Centrum medialne

Elektrotermiczne mechanizmy działania wyzwalacza przeciążeniowego MCB

Analiza porównawcza paska termobimetalicznego w torze prądowym i bimetalu krążkowego ogrzewanego pośrednio

Dr inż. Michał Szulborski

Słowa kluczowe: MCB, termobimetal, wyzwalacz termiczny, wyzwalacz zwarciowy, straty I²R, model cieplny, pamięć cieplna, charakterystyka czasowo-prądowa.

Wyłącznik nadprądowy MCB należy do najbardziej rozpowszechnionych aparatów ochronnych w instalacjach niskiego napięcia. Jego zadanie wydaje się proste: bezpiecznie przewodzić prąd roboczy, a następnie samoczynnie odłączyć obwód w razie przeciążenia lub zwarcia. W praktyce wewnątrz niewielkiej obudowy musi jednak współdziałać kilka zjawisk fizycznych: przepływ prądu, wydzielanie ciepła, odkształcenie bimetalu, praca mechanizmu zapadkowego, ruch styków i proces gaszenia łuku. Ochrona przeciążeniowa nie jest zatem wyłącznie problemem „temperatury bimetalu”, lecz zagadnieniem sprzężonym: elektrycznym, cieplnym i mechanicznym.

W klasycznych opisach MCB zakłada się często, że człon termiczny jest po prostu paskiem bimetalicznym umieszczonym w torze prądowym wyłącznika nadprądowego. W wielu konstrukcjach rzeczywiście tak jest. Spotyka się jednak także rozwiązania, w których bimetal nie przewodzi prądu roboczego, lecz jest ogrzewany pośrednio od cewki wyzwalacza elektromagnetycznego lub od innego elementu przewodzącego położonego w pobliżu. Obie koncepcje prowadzą do poprawnego działania wyłącznika, ale wymagają innego spojrzenia na źródło ciepła i jego kalibrację.

Dla użytkownika różnica ta zwykle pozostaje niewidoczna, ponieważ finalnie interesuje go to, czy aparat spełnia wymagania normy i działa powtarzalnie zgodnie z charakterystyką. Z punktu widzenia konstruktora różnica jest jednak zasadnicza. W pierwszym układzie źródło ciepła i element wykonawczy są ze sobą tożsame, w drugim zaś są rozdzielone. Oznacza to inny model cieplny, inną czułość i często inną filozofię strojenia aparatu.

Rys. 1. Dwa sposoby realizacji członu termicznego MCB: a) bimetal w postaci paska bezpośrednio w torze prądowym, b) bimetal krążkowy ogrzewany pośrednio od cewki wyzwalacza elektromagnetycznego. 

Termobimetal składa się z co najmniej dwóch trwale połączonych warstw metali o różnych współczynnikach liniowej rozszerzalności cieplnej. Po wzroście temperatury warstwa o większej rozszerzalności dąży do większego wydłużenia niż warstwa o mniejszej rozszerzalności, ale ponieważ obie warstwy są zespolone, efektem jest zakrzywienie całego paska. To właśnie ta kontrolowana zmiana krzywizny wykorzystywana jest do uruchomienia mechanizmu wyzwalającego.

W ujęciu funkcjonalnym pasek bimetaliczny jest więc przetwornikiem energii: zmiana temperatury zostaje zamieniona na przemieszczenie końca swobodnego lub na wzrost siły działającej na zapadkę mechanizmu wyłącznika. W prostym, jakościowym opisie można powiedzieć, że im większa różnica współczynników rozszerzalności warstw oraz im większy przyrost temperatury, tym większe ugięcie. W rzeczywistości wpływają na nie również: grubość poszczególnych warstw, ich moduł sprężystości, całkowita grubość paska, długość czynna, sposób mocowania i geometria elementu pośredniczącego pomiędzy bimetalem a mechanizmem.

To pozornie oczywiste przypomnienie jest ważne z jednego powodu: bimetal nie „mierzy prądu” bezpośrednio. Reaguje wyłącznie na własną temperaturę i wynikające z niej odkształcenie. Dlatego wszystkie rozwiązania konstrukcyjne, które zmieniają sposób doprowadzenia ciepła do bimetalu, w praktyce zmieniają także człon termiczny całego wyłącznika.

Rys. 2. Zasada działania termobimetalu - wzrost temperatury powoduje ugięcie się paska termobimetalu i uruchomienie mechanizmu wyzwalającego.

Bimetal włączony bezpośrednio w tor prądowy

W klasycznej konstrukcji prąd obciążenia przepływa bezpośrednio przez pasek bimetaliczny. Oznacza to, że ten sam element jest jednocześnie fragmentem toru przewodzącego, lokalnym źródłem ciepła i elementem wykonawczym układu wyzwalającego. Straty mocy można w pierwszym przybliżeniu zapisać jako . Jeżeli rezystancja bimetalu jest traktowana jako stała, wzrost prądu powoduje wzrost strat z kwadratem prądu.

Największą zaletą tego rozwiązania jest bezpośredniość. Ciepło powstaje dokładnie tam, gdzie jego skutek jest wykorzystywany. Ścieżka energetyczna od prądu do temperatury, a następnie od temperatury do ugięcia, jest krótka i łatwa do interpretacji. Zmiana geometrii bimetalu wpływa równocześnie na rezystancję, bezwładność cieplną, sztywność mechaniczną i wartość przemieszczenia, co ułatwia intuicyjne strojenie układu w fazie prototypowania.

Rozwiązanie to nie jest jednak pozbawione ograniczeń. Bimetal musi przewodzić prąd roboczy, a podczas zwarć przynajmniej przez krótki czas uczestniczy w przewodzeniu prądu ograniczanego przez aparat. Oznacza to, że jego przekrój, jakość zgrzewów z elementami miedzianymi, rezystywność oraz dopuszczalne lokalne nagrzanie nie mogą być dobierane wyłącznie pod kątem czułości członu termicznego. Konstruktor wchodzi tu w kompromis między wymaganiami cieplnymi, mechanicznymi i zwarciowymi.

