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.