Sprawdzanie warunku samoczynnego wyłączenia zasilania w obwodzie zabezpieczonym wyłącznikiem nadprądowym.pdf

Sprawdzanie warunku samoczynnego wyłączenia zasilania

w obwodzie zabezpieczonym wyłącznikiem nadprądowym

Pytanie

Pytanie moje dotyczy pomiarów i obliczania skuteczności ochrony przed dotykiem po-

średnim w obwodach zabezpieczonych wyłącznikami kompaktowymi i wyłącznikami nadprą-

dowymi silnikowymi.

W numerze 1/1996 Wiadomości Elektrotechnicznych ukazał się artykuł p. T. Matuszyń-

skiego p.t. „Niektóre aspekty ochrony przeciwporażeniowej w świetle wymagań normy PN-

92/E-05009/41”, który załączam. W rozdziale „Wyznaczanie prądu I a dla obwodów z samo-

czynnymi wyłącznikami nadmiarowo-prądowymi” autor zamieścił wzór (10), na którym opie-

ram się do dzisiaj

⋅

nast

max

gdzie:

Z d - największa dopuszczalna impedancja pętli zwarciowej;

U fn - napięcie fazowe nominalne;

a - współczynnik 1,2;

b - krotność nastawienia wyzwalacza elektromagnesowego + 20% deklarowanego przez

producentów rozrzutu prądu zadziałania;

I nast max - prąd znamionowy wyzwalacza termicznego.

Rys. 1. Charakterystyki czasowo-prądowe

wyłącznika firmy MOELLER, typu NZM 10

o prądzie znamionowym 630 A

Linie pionowe oznaczają najmniejszy i naj-

większy prąd nastawczy członu zwarciowego

przy najmniejszym i największym prądzie

nastawczym członu przeciążeniowego:

I r = 300 A → I mr ∈ (600÷3600) A

I r = 630 A → I mr ∈ (1260÷7560) A

Na podstawie powyższego wzoru w następujący sposób obliczam największą dopuszczal-

ną impedancję pętli zwarciowej, na przykład dla obwodu z wyłącznikiem kompaktowym NZM

firmy MOELLER:

prąd znamionowy wyłącznika 630 A

prąd zadziałania według charakterystyki czasowo-prądowej wyłącznika

b = 12, wobec czego 12 ⋅ 630 = 7560 A,

dopuszczalny rozrzut dodatni +20%, co daje 1,2 ⋅ 7560 = 9072 A

a = 1,2, wobec czego 1,2 ⋅ 9072 = 10886,4 A

Z d

220

20,2

mΩ

10886,4

Największa dopuszczalna impedancja pętli zwarciowej rozpatrywanego obwodu wynosi

zatem 20,2 mΩ.

Zdaję sobie sprawę, że powyższy problem dotyczy kilkunastu osób w Polsce, ponieważ

badając skuteczność ochrony przed dotykiem pośrednim obwodów silnoprądowych posługuję się

miernikiem MAXTEST HT 2038 firmy AMPROBE INSTRUMENT USA. Wiem, ile tych mier-

ników sprzedano i jakie firmy go kupiły. Powyższy sposób obliczania konsultowałem z przed-

stawicielami producentów wyłączników i nie spotkałem sprzeciwu, ale nie znaczy to, że musi on

być prawidłowy.

Czy należy brać pod uwagę wartość nastawioną na wyzwalaczu, czy też tak, jak w powyż-

szej metodzie i przytoczonym wzorze tylko wartość nominalną wyzwalacza?

Proszę o ocenę powyższej metody, a jeśli jest ona nieprawidłowa, będę wdzięczny za

wszelkie sugestie.

Z poważaniem

Wiesław Czyż

Odpowiedź

Problem dotyczy tysięcy osób w Polsce, dotyczy wszystkich, którzy projektują obwody

zabezpieczone wyłącznikami bądź w istniejących instalacjach sprawdzają obwody z punktu wi-

dzenia skuteczności ochrony dodatkowej, niezależnie od rodzaju mierników, którymi się posłu-

gują. Problem polega na poprawnym ustaleniu wartości prądu wyłączającego I a wyłącznika i

sprawdzeniu czy jest ona nie większa niż wartość prądu zwarciowego płynącego w wyniku

uszkodzenia wymagającego samoczynnego wyłączenia zasilania, tzn.

w razie jednomiejscowego zwarcia L-PE lub L-PEN w układzie TN,

w razie dwumiejscowego zwarcia L-PE oraz L-PE lub N-PE w układzie IT,

w razie dwumiejscowego zwarcia z nieuziemionym przewodem wyrównawczym CC (PA)

w obwodzie separowanym zasilającym więcej niż jedno urządzenie,

w razie dwumiejscowego zwarcia z częścią przewodzącą dostępną lub częścią przewodzącą

obcą w obrębie izolowanego stanowiska, na którym wykorzystuje się nieuziemione przewody

wyrównawcze CC (PA).

