceniowe. Są niezastąpione jako zabezpieczenie ostatniej szansy odcinające urządzenie poważnie uszkodzone zapobiegając eksplozji lub rozprzestrzenieniu się awarii. Ich zalety są widoczne także w wielu innych zastosowaniach. Nie oznacza to jednak, że zawsze stanowią najlepszą opcję. 2. WŁASNOŚCI BEZPIECZNIKÓW Bezpiecznik jest najbardziej zwartym urządzeniem zabezpieczającym przed skutkami prądów zakłóceniowych. Spełnia zarówno rolę zespołu czujników śledzących wartość prądu w chronionym obwodzie i jego szybkość narastania, jak i bardzo szybkiego łącznika przerywającego prąd. Gdy stosuje się bezpieczniki niepotrzebne stają się przekładniki, przekaźniki, wyzwalacze i urządzenia sterujące. Jest więc zabezpieczeniem ekonomicznym. Ponieważ bezpiecznik nie posiada napędu jest niewrażliwy na uszkodzenia mechaniczne, czy zużycie. Nie może się zaciąć i musi zadziałać, jeśli tylko wydzielone w nim ciepło, związane z przepływającym prądem wywoła osiągnięcie przez topik temperatury topnienia. Wilgotność powietrza i zapylenie nie wpływają na szybkość działania. W przypadku wyłączania i ograniczania prądów zwarciowych, nawet, gdy czas wyłączania jest tak krótki, że np. nie przekracza 100 µs, nie jest potrzebny żaden specjalny zasobnik energii. 2.1 Szybkość działania O własnościach przedłukowych bezpieczników decyduje budowa topika i intensywność jego chłodzenia, natomiast inne - zależą od techniki gaszenia. Pierwotnie topik był prostym drutem. Obecnie jego kształt jest wyrafinowany i związany z przeznaczeniem bezpiecznika. Aby poprawić chłodzenie i tym samym zmniejszyć przekrój topika stosuje się cienkie taśmy, najczęściej srebrne, gdyż ten właśnie metal umożliwia minimalizację wymiarów wkładek bezpiecznikowych oraz jest dość odporny na starzenie. W przypadku bezpieczników szybkodziałających, np. do zabezpieczania półprzewodników konieczne jest maksymalne skrócenie czasu nagrzewania w warunkach zakłóceniowych, co wiąże się z jeszcze większą redukcją przekroju topika i zapewnieniem niezmiernie skutecznego chłodzenia. W tych przypadkach stosuje się technikę warstw cienkich, np. naparowywanie topika na podłoże ceramiczne, a osiągane gęstości prądu w normalnych warunkach roboczych mogą wynosić nawet kilka kA/mm2. Skomplikowany kształt topika wynika z potrzeby kształtowania charakterystyki t-I wkładki bezpiecznikowej. Przewężenia pozwalają radykalnie skrócić czas przedłukowy w przypadku stromego wzrostu prądu zwarciowego. Charakteryzują się bardzo małą cieplną stałą czasową ze względu na zmniejszoną masę na jednostkę długości. Na rys. 1 wyjaśniono działanie przewężeń. W przypadku prądów wolno rosnących, małych przeciążeń, cieplne stałe czasowe nie mają znaczenia. Całe ciepło wydzielane w przewężeniu o przekroju zwarciowym Sz jest "wysysane" przez szeroką część topika o przekroju S, działającą jak radiator i wskutek tego temperatury
Rys. 1. Działanie przewężenia w topiku: q - strumień ciepła odprowadzany z przewężenia o przekroju Sz zwanym przewężeniem zwarciowym. Przy bardzo szybkim wzroście prądu odbierania ciepła z przewężenia jest regulowane przez cieplną stałą czasową "radiatora". Jest ona długa i strumień q nie może gwałtownie wzrosnąć. Przez długi czas pozostaje mały w porównaniu z ilością ciepła wytwarzaną w przewężeniu o przekroju Sz przez prąd zwarciowy. W tych warunkach bezpiecznik działa tak, jakby miał topik o przekroju przewężenia. Dlatego właśnie Sz jest nazywane przekrojem zwarciowym. W praktyce wartość S/Sz może znacznie przekraczać 10. Stosując stopniowanie przewężeń kształtuje się charakterystyki bezpieczników w bardzo szerokim zakresie. 