W praktyce właśnie dlatego bimetal w torze prądowym bywa rozwiązaniem bardzo efektywnym, ale nie całkiem dowolnym. Każda zmiana szerokości lub grubości paska wpływa nie tylko na czas zadziałania przy przeciążeniu, ale także na spadek napięcia, straty mocy, nagrzewanie ciągłe i odporność na siły elektrodynamiczne.

Bimetal ogrzewany pośrednio od cewki lub elementu toru

W konstrukcji alternatywnej pasek bimetaliczny nie przewodzi prądu obciążenia. Źródłem ciepła jest inny element układu, najczęściej uzwojenie cewki wyzwalacza elektromagnetycznego, przez które płynie prąd roboczy. Przepływ prądu przemiennego przez cewkę wyzwalacza powoduje powstawanie strat rezystancyjnych                                 () oraz zmiennego pola magnetycznego. Pole to indukuje prądy wirowe w przewodzących elementach znajdujących się wewnątrz wyzwalacza, w tym w elemencie grzejnym umieszczonym w pobliżu bimetalu krążkowego. Powstające w ten sposób straty powodują lokalne wydzielanie ciepła, które następnie jest przekazywane do termobimetalu przez przewodzenie cieplne, częściowo również przez konwekcję i promieniowanie. Bimetal pełni więc przede wszystkim rolę elementu wykonawczego (odkształcając się przy osiągnięciu odpowiedniej temperatury), a nie elementu przewodzącego prąd.

Takie rozdzielenie funkcji ma kilka zalet. Po pierwsze, sam bimetal można projektować bardziej swobodnie pod względem geometrii, czułości i siły oddziaływania na mechanizm, ponieważ nie musi on przenosić pełnego prądu roboczego ani obciążenia zwarciowego. Po drugie, rośnie znaczenie parametrów, które w układzie bezpośrednim są drugorzędne: rezystancja uzwojenia cewki, masa miedzi, obecność rdzenia ferromagnetycznego, odległość pomiędzy cewką, elementem grzejnym, a krążkiem bimetalu.

W tym wariancie charakterystyka czasowo-prądowa wyłącznika w znacznie większym stopniu zależy od całego układu cieplnego niż od samego paska bimetalicznego. Z punktu widzenia produkcji oznacza to potrzebę zachowania wysokiej jakości termobimetalu, tolerancji montażowych i większe znaczenie powtarzalności procesu montażowego. Natomiast eliminuje konieczność stosowania śruby regulacyjnej i całego procesu justowania MCB podczas produkcji.

Zależność I²R – dlaczego niewielka zmiana prądu daje duży efekt cieplny?

Niezależnie od wariantu konstrukcyjnego podstawą działania członu termicznego pozostają straty Joule’a. Jeżeli moc cieplną uzależnimy do wartości prądu In i jego krotności, otrzymujemy prostą relację P/Pn = (I/In)². To oznacza, że przy 1,13·In moc strat rośnie już do około 1,28 wartości nominalnej, przy 1,45·In do około 2,10, a przy 2,55·In aż do około 6,50. To właśnie z tego powodu stosunkowo niewielki wzrost prądu w obszarze przeciążeniowym tak istotnie skraca czas potrzebny do osiągnięcia temperatury zadziałania.

W praktyce projektowej relacja I²R jest bardzo użyteczna, ponieważ tłumaczy, dlaczego w pobliżu granic kontrolnych normy precyzyjna kalibracja jest tak ważna. Niewielka różnica rezystancji, masy cieplnej lub warunków chłodzenia może przełożyć się na zauważalną zmianę czasu działania. Jednocześnie trzeba pamiętać, że model I²R jest pierwszym przybliżeniem. Rzeczywista rezystancja elementów rośnie z temperaturą, strumienie ciepła rozdzielają się pomiędzy kilka ścieżek, a sam bimetal i mechanizm mają własne nieliniowości.

Rys. 3. Zależność względnej mocy strat Joule’a w termobimetalu od wielokrotności prądu znamionowego. Wartości odniesiono do mocy strat przy (); wykres ma charakter teoretyczny i zakłada stałą rezystancję paska.

Model cieplny: jeden węzeł kontra dwa sprzężone węzły

Dla bimetalu nagrzewanego bezpośrednio można przyjąć uproszczony model jednego dominującego węzła cieplnego. W takim modelu pojemność cieplna  reprezentuje zdolność bimetalu do magazynowania energii, a opór cieplny  opisuje wymianę ciepła z otoczeniem. Bilans można zapisać jakościowo jako:

gdzie:

• – pojemność cieplna termobimetalu ,
• – temperatura termobimetalu,
• – temperatura otoczenia,
• – prąd przepływający przez termobimetal,
• – rezystancja elektryczna termobimetalu,
• – opór cieplny pomiędzy termobimetalem a otoczeniem .

W wariancie pośrednim konieczne jest rozróżnienie co najmniej dwóch temperatur: temperatury cewki i temperatury bimetalu. Pojawia się zatem dodatkowa pojemność cieplna oraz opór termiczny pomiędzy źródłem ciepła i elementem wykonawczym. Układ staje się bardziej czuły i bardziej podatny na tak zwaną pamięć cieplną. Właśnie ta różnica sprawia, że dwa MCB o zbliżonej charakterystyce deklarowanej mogą wewnętrznie zachowywać się inaczej podczas nagrzewania i stygnięcia.

Rys. 4. Uproszczone modele zastępcze układu cieplnego. W wariancie pośrednim pojawia się dodatkowy węzeł cieplny oraz dodatkowa stała czasowa związana z cewką i transportem ciepła do bimetalu.

Znaczenie temperatury cewki i wzrostu rezystancji uzwojenia

Jeżeli źródłem ciepła jest cewka, nie można pominąć temperaturowej zmiany jej rezystancji. Dla miedzi zależność tę można w przybliżeniu opisać równaniem , gdzie α wynosi około 0,0039 1/K. Oznacza to, że nagrzewająca się cewka nie tylko oddaje ciepło bimetalowi, ale sama zmienia własne parametry elektryczne. Wpływa to zarówno na moc wydzielaną w cewce wyzwalacza zwarciowego, jak i na sposób, w jaki aparat dochodzi do stanu ustalonego.

