Listy od Piotra
Bezpieczniki
B
e
z
p
i
e
c
z
n
i
k
i
Bezpieczniki
B
e
z
p
i
e
c
z
n
i
k
i
- niedoceniane elementy elektroniczne
W pierwszej części artykułu omówio- Nie będziemy się w to wgłębiać, bo temat zwarciowy sieci oraz ze względu na przepię-
ne były podstawowe zagadnienia jest trudny, a podane informacje wcale go nie cia. Przepięcia to mało znane zagrożenie po-
związane z bezpiecznikami. Drugi od- wyczerpują podawana w katalogach war- jawiające się w chwili zwarcia i zadziałania
cinek przeznaczony jest dla osób, tość I2t zwykle dotyczy tylko czasu przedłu- bezpiecznika.
które chcą wiedzieć nieco więcej na kowego, czyli od chwili zwarcia do zapłonu Skąd biorą się te przepięcia?
ten temat, zwłaszcza na temat dobie- łuku. Tymczasem w obliczeniach należałoby Przede wszystkim trzeba pamiętać, że sieć
rania bezpiecznika do ochrony ele- wziąć pod uwagę również wartość I2t zwią- energetyczna, a także każdy obwód zasilający
mentów półprzewodnikowych (tria- zaną z łukiem, a ta zależy od kilku czynni- mają jakąś indukcyjność. Jeśli występuje in-
ków, tyrystorów, diod) pracujących ków, między innymi od spodziewanego prą- dukcyjność, przepięcia będą się pojawiać przy
w obwodach sieci energetycznej. du zwarciowego oraz napięcia pracy. każdej gwałtownej zmianie prądu, zarówno
przy prądzie stałym, jak i zmiennym. Rysu-
Całka Joule a nek 3 pokazuje w uproszczeniu sytuację przy
W pierwszej części artykułu podane były przerywaniu obwodu prądu stałego, gdzie wy-
charakterystyki czasowo-prądowe wkładek łącznik F reprezentuje przepalający się bez-
topikowych. Z charakterystyk wynika, że Zwarcie piecznik, przerywający przepływ prądu.
czym większy prąd, tym czas przerywania Potoczne wyobrażenia roli i działania bez- W chwili przerwania prądu na cewce pojawia
obwodu jest krótszy. Obowiązuje tu prosta piecznika zupełnie bezpodstawnie podpowia- się potężny impuls napięcia samoindukcji.
zależność matematyczna. Wynika ona z fak- dają, że w chwili zwarcia bezpiecznik zadzia- Choć przy prądzie zmiennym sytuacja jest
tu, że do zadziałania bezpiecznika potrzebna ła bardzo szybko i ograniczy prąd do warto- nieco inna, trzeba się spodziewać, że w chwili
jest odpowiednia ilość energii cieplnej. Cie- ści bezpiecznej dla elementu półprzewodni- zadziałania bezpiecznika, czyli w chwili prze-
pło to powstaje podczas przepływu prądu kowego. Zazwyczaj tak nie jest, a ponieważ rwania prądu zwarcia, też pojawi się przepięcie.
przez rezystancję bezpiecznika jest to tak w grę wchodzą dodatkowe zjawiska, warto Bliższe zapoznanie się z tym tematem przy-
zwane ciepło Joule a (czyt. dżula). Powstają- przyjrzeć się problemowi z bliska. nosi kilka zaskakujących szczegółów i wskazu-
cą ilość ciepła określa znany ze szkoły wzór: Jak mówiliśmy przed miesiącem, w każdym je, że sytuacja daleko odbiega od tej z upro-
E= (I2R) * t obwodzie, w tym w sieci energetycznej, może- szczonego modelu z rysunku 3. Rysunek 4 po-
Jeśli przyjmiemy, że energia E potrzebna my mówić o spodziewanym prądzie zwarcia. kazuje przebiegi napięcia i prądu w warunkach
do stopienia drucika oraz rezystancja drucika Zazwyczaj jest on bardzo duży, wynosi setki zwarcia szybkiego bezpiecznika, który jest
są stałe, możemy podać dla każdego bez- i tysiące amperów. Taki prąd, nawet płynąc w stanie rozłączyć obwód w czasie poniżej
piecznika charakterystyczną wartość iloczynu przez krótki czas, niewątpliwie stanowi śmier- 10ms, czyli krótszym niż jeden półokres napię-
I2t. Ponieważ w rzeczywistych warunkach, telne zagrożenie dla elementów półprzewodni- cia sieci energetycznej. Przerywana linia niebie-
zwłaszcza podczas zwarcia, prąd zmienia swą kowych. Rysunek 2 pokazuje przykład obwo- ska pokazuje przebieg napięcia sieci 220V.