2.2. Charakterystyki O powtarzalności charakterystyk bezpieczników decyduje w dużej mierze precyzja wykonania przewężeń, która wpływa też na ich "pasmowość". Współczesne technologie pozwoliły na znaczne zawężenie pasm aktualnie produkowanych bezpieczników w porównaniu z protoplastami. Należy jednak zdawać sobie sprawę z faktu, że charakterystyki t-I bezpieczników są określane dla symetrycznego prądu probierczego. W zakresie prądów zwarciowych, prąd rzeczywisty może zawierać znaczną składową bezokresową i to spowoduje znaczne rozrzuty czasów działania bezpiecznika, w porównaniu z krzywą określoną dla prądu harmonicznego, gdy ich wartości są znacznie mniejsze od 1 półokresu 50 Hz. Powodem trudności w stosowaniu bezpieczników do zabezpieczania urządzeń od skutków małych przeciążeń jest konieczność zastosowania dość szerokiego marginesu prądowego między dopuszczalnym długotrwale prądem znamionowym, a najmniejszym prądem powodującym zadziałanie bezpiecznika, który można nazwać granicznym Ig, a który jest często utożsamiany z prądem godzinnym, gdyż właśnie w takim czasie sprawdza się najczęściej osiągnięcie granicy przetopienia, rys. 2. Ponieważ prąd Ig powoduje osiągnięcie przez topik temperatury topnienia (dla srebra 9600C), nie może więc być dopuszczony długotrwale, czyli nie można go uznać za prąd znamionowy. Jak wysoką temperaturę dopuści się długotrwale zależy od konstrukcji bezpiecznika i jego przeznaczenia. Np. decydujące znaczenie może mieć materiał, z jakim styka się topik. Jeśli jest to piasek kwarcowy, któremu nie szkodzi nagrzanie do wysokiej temperatury - można się zgodzić na, powiedzmy 5000C, o ile nie stosuje się efektów metalurgicznych. W przypadku bezpieczników gazowydmuchowych lub cieczowych, gdy topik styka się z materiałem organicznym, temperatura musi być znacznie niższa. Często wówczas nie przekracza 2000C. Innym powodem obniżenia temperatury pracy w stosunku do temperatury przetopienia może być zmęczenie termiczne i starzenie topika. Dlatego margines M z rys. 2. może być nawet kilkusetprocentowy. Dla bezpieczników ograniczających - jest nie mniejszy niż 20÷25%, a zwykle nieco większy. Oznacza to, że bezpiecznik nie może reagować na prądy przeciążeniowe leżące wewnątrz marginesu M, co jest bez wątpienia jego wadą.
Rys. 2. Przedłukowa charakterystyka t-I bezpiecznika (skale logarytmiczne) oraz opisujące ją zależności:
Na przykład -"gG" oznacza wkładki topikowe ogólnego przeznaczenia o pełnozakresowej zdolności wyłączania (od najmniejszego prądu wywołującego zadziałanie bezpiecznika do prądu wyłączalnego). Wkładki topikowe o niepełnozakresowej zdolności wyłączania (a) są czasem nazywane wkładkami dobezpieczającymi. Świetnie wyłączają prądy zwarciowe, pozostawiając przeciążenia innym zabezpieczeniom. Często do tej grupy należą bezpieczniki wysokonapięciowe, czy zabezpieczające obwody silników, np. współpracujące z rozłącznikami, w tym ze stycznikami. Przebieg znormalizowanych charakterystyk t-I oraz sposób ich wyznaczania opisują normy przedmiotowe. 2.3. Ograniczanie prądu Zdolność bezpieczników do wyłączania i ograniczania prądu zależy od zastosowanego sposobu gaszenia łuku. W latach 20-tych XX w. własności bezpieczników zrewolucjonizowało wykorzystanie piasku kwarcowego jako gasiwa, umożliwiając skuteczne i tanie ograniczanie prądów zwarciowych. Mimo późniejszych licznych prób stosowania innego gasiwa ziarnistego, a także jego "skamieniania" nie udało się znaleźć niczego lepszego. Dopiero pod koniec XX w. cienkowarstwowe topiki nanoszone na podłoże szklane reagujące z parami metalu topika pozwoliły na dalsze przyspieszenie działania i ograniczanie prądu. Niestety, technika ta nadaje się na razie tylko do nieznacznych prądów. Bezpieczniki, w których łuk gasi się innymi metodami, np. gazowydmuchowe, czy cieczowe, a także próżniowe nie posiadają zdolności ograniczania prądów zwarciowych.