Zjawisko to ma znaczenie szczególnie przy dłuższych czasach przeciążenia, gdy temperatura elementów wewnętrznych zdąży wyraźnie wzrosnąć. W analizie teoretycznej warto pamiętać, że straty I²R nie muszą wówczas rosnąć idealnie proporcjonalnie do kwadratu prądu według jednego stałego współczynnika rezystancji – zmienia się bowiem sam parametr R. Dla projektanta oznacza to konieczność jednoczesnej kontroli modelu elektrycznego i cieplnego oraz wszystkie te zależności muszą być ujęte podczas projektowania tego typu wyzwalacza.

Rys. 5. Temperaturowa zmiana rezystancji dla cewki miedzianej wyzwalacza zwarciowego. W rozwiązaniu pośrednim parametr ten wpływa bezpośrednio na ilość ciepła dostępnego do ogrzania bimetalu.

Bezwładność i pamięć cieplna po przeciążeniu

Jedną z praktycznie najciekawszych różnic pomiędzy obiema konstrukcjami jest działanie wyzwalacza po wcześniejszym nagrzaniu. W układzie bezpośrednim główny zasób energii cieplnej magazynowany jest w bimetalu i w najbliższych częściach toru prądowego. W układzie pośrednim dodatkowym magazynem energii staje się cewka oraz otaczające ją elementy metalowe, w tym rdzeń wyzwalacza zwarciowego. Po wyłączeniu prądu elementy te mogą jeszcze przez pewien czas oddawać ciepło do bimetalu lub spowalniać jego stygnięcie.

W praktyce oznacza to silniej zaznaczoną pamięć cieplną. Jeżeli po dłuższym przeciążeniu wyłącznik zostanie ponownie załączony po krótkim czasie, stan początkowy członu termicznego może być inny niż w aparacie całkowicie wychłodzonym. Co w efekcie może chwilowo uniemożliwiać załączenie wyłącznika. Dla konstruktora ważne jest więc nie tylko to, jaki jest czas zadziałania po zimnym starcie, ale również jak aparat zachowuje się po cyklach nagrzewania i stygnięcia.

Wpływ temperatury otoczenia, zabudowy i sąsiednich biegunów

W rzeczywistej instalacji wyłącznik MCB zwykle pracuje w otoczeniu innych aparatów i elementów przewodzących, które wpływają na jego bilans cieplny. Zazwyczaj znajduje się w rozdzielnicy, obok innych źródeł ciepła, często w wykonaniu wielobiegunowym, z ograniczoną cyrkulacją powietrza. Z punktu widzenia członu termicznego ma to kluczowe znaczenie. Im wyższa temperatura otoczenia lub temperatura sąsiednich biegunów, tym mniejszy dodatkowy przyrost temperatury jest potrzebny do osiągnięcia progu wyzwolenia.

W wariancie pośrednim wpływ tych czynników bywa zwykle większy, ponieważ bimetal zależy od całego szlaku transportu ciepła. Jeśli cewka oraz elementy wewnętrzne są już częściowo nagrzane od sąsiednich biegunów, aparat może reagować inaczej niż przy teoretycznie idealnych warunkach laboratoryjnych. Dlatego w ocenie konstrukcji bardzo ważne jest uwzględnienie wielobiegunowości, zabudowy w rozdzielnicy oraz warunków otoczenia.

Rys. 6. Wpływ temperatury otoczenia i nagrzewania sąsiednich biegunów. Zjawisko to występuje w obu rozwiązaniach, ale w układzie pośrednim może mieć większy udział w końcowym bilansie cieplnym.

Zachowanie przy zwarciu i konsekwencje mechaniczne

Podczas zwarcia o zadziałaniu MCB decyduje przede wszystkim człon elektromagnetyczny, a nie człon termiczny. Nie oznacza to jednak, że konstrukcja członu termicznego jest w tym stanie obojętna. W wariancie z bimetalem w torze prądowym sam pasek przez bardzo krótki czas uczestniczy w przewodzeniu prądu ograniczanego przez aparat. Musi zatem wytrzymać oddziaływania cieplne i mechaniczne wynikające z przepływu impulsu prądowego oraz sił elektrodynamicznych występujących w torze prądowym.

W rozwiązaniu pośrednim bimetal nie przewodzi prądu zwarciowego, co daje większą swobodę w doborze jego geometrii i połączeń. Nie zwalnia to jednak konstruktora z troski o zachowanie całego układu. Cewka i tor prądowy pozostają obciążone prądem zwarciowym, a deformacje, luzy czy lokalne odkształcenia mogą pośrednio wpływać na późniejszą kalibrację termiczną. Z praktycznego punktu widzenia korzystne jest więc traktowanie projektowania członu termicznego i elektromagnetycznego jako jednego zagadnienia systemowego, a nie dwóch niezależnych podukładów, jako zintegrowanego wyzwalacza kombinowanego.

Kalibracja i powtarzalność produkcji

Z punktu widzenia produkcji w układzie bezpośrednim głównymi elementami kalibracyjnymi są geometria bimetalu, rezystancja toru, sposób mocowania oraz nastawa mechanizmu za pomocą śruby regulacyjnej.

Rys. 7. Czynniki wpływających na poprawną kalibrację MCB w wariancie bezpośrednim z paskiem termobimetalu który jest w szeregu toru prądowego.

W układzie pośrednim głównymi czynnikami są parametry cewki, wielkość elementu metalowego generującego ciepło, opory termiczne pomiędzy cewką a bimetalem, położenie przestrzenne elementów i charakter ich połączenia. Z tego powodu rozwiązanie pośrednie zwykle wymaga większej dyscypliny procesowej. Tolerancje montażowe, powierzchnia styku, docisk czy jakość osadzenia elementu mogą realnie wpływać na czasy wyzwalania. Wymaga to bardziej świadomego i modelowego podejścia podczas projektowania aparatu jak i samego procesu produkcyjnego. W dobrze zaprojektowanym wyłączniku oba rozwiązania są równie skuteczne i niezawodne, jednak droga do uzyskania powtarzalności jest w nich inna.