Jeżeli samoczynne wyłączenie zasilania nie jest możliwe i w zamian zapewnia się, że naj-

większe występujące długotrwale napięcie dotykowe nie przekracza wartości dopuszczalnej, to

poprawnie wyznaczona wartość prądu wyłączającego I a wyłącznika jest niezbędna do obliczenia

wspomnianej wartości największego występującego długotrwale napięcia dotykowego U T w

oparciu o wartość U Tb zmierzoną przy przepływie niedużego prądu pomiarowego I b . Ta kwestia

była wyjaśniona w zeszycie 41 Biuletynu INPE [2].

„Prąd wyłączający I a jest to najmniejszy prąd wywołujący zadziałanie, w wymaganym

czasie, urządzenia zabezpieczającego powodującego samoczynne wyłączenie zasilania” [4].

W przypadku wyłącznika, którego otwarcie ma spowodować wyzwalacz bądź przekaźnik zwar-

ciowy, jest to prąd zadziałania (prąd rozruchowy) tego członu zabezpieczeniowego. Jest to zatem

wartość prądu (wartość skuteczna przy prądzie przemiennym) płynącego przez wyłącznik, która

powinna spowodować zadziałanie członu zwarciowego bezzwłocznego lub krótkozwłocznego i

otwarcie wyłącznika. Powinno to nastąpić niezależnie od rzeczywistej wartości prądu zadziała-

nia członu zabezpieczeniowego konkretnego wyłącznika, która może znajdować się w dowol-

nym punkcie dopuszczalnego pasma rozrzutu wartości. Zatem jako umowny prąd zadziałania

członu zabezpieczeniowego i tym samym prąd wyłączający I a wyłącznika należy rozumieć górną

granicę pasma rozrzutu prądu zadziałania.

Wytwórca może podawać prąd zadziałania wyzwalacza zwarciowego lub przekaźnika

zwarciowego (górną granicę pasma rozrzutu)

bezpośrednio w amperach albo

jako krotność prądu znamionowego wyłącznika bezpośrednio bądź określając typ charaktery-

styki (nadprądowego wyłącznika instalacyjnego - tabl. 1), albo

jako krotność prądu nastawczego wyzwalacza bądź przekaźnika przeciążeniowego, albo

jako krotność prądu nastawczego wyzwalacza bądź przekaźnika zwarciowego.

Ta wartość prądu jest prądem wyłączającym I a wyłącznika i stosowanie jakichkolwiek

współczynników poprawkowych nie jest potrzebne. Takie postępowanie zazwyczaj dotyczy

mniejszych wyłączników: nadprądowych wyłączników instalacyjnych, wbudowanych miniatu-

rowych wyłączników odbiornikowych i wyłączników sieciowych zwięzłych (kompaktowych) o

mniejszym prądzie znamionowym. W takich przypadkach wytwórca powinien podawać również

prąd niezadziałania wyzwalacza zwarciowego lub przekaźnika zwarciowego (dolną granicę

pasma rozrzutu), aby projektant mógł sprawdzić, że jest on większy niż wszelkie możliwe prądy

załączeniowe w obwodzie.

Tablica 1. Prądy charakteryzujące działanie członu zwarciowego nadprądowego wyłącznika instalacyjne-

go o prądzie znamionowym I n poddanego przepływowi prądu przemiennego

Typ charakterystyki

Prąd niezadziałania

I 3

Prąd zadziałania

I 4

Prąd nastaw czy

Pasmo rozrzutu

I ⋅

(A)

2⋅I n

3⋅I n

2,45⋅I n

± 22

3⋅I n

5⋅I n

3,9⋅I n

± 28

5⋅I n

10⋅I n

7,1⋅I n

± 41

D 1 )

10⋅I n

20⋅I n

14⋅I n

± 41

10⋅I n 50⋅I n ----- ----

1 ) Norma określa wymagania co do prądu niezadziałania (10⋅ I n ) i prądu zadziałania (50⋅ I n ), a wytwór-

cy wyłączników wykorzystują część tego zakresu, zwykle (10÷20)⋅ I n .