Rys. 3. Charakterystyka prądów ograniczonych bezpiecznika (skale logarytmiczne) rodziny trzech wkładek bezpiecznikowych o prądach znamionowych I1, I2, I3.: Ip - symetryczny prąd zwarciowy Ograniczenie prądu następuje, gdy zapłon łuku w bezpieczniku nastąpi przed wystąpieniem szczytowego prądu zwarciowego, a powstające napięcie łukowe przewyższy napięcie źródła. Gdy nie jest spełniony tylko drugi warunek, stopień ograniczenia może być niewielki, uwidaczniający się najbardziej pod koniec półokresu. Im wyższe napięcie łukowe - tym szybciej następuje wyłączenie. Na rys. 3. pokazano typowe charakterystyki prądu ograniczonego rodziny 3 bezpieczników o prądach znamionowych I1, I2, I3. Proste (we współrzędnych logarytmicznych) mniej nachylone do pionu odpowiadają prądom przepuszczanym bez ograniczenia. Różnią się między sobą współczynnikiem k określającym stosunek prądu szczytowego do wartości maksymalnej wartości początkowego prądu zwarciowego. Charakterystyki prądów ograniczonych odpowiadają w przybliżeniu adiabatycznemu nagrzewaniu topika do momentu jego rozpadu. Wytwarzanie napięcia łukowego przewyższającego napięcie zasilania towarzyszące skutecznemu ograniczaniu prądów zwarciowych, a więc generowanie przepięć, było kiedyś uważane za jedną z głównych wad bezpieczników z wypełniaczem piaskowym. Bezpieczniki współczesne, dzięki dopracowaniu kształtu topika znacząco zredukowały przepięcia zachowując świetne zdolności ograniczania prądu zwarciowego.
Rys. 4. Przedłukowa całka Joule'a w obwodzie chronionym bezpiecznikiem w funkcji czasu wyłączania Ograniczanie prądu zwarciowego wiąże się z niewielką całką Joule'a w chronionym obwodzie, która wyraża energię wydzieloną przez prąd płynący przez rezystor jednostkowy (1 2.4. Straty mocy Cienkie topiki dla skrócenia cieplnej stałej czasowej i spore ich długości dla uzyskania odpowiedniej szybkości narastania wytrzymałości powrotnej przy znaczącej przewodności gorącego na początku zeszkleńca powstającego ze spieczenia piasku z parami metalu powodują, że bezpieczniki ograniczające charakteryzują się sporymi spadkami napięcia w warunkach roboczych i w konsekwencji - znaczącymi stratami mocy, które należy wziąć pod uwagę, gdy w niewielkiej obudowie instaluje się dużą liczbę bezpieczników.
Rys. 5. Przykładowe spadki napięcia (a) i straty mocy (b) dla kilku typów bezpieczników ograniczających (1, 2, 3) Na rys. 5. pokazano przykładowe zestawienie zarówno spadków napięcia, jak i strat mocy dla kilku typów bezpieczników ograniczających na napięcia 500 V i 1000 V. Dodatkowo, dla porównania, na wykresie spadków napięcia zaznaczono poziom napięcia krzemowego złącza np, które pozwala ocenić straty powstające w łącznikach statycznych. W przypadku łączników zestykowych przyjmuje się na ogół spadki napięcia przekraczające w warunkach roboczych 10 mV lecz nie większe niż 100 mV, gdyż wiadomo, że tak wysokie napięcie oznaczałoby zbliżenie się do granicy mięknięcia zestyków srebrnych i miedzianych. Porównanie to pokazuje, że straty w bezpiecznikach ograniczających są prawie o rząd mniejsze niż w łącznikach półprzewodnikowych, lecz 2-3-krotnie większe niż w łącznikach zestykowych. W przypadku bezpieczników nieograniczających, takich jak np. gazowydmuchowe, gdzie topik jest znacząco krótszy, a przekrój większy, ze względu na dość niską temperaturę dopuszczalną różnica między bezpiecznikiem, a łącznikiem zestykowym jest nieznaczna. Tak więc, choć straty mocy w bezpiecznikach nie są ich mocną stroną, to nie mogą być uważane za czynnik dyskredytujący ich stosowanie.
Rys. 6. Jednostkowa objętość niektórych bezpieczników ograniczających 2.5. Gabaryty bezpieczników Gabaryty bezpieczników w wielu przypadkach są konkurencyjne w porównaniu z innymi urządzeniami zabezpieczającymi, szczególnie, jeśli weźmie się pod uwagę fakt, że nie wymagają żadnych współpracujących urządzeń pomiarowokontrolnych. Na rys. 6. zestawiono objętość bezpieczników ograniczających kilku wytwórców na jednostkę prądu znamionowego. Bezpieczniki nieograniczające mają mniejsze gabaryty. 3. RODZAJE BEZPIECZNIKÓW I ICH ZASTOSOWANIE Różnorodność stosowanych bezpieczników jest ogromna. Dotychczas najwięcej uwagi poświęcono bezpiecznikom ograniczającym, piaskowym ze względu na ich duże znaczenie dla niezawodności zasilania i jakości energii i szerokie zastosowanie w sieciach zarówno SN jak i n.n. Bez wątpienia inne typy bezpieczników mają również szerokie zastosowanie. Szczególnie widoczny jest wzrost zainteresowania bezpiecznikami miniaturowymi do zabezpieczania układów elektronicznych oraz w samochodach, rys. 7. [3]. W tej dziedzinie powstaje szereg nowych konstrukcji.