wartość, prąd należałoby całkować w czasie. du, gdzie może wystąpić tak grozne zwarcie. Czerwona linia pokazuje przebieg napięcia na
Parametr I2t nazywany jest całką Joule a i po- przepalającym się bezpieczniku. Przed wystą-
daje się w katalogach. Czym większa wartość Rys. 2 pieniem zwarcia napięcie na bezpieczniku jest
I2t, tym trudniej spalić dany bezpiecznik. pomijalnie małe. Załóżmy, że zwarcie wystąpi 1
Znając wartość I2t oraz prąd, można obli- milisekundę po przejściu napięcia sieci przez
czyć czas zadziałania. Obliczeń takich w prak- zero. Na rysunku 4 jest to chwila t0. Tuż po
tyce się nie wykonuje. Jednak, wbrew pozo- zwarciu, w czasie t0...t1 w obwodzie zaczyna
rom, wartość całki Joule a jest przydatna. gwałtownie rosnąć prąd. Rośnie on według za-
Jak wspomniałem, jest to parametr określa- znaczonego fioletową linią spodziewanego prą-
jący łatwość spalenia bezpiecznika . Co bar- du zwarcia. Tak duży prąd powoduje stosunko-
dzo istotne, parametr ten dotyczy także innych wo duży spadek napięcia na druciku topikowym
elementów, na przykład diody, triaka czy tyry- Przy okazji drobne wyjaśnienie. Na zagra- bezpiecznika. Szybkość narastania prądu zależy
stora. Co więcej, w katalogach diod, triaków nicznych schematach bezpiecznik często ozna- od indukcyjności sieci oraz od jej wydajności .
i tyrystorów, zwłaszcza tych przeznaczonych czany jest literą F, jak na rysunku 2. Nie znaczy Spodziewane prądy zwarciowe w sieci energe-
do pracy w obwodach sieci energetycznej, po- to, że ma to być szybki bezpiecznik typu F. Li- tycznej mogą wynosić ponad 1000A.
daje się wartość I2t tych elementów. tera F na schematach pochodzi od angielskiego W krótkim czasie (na rysunku 3 około
I tu doszliśmy do zagadnienia praktyczne- Fuse i po prostu oznacza bezpiecznik. Nie ma 1,5ms) prąd ten spowoduje rozgrzanie do bar-
go. Aby bezpiecznik uchronił przed uszko- żadnego związku z rodzajem tego bezpiecznika. dzo wysokiej temperatury i stopienie drucika.
dzeniem element półprzewodnikowy, war- W układzie z rysunku 2 zastosowany bez- Niestety, obwód wcale nie zostanie przerwany.
tość I2t bezpiecznika musi być mniejsza od piecznik powinien ograniczyć maksymalny Zapali się bowiem łuk elektryczny. Oporność
wartości I2t chronionego elementu półprze- prąd do wartości, która nie uszkodzi elementu tego łuku jest znacznie większa niż wcześniej
wodnikowego. Jest to pierwszy warunek do półprzewodnikowego, w tym wypadku triaka. istniejącego drucika, co odpowiada włączeniu
spełnienia przy doborze bezpiecznika do Nie jest to jednak takie proste, między in- w obwód znacznej rezystancji. Przy znacznie
ochrony elementu półprzewodnikowego. nymi ze względu na duży spodziewany prąd większej rezystancji obwodu prąd powinien
Elektronika dla Wszystkich
102
Listy od Piotra
gwałtownie zmniejszyć swą wartość. Nie po- tudzie ponad dwóch kilowoltów. Przepięcie średnio szybkie, T
zwala na to indukcyjność sieci. Jak wiadomo, to pojawi się na elementach obwodu i z pew- opóznione, TT zwłocz-
indukcyjność nie znosi zmian prądu - przy nością uszkodzi umieszczony w obwodzie ne. Charakterystyki czaso-
próbie zmiany wartości prądu powstaje prze- element półprzewodnikowy (triak). wo-prądowe pokazane są
pięcie (napięcie samoindukcji), które próbuje To kolejna przykra niespodzianka przy- w uproszczeniu na rysun-
utrzymać wcześniejszą wartość prądu. Ponie- czyną uszkodzenia półprzewodnika wcale ku 6. Poszczególne kraje
waż prąd zdążył narosnąć do wartości kilkuset nie musi być prąd, może nią być przepięcie i organizacje wprowadziły
amperów, a rezystancja łuku jest znacznie powstające w chwili zadziałania bezpieczni- jeszcze inny sposób
większa od rezystancji drucika, szczytowa ka. Mało tego, powstające przepięcie może podziału. Charakterystyki jak na rysunku 1
wartość przepięcia, próbującego podtrzymać uszkodzić inne, podobne elementy umie- (w poprzednim numerze EdW) niewiele
przepływ tak dużego prądu, może wynosić na- szczone w tej gałęzi sieci. mówią o zdolności wyłączania prądów zwar-
wet kilka kilowoltów. Powstałe przepięcie Właśnie dlatego do ochrony elementów pół- ciowych i przydatności do poszczególnych
podtrzymuje łuk, niemniej prąd maleje dość przewodnikowych, zwłaszcza przy większych zastosowań. Profesjonalni konstruktorzy pro-
szybko. W chwili t2 napięcie i prąd są na tyle mocach, stosuje się dodatkowe środki zaradcze jektujący zabezpieczenia muszą więc sięgnąć
małe, że łuk gaśnie. Tym razem prąd gwałtow- oraz bezpieczniki specjalnej konstrukcji, tak do szczegółowych firmowych katalogów.
nie maleje do zera. Powoduje to powstanie zwane bezpieczniki półprzewodnikowe. Nie Wiele cennych danych można znalezć
drugiego przepięcia, którego szczytowa war- znaczy to, że zawierają półprzewodniki - służą także w zbiorczych katalogach firm handlo-
tość jest zdecydowanie mniejsza niż pierwsze- one do ochrony półprzewodników. wych, na przykład w bardzo przydatnym ka-
go, a to ze względu na mniejszą wartość prądu. Rysunek 5 pokazuje przebiegi napięcia talogu firmy ELFA, gdzie podane są podsta-
W przypadku tego bezpiecznika rozłącze- i prądu w przypadku zastosowania specjalnego wowe dane wielu bezpieczników. Fotografie
nie nastąpiło szybko, w czasie poniżej 10ms. bezpiecznika półprzewodnikowego. Dzięki spe- na tej stronie pokazują kilka typów bezpiecz-
Inny bezpiecznik w innych warunkach pracy cjalnej konstrukcji (m.in. przewężeniom druci- ników z oferty tej firmy.
(inna indukcyjność, inny prąd zwarcia) rozłą- ka, a właściwie paska topikowego) łuk zapala Piotr Górecki
czyłby obwód po dużo dłuższym czasie, się jeszcze szybciej, ale nie od razu na całej dłu- Ciąg dalszy za miesiąc
a w skrajnych warunkach nie rozłączyłby wca- gości drucika. Zwiększająca się stopniowo rezy-
le, bo łuk mógłby się utrzymywać na stałe. stancja łuku powoduje przepięcie o wartości
znacznie mniejszej niż poprzednio. Ostatecznie
proces wyłączenia jest jeszcze szybszy, a po-
wstające przepięcia znacznie mniejsze.
Podane właśnie informacje nadal nie wy-
czerpują tematu. Więcej materiału zawierają
artykuły w EP 4/95, 7/95, 8/95 i 9/95 z cyklu
Notatnik Praktyka. Zainteresowani powinni
szukać dodatkowych szczegółów w literatu-
rze specjalistycznej i katalogach firmowych.
Rys. 3 Pozostali mogą przygotować się na ewentu-
alną wymianę elementów i pozostać przy
Rys. 4 podanych wcześniej wnioskach, że skuteczne
zabezpieczenie elementów półprzewodniko-
wych przed zwarciem jest w warunkach ama-
torskich niemal niemożliwe.
Rys. 5
Rys. 6
Obecna sytuacja
W kraju od lat produkowano (krakowska
Elektrotechniczna Spółdzielnia Pracy SPEL)
wkładki topikowe oznaczane WTA (Wkładka
Topikowa Aparatowa) zwłoczne i szybkie
WTA-T oraz WTA. W nielicznych urządze-
niach zawierających triaki i tyrystory stoso-
wano bezpieczniki WTA-G (ściślej WTA-
FG), które można było poznać po gasiwie
Przepięcia piasku znajdującym się wewnątrz rurki.
Czerwona linia na rysunku 4, Oprócz tych wkładek o standardowych wy-
pokazująca przebieg napięcia miarach 5x20mm, w kraju produkowane by-
na bezpieczniku udowadnia, że ły inne bezpieczniki, między innymi dla tele-
nie ma się z czego cieszyć. komunikacji czy do ochrony półprzewodni-
Wprawdzie bezpiecznik nie po- ków (rodzina Btp). Obecnie w ofercie rynko-
zwolił, by prąd wzrósł do pełne- wej można spotkać wiele bezpieczników za-
go spodziewanego prądu zwarcia, jednak granicznych o różnych parametrach. Według
prąd i tak zdążył narosnąć do zatrważającej standardu IEC rozróżnia się nie dwa rodzaje
wartości kilkuset amperów, a co gorsza, po- wkładek (T- zwłoczne i F szybkie), tylko
wstało przy tym ogromne przepięcie o ampli- pięć: FF bardzo szybkie, F szybkie, M -
Elektronika dla Wszystkich
103
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Bezpieceństwo militarne PolskiAdministracja bezpieczenstwa stDobór bezpieczników topikowychZagrożenia bezpieczeństa informacjiBezpieczeństwo państwa instytucje bezpieczeństwaDz U 00 40 470 bezpieczeństwo i higiena pracy przy pracach spawalniczych08 Bezpieczeństwo elektrowni jądrowychProwadzenie szkoleń z zakresu bezpieczeństwa i higieny pracyCzęść 4 Bezpieczeństwo pojazduKryptografia a bezpieczeństwo danychdobor bezpiecznikowMinimalne wymagania dotyczące bezpieczeństwa przy pracach zagrożonych atmosferą wybuchowąbezpieczeństwo pożarowe w hotelachwięcej podobnych podstron