W zamian wytwórca może podawać prąd nastawczy wyzwalacza lub przekaźnika

zwarciowego I mr (średni prąd zadziałania) określając w katalogu lub nie dopuszczalny rozrzut

rzeczywistego prądu zadziałania. Jeśli odchyłki dodatnie i ujemne są równie prawdopodobne, to

prąd nastawczy jest średnią geometryczną wartości skrajnych wyznaczających pasmo rozrzutu.

W przypadku wyłączników spełniających wymagania norm [5, 6], a są to przede wszystkim

wyłączniki sieciowe i stacyjne rozrzut wokół wartości prądu nastawczego nie przekracza ± 20 %.

Przypuszczalnie jest on mniejszy w przypadku mikroprocesorowych przekaźników nadprądo-

wych wyłączników NZM, ale indagowane w tej sprawie (11 listopada 2001 r.) centralne biuro

techniczne firmy MOELLER odwołało się do punktu 7.2.1.2.4 normy DIN EN 60947-2 (o treści

identycznej jak pkt 7.2.1.2.4 normy PN-EN 60947-2 [6]). Prądem wyłączającym wyłącznika

sieciowego lub stacyjnego I a jest prąd odpowiednio większy niż prąd nastawczy wyzwalacza lub

przekaźnika I mr , mianowicie I a = 1,20⋅ I mr . Podany w cytowanym artykule i przyjmowany przez

Czytelnika zakres rozrzutu ± 20 % (współczynnik 1,20) nie budzi zatem zastrzeżeń, taki sam od

kilkudziesięciu lat zalecam uwzględniać [1], bo wyraźnie większy zdarza się tylko w przypadku

mniejszych wyłączników nadprądowych instalacyjnych oraz silnikowych (tabl. 1), dla których i

tak podaje się górną granicę pasma rozrzutu, a nie prąd nastawczy.

I a = 1,2 . I mr

Rys. 2. Charakterystyka czasowo-prądowa

wyłącznika

I r – prąd nastawczy przekaźnika lub wyzwa-

lacza przeciążeniowego,

I mr – prąd nastawczy przekaźnika lub wy-

zwalacza zwarciowego,

ε - pasmo rozrzutu prądu zadziałania prze-

kaźnika lub wyzwalacza zwarciowego wokół

nastawionej wartości prądu I mr ,

I a – prąd wyłączający wyłącznika.

I r

I mr

Kłopot polega na tym, że środowisko elektryków nie przywiązuje należytej uwagi do po-

prawności terminologicznej i w katalogach spotyka się na przykład wartość „ prądu wyzwalacza

zwarciowego ”, która niewiele wyjaśnia. Niejasne bywają nawet rysunki przedstawiające cha-

rakterystyki czasowo-prądowe wyłączników z pasmem prądowym członu zwarciowego, przy

czym nie jest jasne czy chodzi o zakres prądów nastawczych nastawialnego członu zwarcio-

wego (jak na rys. 1), czy o rozrzut prądów zadziałania członu zwarciowego (jak na rys. 2).

Najgorzej jest w przypadku katalogów tłumaczonych z oryginału obcojęzycznego; w takim

przypadku lepiej poprosić o wersję oryginalną.

Omawiany sposób wyznaczania prądu wyłączającego wyłącznika odnosi się nie tylko do

członu zwarciowego bezzwłocznego, ale również do członu zwarciowego krótkozwłocznego,

jeżeli czas trwania zwarcia ograniczony przez otwarcie wyłącznika w wyniku zadziałania członu

krótkozwłocznego nie jest większy niż określony przez normę „ maksymalny czas wyłączenia ”

zasilania. Wyłączniki kategorii użytkowania B z członem zabezpieczeniowym zwarciowym

krótkozwłocznym instaluje się tylko w obwodach rozdzielczych i „ maksymalny czas wyłączenia ”

zasilania na ogół wynosi 5 s, a wtedy prąd wyłączający wyłącznika I a jest górną granicą pasma

rozrzutu prądu zadziałania członu krótkozwłocznego. Jeżeli natomiast wyjątkowo „ maksymalny

czas wyłączenia ” zasilania wynosi 0,4 s, to wolno prąd I a wyłącznika wyznaczyć tak samo tylko

wtedy, kiedy zwłoka zadziałania członu krótkozwłocznego nie jest większa niż ok. 0,35 s (bo

wtedy: zwłoka + czas własny wyłącznika + czas łukowy ≤ 0,4 s).