Rys. 7. Zapotrzebowanie na bezpieczniki do ochrony układów elektronicznych ×109 szt./rok (a) oraz liczba bezpieczników instalowanych w samochodzie w kolejnych latach (b) [3] Wobec szybko rozwijających się innych, nowych urządzeń zabezpieczających takich jak opartych na nadprzewodnictwie, nowych rodzajach półprzewodników mocy, czy nowych szybkich napędów nadających łącznikom zestykowym nowych cech, a także stale postępującej automatyzacji stacji elektroenergetycznych wykorzystanie bezpieczników powinno znajdować swe miejsce tam, gdzie ich cechy są niezastąpione, lub przynajmniej ekonomicznie uzasadnione. Z całą pewnością można stwierdzić, że wykorzystywanie bezpieczników tylko do ochrony przewodów i kabli od przeciążeń, jak to miało miejsce przed laty, nie zawsze jest uzasadnione, choć ze względu na koszty, może w pewnych przypadkach być brane pod uwagę. Wydaje się, że bezpieczniki są niezastąpione przede wszystkim jako:
4. PORÓWNANIE CHARAKTERYSTYK Z WYŁĄCZNIKAMI Różnice w przebiegu charakterystyk t-I bezpieczników i wyłączników pokazano na rys. 8. Wyłącznik może wyłączać, w przeciwieństwie do bezpiecznika, wszystkie prądy w zależności od nastawień wyzwalaczy. Nie mając martwego marginesu między prądami In oraz Ig niewątpliwie radzi sobie doskonale z przeciążeniami. Jednak wyłączanie zwarć nie może być natychmiastowe ze względu na powolny napęd i wyzwalacze. Rzadko jest on krótszy od kilkunastu milisekund, a w przypadku wyłączników wysokonapięciowych może osiągać nawet 100 ms. Bezpieczniki mogą działać w ułamku milisekundy. Nawet kosztowne wyłączniki ograniczające z bardzo szybkim napędem i wykorzystaniem oddziaływania elektrodynamicznego nie osiągają czasów krótszych od 1 ms.
Rys. 8. Charakterystyki czasowo-prądowe bezpiecznika i wyłącznika Bezpieczniki są aparatami jednofazowymi, podczas gdy wyłączniki mogą być zarówno jedno- jak i trójfazowe. W przypadku zabezpieczania obwodów jednofazowych nie ma więc znaczenia, który z aparatów się wybierze. W obwodach trójfazowych wyłączenie jednofazowe może być niepożądane. W takim przypadku bezpieczniki współpracujące z rozłącznikiem powinny spowodować przerwanie zasilania w zdrowych fazach przez rozłącznik. W tym celu, np. bezpieczniki SN są wyposażone w wybijaki oddziałujące na napęd rozłącznika. Gabaryty współczesnych wyłączników i rozłączników mogą być porównywalne, jeśli pominie się wyłączniki ograniczające, w tym nadprzewodnikowe. W przypadku wyłączników zabezpieczenie może być rozbudowane i wówczas może zająć więcej miejsca. Znaczna różnica wystąpi, gdy porówna się bezpieczniki z wyłącznikami statycznymi lub hybrydowymi na korzyść bezpieczników. Orientacyjną ocenę miejsca niezbędnego do zainstalowania bezpieczników można uzyskać w oparciu o dane z rys. 6. 5. WNIOSKI
Literarura
|
oraz 
). Jest to cecha szczególnie istotna dla wrażliwych urządzeń, np. półprzewodnikowych. Gdy czasy wyłączania są krótkie, to nagrzewanie jest praktycznie adiabatyczne i całka Joule'a jest stała. Jest związana ze stałą materiałową Meyera i Sz2. Dla czasów dłuższych od 5 ms najczęściej nie można założyć braku rozpraszania ciepła. Warto podkreślić fakt, że energia potrzebna do rozpadu topika jest znacznie mniejsza niż do jego odparowania wskutek występujących efektów mechanicznych (wynosi około 30% energii odparowania).