Rys. 8. Czynniki wpływających na poprawną kalibrację MCB w wariancie w wariancie pośrednim z krążkiem bimetalicznym.

Jak interpretować wymagania normowe?

Norma IEC 60898-1 opisuje zachowanie wyłącznika przez wymagane próby i dopuszczalne granice działania, a nie przez narzucenie jednej szczegółowej budowy członu termicznego. Innymi słowy, użytkownik kupuje aparat o określonych parametrach i charakterystyce, a nie „wyłącznik z takim albo innym bimetalem”. Ma to ogromne znaczenie interpretacyjne. Jeżeli dwa aparaty spełniają te same wymagania dotyczące obszaru przeciążeniowego, nie wolno automatycznie zakładać, że ich wewnętrzna fizyka pracy jest identyczna.

Dla konstruktora oznacza to konieczność rozumienia nie tylko punktów kontrolnych normy, lecz również sposobu, w jaki konkretna architektura wyłącznika dochodzi do tych punktów. Właśnie tu pojawia się sens modelowania cieplnego i starannego prototypowania. Pozwalają one odróżnić „zgodność punktową” od rzeczywistej odporności konstrukcji na zmienność otoczenia, tolerancje montażowe oraz starzenie elementów.

Wnioski praktyczne

Bimetal umieszczony bezpośrednio w torze prądowym zapewnia prostą i bardzo lokalną zależność pomiędzy prądem, generacją ciepła i ruchem elementu wykonawczego. Ułatwia intuicyjne strojenie, ale wymusza kompromisy wynikające z konieczności przewodzenia prądu roboczego i zwarciowego. Bimetal ogrzewany pośrednio od cewki lub od innego elementu toru prądowego pozwala oddzielić funkcję przewodzenia od funkcji termomechanicznej, ale w zamian zwiększa znaczenie całego układu cieplnego i jakości wykonania.

Najważniejszy wniosek techniczny brzmi następująco: dwóch takich konstrukcji nie należy porównywać wyłącznie na podstawie samego paska bimetalicznego. W pierwszej charakterystykę w dużej mierze niesie bimetal, w drugiej – cały układ wyzwalacza kombinowanego (zwarciowego i przeciążeniowego). Dlatego analiza członu termicznego MCB powinna zawsze obejmować nie tylko materiał i geometrię bimetalu, ale również źródło ciepła, drogi jego przepływu, pojemności cieplne, temperaturę otoczenia, wielobiegunowość i powtarzalność procesu produkcyjnego.

Dopiero takie, systemowe spojrzenie pozwala ocenić, czy aparat będzie nie tylko zgodny z wymaganiami w laboratorium, lecz również stabilny i wiarygodny w rzeczywistej eksploatacji.

Dwie koncepcje realizacji członu termicznego w wyłącznikach MCB

Tab. 1. Podsumowanie najważniejszych różnic konstrukcyjnych i eksploatacyjnych.

Obydwie koncepcje są technicznie uzasadnionymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi członu termicznego MCB. Różnią się sposobem przetwarzania energii elektrycznej na temperaturę termobimetalu, lecz przy prawidłowym zaprojektowaniu i kalibracji umożliwiają uzyskanie stabilnej i powtarzalnej charakterystyki czasowo-prądowej.

Zakończenie

Praktycznym przykładem zastosowania obu opisanych konstrukcji są wyłączniki nadprądowe MCB oferowane przez ETI Polam. W zależności od serii produktowej producent wykorzystuje dwa różne rozwiązania konstrukcyjne członu termicznego, które prowadzą do tego samego celu – zapewnienia wymaganej ochrony przeciążeniowej – jednak realizują ją w odmienny sposób fizyczny.

W seriach ETIMAT 6 oraz ETIMAT 10 zastosowano klasyczne rozwiązanie, w którym termobimetal jest włączony szeregowo w tor prądowy. Prąd obciążenia przepływa bezpośrednio przez pasek bimetaliczny, a straty Joule’a  powstające w samym termobimetalu powodują jego nagrzewanie, odkształcenie i w konsekwencji uruchomienie mechanizmu wyzwalającego.

W seriach ETIMAT P6 oraz ETIMAT P10 zastosowano natomiast inne podejście. Element termobimetaliczny ma postać krążka termobimetalu zabudowanego w zespole wyzwalacza zwarciowego. Termobimetal nie jest tutaj włączony bezpośrednio w szereg toru prądowego. Jego nagrzewanie odbywa się pośrednio poprzez ciepło generowane w elementach znajdujących się wewnątrz wyzwalacza elektromagnetycznego, w szczególności w wyniku zjawisk elektromagnetycznych i indukowanych prądów wirowych.

Obydwa rozwiązania pokazują, że wymaganą charakterystykę przeciążeniową MCB można uzyskać przy użyciu różnych koncepcji konstrukcyjnych. Z punktu widzenia użytkownika najważniejszy pozostaje jednak efekt końcowy – stabilna, powtarzalna i zgodna z wymaganiami normatywnymi ochrona instalacji przed skutkami przeciążeń.

Zastosowanie przez ETI Polam obu rozwiązań w różnych rodzinach MCB dobrze pokazuje, że nie istnieje jeden uniwersalny sposób realizacji wyzwalacza termicznego. Kluczowe jest właściwe zaprojektowanie całego układu elektryczno-magnetyczno-cieplno-mechanicznego oraz zapewnienie jego powtarzalności w procesie produkcyjnym.

Literatura i punkty odniesienia

1. PN-EN 60898-1:2019-02, Sprzęt elektroinstalacyjny — Wyłączniki do zabezpieczeń przetężeniowych instalacji domowych i podobnych — Część 1: Wyłączniki do obwodów prądu przemiennego.
2. PN-EN 60898-1:2019-02/A11:2025-03, Sprzęt elektroinstalacyjny — Wyłączniki do zabezpieczeń przetężeniowych instalacji domowych i podobnych — Część 1: Wyłączniki do obwodów prądu przemiennego.
3. PN-EN 60898-2:2022-03, Sprzęt elektroinstalacyjny — Wyłączniki do zabezpieczeń przetężeniowych instalacji domowych i podobnych — Część 2: Wyłączniki do obwodów prądu przemiennego i prądu stałego.
4. PN-EN IEC 60947-1:2021-07, Aparatura rozdzielcza i sterownicza niskonapięciowa — Część 1: Postanowienia ogólne.
5. PN-EN IEC 60947-2:2026-01, Aparatura rozdzielcza i sterownicza niskonapięciowa — Część 2: Wyłączniki.
6. Szulborski, M.; Łapczyński, S.; Kolimas, Ł.; Zalewski, D. Transient Thermal Analysis of the Circuit Breaker Current Path with the Use of FEA Simulation. Energies, 2021, 14(9), 2359. DOI: 10.3390/en14092359.
7. Szulborski, M.; Łapczyński, S.; Kolimas, Ł. Increasing Magnetic Blow-Out Force by Using Ferromagnetic Side Plates inside MCB. Energies, 2022, 15(8), 2776. DOI: 10.3390/en15082776.
8. Szulborski, M.; Strehar, L.; Majdič, U.; Vrabič, G. The Analysis of Electrodynamic Forces in Residual Current Circuit Breakers Primary Current Paths During Short-Circuit Tests. Energies, 2024, 17(23), 5993. DOI: 10.3390/en17235993.

Selektywność zabezpieczeń w instalacjach niskiego napięcia z wykorzystaniem ogranicznika mocy umownej ETIMAT T

W sieciach dystrybucyjnych niskiego napięcia, zarówno z punktu widzenia odbiorcy, jak i operatora systemu dystrybucyjnego, kluczowe znaczenie ma odcinek toru zasilania budynku między złączem kablowym a aparatami zabezpieczającymi instalacji odbiorczej. W tym odcinku toru zasilania prawidłowa selektywność aparatów zabezpieczających ma kluczowe znaczenie dla ciągłości zasilania oraz ochrony przed skutkami przeciążeń i zwarć. Niewłaściwe działanie zabezpieczeń może prowadzić do niepożądanych przerw w zasilaniu, ograniczenia niezawodności instalacji, a w skrajnych przypadkach – do zagrożenia pożarowego lub uszkodzenia urządzeń odbiorczych.

Zapewnienie właściwej selektywności działania zabezpieczeń wymaga zastosowania urządzeń, które reagują przewidywalnie na przeciążenia i zwarcia, umożliwiając zadziałanie tylko najbliższego aparatu względem miejsca awarii. W artykule przedstawiono rozwiązanie oparte na ograniczniku mocy umownej ETIMAT T firmy ETI Polam, które pozwala skutecznie koordynować zabezpieczenia w instalacjach odbiorczych niskiego napięcia, minimalizując koszty inwestycyjne i zwiększając niezawodność dostawy energii.

Brak właściwej koordynacji, czyli selektywności działania zabezpieczeń, co niestety często występuje w praktyce eksploatacyjnej, może prowadzić do ich nieprawidłowego działania. Zbyt częste wyłączanie zasilania powoduje pogorszenie właściwości użytkowych instalacji elektrycznej oraz obniżenie niezawodności jej pracy. Z kolei próby ograniczania zbędnych wyłączeń poprzez niewłaściwy dobór zabezpieczeń mogą prowadzić do zmniejszenia skuteczności ochrony, zwiększenia zagrożenia pożarowego, a nawet do uszkodzenia instalacji na skutek długotrwałego przeciążenia.

Prawidłowa koordynacja zabezpieczeń powinna być przeprowadzona już na etapie projektowania instalacji elektrycznej. Ewentualna wymiana aparatów zabezpieczających po ich zainstalowaniu może bowiem wymagać przebudowy części instalacji, co generuje dodatkowe koszty inwestycyjne.

Zasady wiedzy technicznej, obowiązujące normy oraz przepisy prawne (m.in. rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. – Dz. U. Nr 75, poz. 690 z późn. zm.) wymagają stosowania zasady selektywności pomiędzy zabezpieczeniami chroniącymi instalację przed skutkami prądów przetężeniowych, zarówno zwarciowych, jak i przeciążeniowych.

Jako zabezpieczenia przed prądami przetężeniowymi stosuje się między innymi:

• bezpieczniki topikowe – chroniące przed skutkami zwarć oraz w niektórych przypadkach przeciążeń,
• przekaźniki termobimetalowe – zabezpieczające przed przeciążeniami (wymagające współpracy z innymi zabezpieczeniami zwarciowymi),
• wyłączniki instalacyjne nadprądowe – chroniące zarówno przed skutkami zwarć, jak i przeciążeń.

Wyłączniki instalacyjne nadprądowe wyposażone są w dwa rodzaje wyzwalaczy: wyzwalacz zwarciowy o działaniu bezzwłocznym oraz wyzwalacz przeciążeniowy termobimetalowy, którego czas zadziałania zależy od wartości prądu przeciążenia. W wyłącznikach tych stosowane są trzy podstawowe charakterystyki wyzwalaczy zwarciowych: B, C oraz D, różniące się zakresem prądu zadziałania, natomiast charakterystyka wyzwalacza przeciążeniowego jest wspólna.

Zabezpieczenia zainstalowane zarówno w sieci rozdzielczej zasilającej instalację, jak i w obwodach odbiorczych powinny działać selektywnie. Oznacza to, że w przypadku wystąpienia zwarcia lub przeciążenia powinno zadziałać zabezpieczenie znajdujące się najbliżej miejsca uszkodzenia.

W praktyce jednak, przy stosowaniu wyłączników nadprądowych o charakterystykach B, C lub D w wielostopniowych układach zabezpieczeń, uzyskanie pełnej selektywności w zakresie prądów zwarciowych jest niemożliwe. Wynika to z przebiegu charakterystyk czasowo-prądowych tych aparatów, które w obszarze prądów zwarciowych częściowo się pokrywają.

Na rynku dostępne są również selektywne wyłączniki nadprądowe wyposażone w specjalne wyzwalacze zwarciowe i przeciążeniowe, których bardziej złożona konstrukcja umożliwia selektywne współdziałanie z innymi zabezpieczeniami nadprądowymi. Jednak ze względu na wysoki koszt takich aparatów rozwiązanie to jest stosowane stosunkowo rzadko.

Dotychczas stosowane przez niektóre zakłady energetyczne rozwiązanie w zakresie zabezpieczeń przedlicznikowych polegało najczęściej na zastosowaniu wyłącznika nadprądowego o charakterystyce C (Z3 – rys. 1), którego prąd znamionowy dobierano do wartości mocy przyłączeniowej lub umownej odbiorcy. Rozwiązanie to nie zapewnia selektywności działania zabezpieczeń w przypadku zwarć występujących za wyłącznikiem Z3, w instalacji odbiorczej zabezpieczonej wyłącznikiem Z4. Pomimo tego jest ono stosowane ze względu na niskie koszty inwestycyjne. Należy jednak zauważyć, że rozwiązanie to nie spełnia w pełni wymagań określonych w przywołanym rozporządzeniu oraz spotyka się z krytyką środowiska naukowego.

W przypadku nieselektywnego zadziałania wyłącznika Z3 odbiorca, posiadający dostęp do części pomiarowej rozdzielnicy licznikowej, może samodzielnie ponownie załączyć wyłącznik Z4 (rys. 1). Na rysunku 2 przedstawiono charakterystyki czasowo-prądowe t-I dla omawianego układu instalacji. Selektywna współpraca zabezpieczeń jest możliwa wtedy, gdy ich charakterystyki czasowo-prądowe są względem siebie przesunięte i nie posiadają punktów wspólnych.

Analiza charakterystyk przedstawionych na rysunku 2 wskazuje, że selektywność działania zabezpieczeń Z3 i Z4 występuje jedynie w zakresie prądów przeciążeniowych. W zakresie prądów zwarciowych selektywność zabezpieczenia odbiorcy Z4 jest zachowana jedynie względem zabezpieczenia topikowego Z2.

Wyłącznik selektywny jako zabezpieczenie przedlicznikowe

W niektórych zakładach energetycznych wprowadzono w standardach technicznych obowiązek stosowania selektywnego wyłącznika nadprądowego o charakterystyce E jako zabezpieczenia przedlicznikowego. W takim przypadku w układzie instalacji przedstawionym na rysunku 1 wyłącznik nadprądowy o charakterystyce C (Z3) zastępuje się selektywnym wyłącznikiem E (rys. 3). Jest to rozwiązanie skuteczne, ale niestety drogie.

Charakterystyki czasowo-prądowe takiego układu przedstawiono na rysunku 4. Dodatkowo, w celu zapewnienia selektywności działania zabezpieczeń, konieczne jest zwiększenie wartości prądu znamionowego bezpiecznika topikowego Z2. Wymaga to z kolei odpowiedniego doboru zabezpieczenia w złączu Z1 w zależności od spodziewanego prądu zwarciowego. W wielu przypadkach zwiększenie wartości bezpiecznika w złączu Z1 nie jest możliwe ze względu na konieczność spełnienia warunków ochrony przeciwporażeniowej w sieci dystrybucyjnej dostawcy energii elektrycznej.

Ogranicznik mocy umownej ETIMAT T jako skuteczne i tańsze zabezpieczenie przedlicznikowe

Alternatywnym rozwiązaniem umożliwiającym uzyskanie selektywności działania zabezpieczeń jest zastosowanie ogranicznika mocy umownej ETIMAT T jako zabezpieczenia przedlicznikowego (rys. 5).

Ogranicznik ten pozbawiony jest członu zwarciowego i wyposażony wyłącznie w człon przeciążeniowy o charakterystyce termicznej, co przedstawia jego charakterystyka czasowo-prądowa (rys. 6).

Zaplombowany ogranicznik ETIMAT T instaluje się w taki sposób, aby dostęp do jego zacisków prądowych był zabezpieczony plombą, natomiast dźwignia napędowa pozostawała dostępna dla odbiorcy. Dzięki temu w przypadku samoczynnego zadziałania aparatu, spowodowanego przekroczeniem mocy przyłączeniowej lub innymi przyczynami eksploatacyjnymi, odbiorca może samodzielnie ponownie załączyć ogranicznik bez konieczności wzywania służb operatora systemu dystrybucyjnego. Przykładowy układ instalacji przedstawiono na rysunku 7.

W zakresie prądów przeciążeniowych zabezpieczenie odbiorcy Z4 współpracuje selektywnie z ogranicznikiem ETIMAT T. Natomiast w przypadku zwarcia w instalacji odbiorczej (np. w punkcie „a”) zadziała wyłącznie zabezpieczenie Z4, ponieważ charakterystyki czasowo-prądowe ogranicznika T oraz bezpiecznika topikowego Z2 są odpowiednio przesunięte i nie posiadają punktów wspólnych (rys. 8). W przypadku zwarcia w punkcie „b” zadziała jedynie zabezpieczenie topikowe Z2.

Prąd znamionowy ogranicznika ETIMAT T dobiera się w zależności od wartości mocy przyłączeniowej lub umownej odbiorcy. Natomiast wartość i charakterystykę bezpiecznika topikowego Z2 dobiera się z uwzględnieniem spodziewanego prądu zwarciowego w danym punkcie instalacji.

W ofercie firmy ETI Polam dostępny jest również wyzwalacz wzrostowy DA ETIMAT 10 (rys. 9), który w połączeniu z ogranicznikiem mocy może pełnić funkcję wyłącznika bezpieczeństwa uruchamianego w przypadku pożaru. Aparat ten może być wyzwalany napięciem sterującym 24 V, 48 V lub 230 V AC/DC..

Ograniczniki mocy umownej ETIMAT T dostępne są w wykonaniu jedno- i trójbiegunowym w zakresie prądów znamionowych od 6 A do 63 A. Przykładowe zastosowanie tych aparatów w rozdzielnicach eksploatowanych na terenie Zakładu Energetycznego ENERGA Olsztyn przedstawiono na rysunku 10.

Wnioski

Zastosowanie ogranicznika mocy umownej ETIMAT T jako zabezpieczenia przedlicznikowego stanowi efektywne rozwiązanie umożliwiające spełnienie wymagań dotyczących selektywności działania zabezpieczeń w instalacjach elektroenergetycznych niskiego napięcia. Dzięki braku członu zwarciowego w tym urządzeniu możliwe jest uzyskanie właściwej koordynacji z zabezpieczeniami zwarciowymi znajdującymi się w dalszych stopniach instalacji, w szczególności z bezpiecznikami topikowymi oraz wyłącznikami nadprądowymi odbiorcy.

Rozwiązanie to pozwala jednocześnie ograniczyć koszty inwestycyjne w porównaniu ze stosowaniem selektywnych wyłączników nadprądowych, przy zachowaniu wymaganych parametrów technicznych oraz zgodności z obowiązującymi przepisami i zasadami wiedzy technicznej. Dodatkową zaletą jest możliwość szybkiego przywrócenia zasilania przez użytkownika instalacji w przypadku zadziałania ogranicznika, co eliminuje konieczność interwencji operatora systemu dystrybucyjnego i przyczynia się do zwiększenia ciągłości zasilania odbiorców.

Warto podkreślić, że ograniczniki mocy umownej ETIMAT T są zaprojektowane i produkowane w Polsce, w Pułtusku, co stanowi przykład polskiej myśli technicznej w dziedzinie aparatury zabezpieczeniowej.

Zastosowanie ogranicznika mocy umownej ETIMAT T stanowi racjonalną technicznie i ekonomiczną alternatywę dla drogich rozwiązań zabezpieczeń przedlicznikowych w instalacjach niskiego napięcia.

Nie ryzykuj! Postaw na nowoczesną ochronę z wyłącznikami różnicowoprądowymi EFI-P w typie A

W dobie rosnącej elektryfikacji codziennego życia, bezpieczeństwo instalacji elektrycznych nabiera nowego znaczenia. Coraz więcej urządzeń elektronicznych, coraz bardziej złożone systemy domowe i przemysłowe oraz wzrost świadomości użytkowników – wszystko to sprawia, że dobór odpowiednich zabezpieczeń jest dziś kluczowy. Jednym z najważniejszych elementów układu zabezpieczeń są wyłączniki różnicowoprądowe (RCCB), które chronią ludzi przed porażeniem prądem elektrycznym oraz zapobiegają pożarom.

W tym kontekście szczególnie warto przyjrzeć się przewadze wyłączników różnicowoprądowych typu A nad popularnymi, lecz coraz bardziej niewystarczającymi, typami AC. Model EFI-P – nowoczesny wyłącznik o typie wyzwalania A stanowi doskonały przykład urządzenia, które łączy nowoczesną technologię z niezawodną ochroną. W tym artykule przedstawiamy różnice między typami A i AC oraz wyjaśniamy, dlaczego warto zastosować wyłącznik  różnicowoprądowy EFI-P w typie A.

Czym jest wyłącznik różnicowoprądowy?

Wyłącznik różnicowoprądowy to urządzenie zabezpieczające, którego zadaniem jest odłączenie zasilania w momencie wykrycia prądu upływowego (różnicowego), który może wskazywać na uszkodzenie izolacji, kontakt osoby z przewodem fazowym lub zwarcie do obudowy urządzenia. RCCB reaguje, gdy różnica prądu różnicowego przekracza określoną wartość (najczęściej 30 mA w zastosowaniach domowych).

Typ AC – rozwiązanie podstawowe

Różnicówki typu AC były przez lata standardem w instalacjach domowych. Działają one tylko w przypadku wykrycia prądu różnicowego o przebiegu sinusoidalnym. Są tanie i skuteczne w prostych zastosowaniach, takich jak:

• tradycyjne oświetlenie,
• urządzenia grzewcze (np. grzejniki konwektorowe),
• czajniki elektryczne,
• piekarniki elektryczne bez elektroniki.

Jednak w nowoczesnych instalacjach coraz rzadziej spotyka się wyłącznie takie odbiorniki. Większość urządzeń zawiera elementy elektroniczne – choćby wbudowane zasilacze impulsowe – które powodują występowanie prądów upływowych o charakterze innym niż czysta sinusoida.

Typ A – ochrona nowej generacji

Różnicówki typu A reagują nie tylko na prądy przemienne sinusoidalne, ale również na prądy pulsujące i składowe stałe do 6 mA. Taki charakter mają prądy upływowe generowane przez wiele współczesnych urządzeń domowych i przemysłowych:

• pralki i zmywarki,
• komputery i laptopy,
• telewizory i zestawy audio,
• zasilacze impulsowe,
• płyty indukcyjne,
• ładowarki do pojazdów elektrycznych,
• falowniki (w instalacjach PV, pompach ciepła, klimatyzatorach),
• systemy automatyki domowej (smart home).
• itp.

Jeśli w instalacji zainstalowany jest tylko wyłącznik typu AC, może on nie zadziałać przy obecności tego typu prądów zakłóceniowych. Może to prowadzić do niebezpiecznych sytuacji, w których użytkownik jest przekonany o skutecznej ochronie, która jednak nie działa prawidłowo.

Co mówią przepisy i normy?

Coraz więcej organizacji normalizacyjnych i firm elektroenergetycznych zaleca lub wręcz wymaga stosowania wyłączników typu A w instalacjach domowych i przemysłowych. Przykładowo:

• Norma IEC 60755 wskazuje, że typ AC może nie być wystarczający dla wielu urządzeń z zasilaniem nieliniowym.
• W Niemczech i Austrii już od kilku lat obowiązuje zakaz stosowania typu AC w nowych instalacjach domowych.
• W Wielkiej Brytanii IET (Institution of Engineering and Technology) rekomenduje używanie typu A w większości obwodów, w których występują urządzenia elektroniczne.

EFI-P – niezawodna ochrona typu A od ETI

Wyłącznik różnicowoprądowy EFI-P to produkt klasy premium od firmy ETI, zaprojektowany z myślą o maksymalnej niezawodności i bezpieczeństwie. Jego najważniejsze cechy to:

• typ A – pełna detekcja prądów AC, pulsujących DC oraz stałych do 6 mA;
• zgodność z normami PN-EN – gwarancja bezpieczeństwa i jakości;
• kompaktowa budowa – łatwy montaż w każdej rozdzielnicy;
• szybka reakcja – błyskawiczne zadziałanie w razie awarii;
• wysoka trwałość mechaniczna i elektryczna – długi czas użytkowania w wymagających warunkach.

EFI-P to rozwiązanie idealne do domów jednorodzinnych, apartamentowców, obiektów komercyjnych i przemysłowych. Szczególnie rekomendowany jest w instalacjach, w których pracują urządzenia zawierające elektronikę mocy – np. pompy ciepła, panele PV, systemy ładowania EV.

Dlaczego to takie ważne?

Przeciętny użytkownik zakłada, że skoro zainstalował różnicówkę typu AC, jest bezpieczny. Tymczasem wiele instalacji zabezpieczonych urządzeniami tego typu nie spełnia swojej funkcji w kontekście nowoczesnych odbiorników. Prądy zakłóceniowe o charakterze innym niż sinusoidalny mogą spowodować:

• niedziałanie zabezpieczenia w sytuacji awaryjnej,
• uszkodzenie instalacji,
• pożar lub porażenie prądem,
• konieczność modernizacji instalacji i ponoszenia dodatkowych kosztów.

Stosując EFI-P w typie A, użytkownik otrzymuje produkt, który działa wtedy, kiedy jest to naprawdę potrzebne – bez kompromisów.

Podsumowanie – postaw na inteligentną ochronę

Typ AC to przeszłość. Typ A to teraźniejszość oraz przyszłość nowoczesnych instalacji. EFI-P to produkt, który wpisuje się w aktualne potrzeby rynku i oczekiwania klientów.

Jeśli zależy Ci na realnym bezpieczeństwie, niezawodności i zgodności z obowiązującymi standardami – postaw na typ A. Zaufaj doświadczeniu firmy ETI i zapewnij sobie spokój na lata.

Wybierz EFI-P w typie A, gdy bezpieczeństwo nie może czekać.

Nowe obudowy metalowe w I klasie ochronności w systemie SOLID GSX – LXN250

Obudowy do rozdzielnic LXN250 (IP41, IP42, IP44)

Selected Requirements for the Design and Development of Enclosures for Low-Voltage Switchgear by ETI

When designing low-voltage switchgear, many manufacturers follow guidelines from standards to create and market a product that meets all necessary requirements and ensures safety.

Ograniczniki przepięć ETITEC M60 – Niezawodna ochrona instalacji elektrycznych 

Ograniczniki przepięć ETITEC M60 T12 i T23 to niezawodne rozwiązanie do ochrony instalacji elektrycznych przed przepięciami wywołanymi przez wyładowania atmosferyczne, łączeniowe i inne zakłócenia.

Wyłączniki Powietrzne ACB – Nowa Era Zabezpieczeń Elektrycznych! 🔌

Z przyjemnością przedstawiamy nasze wyłączniki powietrzne ACB, które łączą w sobie nowoczesne rozwiązania i maksymalne zadowolenie klientów. Dzięki optymalizacji konstrukcji oraz kompaktowym rozmiarom, nasze produkty doskonale odpowiadają na różnorodne potrzeby branży.

Sezon burzowy w pełni! Czy Twoja instalacja elektryczna jest odpowiednio chroniona? ⚡

W okresie burzowym instalacje elektryczne są szczególnie narażone na niebezpieczne przepięcia, które mogą powstać w wyniku wyładowań atmosferycznych lub przepięć łączeniowych. Odpowiednia ochrona to klucz do bezpieczeństwa i niezawodności systemów elektrycznych.

Obudowy podtynkowe ECG – Idealne rozwiązanie dla współczesnego budownictwa!

Obudowy podtynkowe ECG to nowoczesne i praktyczne rozwiązanie, które znajduje zastosowanie w szerokim spektrum budownictwa. Od budynków mieszkalnych, przez biura, szkoły, aż po obiekty przemysłowe – są niezastąpione przy instalacji aparatury modułowej. Dzięki ochronie na poziomie IP40, zapewniają niezawodność i bezpieczeństwo użytkowania..

Wentylatory filtrujące i kratki wylotowe z filtrem serii EF 

Wentylatory filtrujące i kratki wylotowe z filtrem serii EF są stosowane w celu zapewnienia optymalnych warunków klimatycznych w obudowach wyposażonych w urządzenia elektryczne i elektroniczne. Zastosowanie wentylatora filtrującego w połączeniu z kratką wylotową z filtrem, to najprostszy sposób na obniżenie temperatury w obudowie oraz ograniczenie możliwości wniknięcia zanieczyszczeń do obudowy. Nowa seria akcesoriów systemu SOLID GSX obejmuje również: grzałki, grzałki z wentylatorem, termostaty oraz higrostat.

Zabezpieczanie modułów fotowoltaicznych PV

Kiedy mówimy o instalacjach fotowoltaicznych na napięcie do 1500V DC, możemy mieć na myśli różne rodzaje rozwiązań i sposoby ich realizacji w rzeczywistości. Istnieje kilka sposobów przemiany napięcia stałego DC na  napięcie przemienne AC.

Inteligentna ładowarka EV

Rynek elektromobilności szybko się zmienia i staje się coraz bardziej zrównoważony. Dlatego z przyjemnością przedstawiamy nową linię stacji ładowania pojazdów elektrycznych EV Smart Charger. Nowa linia oferuje najbardziej zaawansowane rozwiązania i pełną gamę produktów dla potrzeb mieszkaniowych i komercyjnych.

  Zalety::