Niezależnie od przedstawionych wyżej dróg dochodzenia do poprawnej wartości prądu

wyłączającego I a w przywołanym artykule proponuje się współczynnik poprawkowy a = 1,2,

który miałby uwzględniać możliwe długotrwałe obniżenie napięcia w sieci lub instalacji do po-

ziomu 0,9⋅ U n . W następstwie obniżenia napięcia prąd zwarciowy jest mniejszy i mógłby nie

osiągnąć wartości prądu wyłączającego I a zabezpieczenia, wobec czego proponuje się obniżyć o

20 % największą dopuszczalną impedancję pętli, aby do samoczynnego wyłączenia zasilania

doszło. Takie postępowanie odnosi się w artykule do obwodów zabezpieczonych zarówno bez-

piecznikami, jak i wyłącznikami.

I a

(PEN)

I k << I a

Rys. 3. Zwarcie jednofazowe we wnętrzu odbiornika, przy którym spełnienie warunku samo-

czynnego wyłączenia zasilania nie jest możliwe (prąd zwarciowy I k jest znacznie mniejszy niż

prąd wyłączający I a zabezpieczenia zwarciowego)

I [3], a o tym czy wyłącznik otworzy się pod działaniem członu

zabezpieczeniowego zwarciowego decyduje przebieg pierwszej pełnej półfali prądu, a więc mo-

że mieć na to wpływ również udział składowej nieokresowej prądu zwarciowego. Te i inne czyn-

niki powszechnie przemilcza się godząc się na niezbyt dużą dokładność obliczeń.

Odnośnie do przykładu liczbowego podanego przez Czytelnika nasuwają się następujące

wyjaśnienia. Wyłącznik NZM 10 firmy MOELLER, o prądzie znamionowym 630 A ma mikro-

procesorowy przekaźnik nadprądowy zawierający w wykonaniu standardowym dwa człony:

nastawny człon przeciążeniowy o zakresie nastawczym 300÷630 A, dający się płynnie nasta-

wić na wybrany prąd nastawczy członu przeciążeniowego I r ,

nastawny człon zwarciowy bezzwłoczny 11-położeniowy, dający się nastawić na prąd I mr

stanowiący całkowitą krotność prądu I r leżącą w zakresie nastawczym (2÷12)⋅ I r .

Rozważmy dwa skrajne przypadki: najniższego możliwego i najwyższego możliwego na-

stawienia przekaźnika nadprądowego wyłącznika NZM 10 pracującego w instalacji o napięciu

220/380 V. Wszystkie możliwe przypadki praktyczne znajdą się w granicach wyznaczonych

przez te dwie sytuacje:

a) Prąd nastawczy członu przeciążeniowego jest najmniejszy możliwy I r = 300 A. Obwód

zasila obciążenie spokojne, nie występują większe prądy załączeniowe i człon zwarciowy można

nastawić na najmniejszą możliwą krotność 2. Prąd nastawczy członu zwarciowego wynosi I mr =

2⋅ I r = 2⋅300 = 600 A, a z braku bliższych danych w katalogu co do pasma rozrzutu prąd zadzia-

łania członu zwarciowego i tym samym prąd wyłączający wyłącznika można przyjąć jako I a =

1,2⋅600 = 720 A. Największa dopuszczalna impedancja pętli zwarciowej wynosi zatem

220

0,306

Ω

720

b) Prąd nastawczy członu przeciążeniowego jest największy możliwy I r = 630 A. Obwód

Proponowane postępowanie nie ma żadnego umocowania w przepisach polskich ani mię-

dzynarodowych czy europejskich. Nie ma też uzasadnienia merytorycznego, wynika ze zbożne-

go przekonania, iż można i należy zabezpieczyć się przed każdym niekorzystnym zbiegiem zda-

rzeń, a w obliczeniach należy uwzględniać wszystkie czynniki mogące wpłynąć na wynik. Trze-

ba tu przypomnieć parę okoliczności. Po pierwsze, jeżeli napięcie zasilania jest obniżone i prąd

zwarcia jednofazowego jest mniejszy, to wprawdzie czas wyłączania może się wydłużyć, ale

mniejsze są występujące napięcia dotykowe. Po drugie, zwarcie w odbiorniku może wystąpić w

dowolnym miejscu uzwojenia, grzejnika lub innego elementu czynnego (rys. 3). Pod działaniem

napięcia o przypadkowej wartości może wtedy płynąć prąd zwarciowy nawet wielokrotnie

mniejszy niż wartość obliczeniowa przyjmowana przy projektowaniu i przy okresowych bada-

niach ochrony, kiedy uwzględnia się tylko zwarcie na zaciskach wejściowych odbiornika. Czy

wobec tego należy w obliczeniach wprowadzić współczynnik poprawkowy a o wartości 2 lub 5,

a nawet większy? Po trzecie, z obliczeń i pomiarów wynika wartość początkowa składowej

okresowej prądu zwarciowego

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: