ei_2004_09_s042.pdf
(
514 KB
)
Pobierz
instalacje elektroenergetyczne
wyłącznik łukochronny
w instalacji powszechnego użytku
dr inż. Ryszard Chybowski - Szkoła Główna Służby Pożarniczej
Większość pożarów inicjowanych przez urządzenia elektryczne powstaje z powodu zapa-
lenia się łuku elektrycznego. Z inicjatywy towarzystw ubezpieczeniowych w 1994 r. w Sta-
nach Zjednoczonych dokładnie zanalizowano 660 pożarów zainicjowanych przez urzą-
dzenia elektryczne [1, 7]. Okazało się, że powodem 33% z nich był łuk elektryczny.
P
ożary powoduje wysoka tempera-
wyodrębnić w tej charakterystyce dwa
zakresy. Z punktu widzenia bezpieczeń-
stwa pożarowego istotne jest, aby przy
wszelkiego typu awariach następowa-
ło szybkie wyłączenie obwodu. Jest to
szczególnie ważne przy zwarciach łu-
kowych, gdzie, od momentu awarii do
wyłączenia, czasy rzędu sekund są zbyt
długie (obszar 3. na
rys. 1
). Wyniki ba-
dań jednoznacznie świadczą, iż w przy-
padku zadziałania wyzwalacza elektro-
magnetycznego, gdzie czasy zadziałania
wymagane normą [4] są
³
0,1 s, prawdo-
podobieństwo zapalenia materiału jest
bardzo małe (dla prądów zwarciowych
do ~1kA). Stąd wniosek, że w wyłącza-
niu zwarć łukowych powinien uczest-
niczyć wyzwalacz elektromagnetyczny.
Powstaje pytanie, czy ten człon zawsze
reaguje przy zwarciach w obwodach po-
wszechnego użytku?
Odpowiedź na nie wymaga znajomo-
ści wartości prądu zwarciowego w miej-
scu uszkodzenia oraz prądu zadziałania
wyłącznika. W przypadku, kiedy prąd
zadziałania wyłącznika będzie mniej-
szy od prądu zwarcia, zadziała wyzwa-
lacz elektromagnetyczny - w przeciw-
nym razie - wyzwalacz termobimeta-
lowy (
rys. 1
). Wartość prądów zwar-
ciowych w obwodach zależy od wie-
lu czynników i nie są one stałe nawet
w czasie. Zależą głównie od długości
i przekroju przewodów oraz od rezy-
stancji zestyków. Na
rysunku 2
przed-
stawiono rozkład procentowy prądów
zwarciowych występujących w 1590
gniazdkach wtyczkowych i na koń-
cach przedłużaczy podłączonych do
tych gniazdek (znajdujących się w 80
amerykańskich rezydencjach).
Przedstawione na
rysunku 2
wykre-
sy mogą być różne w zależności od wa-
runków i kraju. Na stronie interneto-
wej producenta wyłączników z wyzwa-
laczem łukowym [6] podano, że w Sta-
nach Zjednoczonych występują gniazd-
ka, w których prąd zwarcia wynosi
45 A. W Polsce na terenach wiejskich,
gdzie jest przewaga instalacji wykona-
nych przewodami aluminiowymi, prą-
dy zwarciowe mogą być mniejsze. Wy-
kresy na
rysunku 2
dotyczą zwarć me-
talicznych. Łuk zmniejsza prąd zwar-
ciowy. W publikacji [1] przyjmuje się, że
aby uwzględnić palenie się łuku, nale-
ży zwiększyć prąd zadziałania wyzwa-
lacza o 50 A.
Przy przyjęciu następujących założeń:
prąd zadziałania wyłącznika
wzrasta o 50 A.
Można oszacować procent gniazd
wtyczkowych, w których wystąpi dłu-
gotrwały łuk elektryczny (
tab. 1
).
Z danych przedstawionych w
tabeli 1
wynika, że w niektórych sytuacjach po-
nad 50% zwarć łukowych w gniazdkach
wtyczkowych będzie wyłączona przez
wyzwalacz termobimetalowy. Im więk-
szy prąd znamionowy wyłącznika, tym
większe prawdopodobieństwo wyłącze-
nia zwarcia łukowego przez wyzwalacz
termobimetalowy. Zwarcia mogą po-
wstać w odbiorniku w dowolnym miej-
scu uzwojenia, grzejnika lub innego ele-
mentu czynnego. W odbiornikach po-
wodują zmniejszenie prądów zwarcio-
wych, czyli większe zagrożenie pożaro-
we. Z przytoczonego przykładu wynika,
że klasyczne wyłączniki nadmiarowo-
-prądowe prawidłowo dobrane, zainsta-
lowane i eksploatowane nie mogą w peł-
ni wyeliminować powstania pożaru.
W celu ograniczenia liczby poża-
rów od łuku w instalacjach powszech-
nego użytku możliwe są trzy kierunki
przeciwdziałań, a mianowicie:
tura kolumny łukowej oraz obec-
ność materiałów palnych albo w sa-
mym urządzeniu, albo w jego pobli-
żu. Nie bez znaczenia są rozżarzone
krople metalu wyrzucane z elektrod
podczas palenia się łuku.
Stosowane obecnie zabezpieczenia
nadmiarowo-prądowe chronią obwody
przed nadmiernym nagrzaniem elemen-
tów instalacji przy wystąpieniu przetęże-
nia. Zadaniem takich zabezpieczeń jest
przerwanie dopływu prądu przed wy-
stąpieniem ujemnych skutków przepły-
wu nadmiernego prądu, a tym samym
ograniczenie ryzyka pożaru. Prąd przetę-
żeniowy może powstać z różnych przy-
czyn. Najczęściej występuje na skutek
zwarć, w tym zwarć łukowych.
Na rysunku 1
przedstawiono typową
charakterystykę t = ƒ(I) wyłącznika in-
stalacyjnego [2], stosowanego w instala-
cjach powszechnego użytku. Ze względu
na czas zadziałania wyłącznika można
w pewnej populacji instalacji wy-
stąpi rozkład procentowy prądów
zwarciowych w gniazdkach, jak
na
rysunku 2
,
zabezpieczenia nadmiarowo-prą-
dowe będą typowe o prądach zna-
mionowych 10 A i 25 A o różnych
charakterystykach spełniających
wymagania normy [4],
w przypadku palenia się łuku
Rys. 1
Charakterystyka t = ƒ(I) wy-
łącznika instalacyjnego:
1
- za-
kres działania wyzwalacza ter-
mobimetalowego,
2
- zakres
działania wyzwalacza elektro-
magnetycznego,
3
- obszar za-
grożenia pożarowego w przy-
padku palenia się łuku,
e
- pa-
smo rozrzutu, I
z
- prąd zadziała-
nia wyłącznika
Rys. 2
Procent gniazd wtyczkowych (krzywa A) i końcówek przedłużaczy (krzywa
B), w których prąd zwarciowy przekracza określoną wartość [1]
www.elektro.info.pl
nr 9/2004
42
modernizacja instalacji, by uzy-
skać prąd zwarciowy o odpowied-
niej wartości,
Schemat blokowy wyłącznika z wy-
zwalaczem łukowym został przedsta-
wiony na
rysunku 3
.
Należy podkreślić, że wyzwalacz łu-
kowy może być niezależny od konwen-
cjonalnych wyzwalaczy. Jest on sto-
sowany w klasycznych wyłącznikach
instalacyjnych jako dodatkowy człon.
Dostępne na rynku USA takie wyłącz-
niki zawierają również człon różnico-
woprądowy ze wspólnym układem lo-
gicznym. Na stronie internetowej pro-
ducenta tego typu wyłączników [6] za-
mieszczono schemat blokowy, w któ-
rym brak jest klasycznych wyzwala-
czy nadmiarowo-prądowych. Układy
elektroniczne w takim przypadku są
wspólne. Pokazany na
rysunku 3
czuj-
nik prądu wyzwalacza łukowego ma za
zadanie przekazać niezniekształcony
przebieg prądowy do układu filtrują-
cego. Może on być typu rezystancyjne-
go lub magnetycznego. Układ filtrują-
cy przepuszcza odpowiednie parame-
try przebiegu prądowego oraz odrzu-
ca te, które nie występują w łuku awa-
ryjnym lub nie są poddawane anali-
obniżenie prądu zadziałania wy-
łączników, by zwarcia łukowe
były wyłączane przez wyzwalacz
elektromagnetyczny,
zastosowanie dodatkowego wy-
zwalacza reagującego na łuk.
Modernizacja instalacji i obniżenie
prądu zadziałania wyłączników nie
eliminują całkowicie zagrożenia poża-
rowego od łuku z uwagi na możliwość
wystąpienia zwarć w dowolnym miej-
scu urządzenia, czyli z odpowiednio
mniejszymi prądami zwarciowymi.
Zastosowanie dodatkowego wyzwa-
lacza jest najbardziej korzystne i po
wielu pracach badawczych zostało za-
akceptowane do realizacji.
Rys. 3
Schemat blokowy wyłącznika instalacyjnego z wyzwalaczem łukowym
I – klasyczny wyłącznik instalacyjny, II – wyzwalacz łukowy, III – człon róż-
nicowoprądowy, T – przycisk kontrolny wyzwalacza łukowego
kształt prądu jest zniekształcony
i znacznie odbiega od przebiegu si-
nusoidalnego. Wyzwalacz reagujący
na łuk elektryczny musi monitorować
odpowiednie parametry występujące
w prądzie przepływającym w obwo-
dzie chronionym. Powinien on odróż-
nić łuk wynikający z normalnej pra-
cy urządzenia, np. w silnikach komu-
tatorowych, łącznikach, od łuku po-
wstałego w wyniku uszkodzenia urzą-
dzenia. Wykrywanie łuku powstałego
w wyniku uszkodzenia jest oparte na
wielu parametrach: wyższych harmo-
nicznych zawartych w przebiegu prą-
dowym, kształcie fali prądowej, am-
plitudzie prądu, czasie trwania półfa-
li prądu. W niektórych przypadkach
konieczna jest analiza szybkości na-
rastania i opadania półfali prądowej.
Wyzwalacz łukowy musi mieć dłuż-
szy czas własny na analizę przebiegu
prądowego w porównaniu z wyzwa-
laczem elektromagnetycznym. W za-
stosowaniach przemysłowych wyma-
gana jest analiza 8 półfal prądowych
w czasie palenia się łuku wynoszą-
cym 0,5 s.
budowa i zasada działania
Łuki występujące w urządzeniach
elektrycznych powszechnego użytku
mają odpowiednie własności. Z po-
wodu nieliniowości charakterystyk
reklama
nr 9/2004
www.elektro.info.pl
43
instalacje elektroenergetyczne
Procent gniazdek,
w których przy zwarciu
nie zadziała wyzwalacz
elektromagnetyczny
przy zwarciu
metalicznym
[%]
Prąd
znamionowy
wyłącznika
Prąd
zadziałania
[A]
Typ ch-ki
przy zwarciu
łukowym
[%]
B
50
0
3
10 A
C
100
3
18
B 125 20 27
C 250 50 65
Tab. 1
Przykładowe dane procentowe niezadziałania wyzwalacza elektromagnetycz-
nego przy zwarciach w gniazdkach wtyczkowych
25 A
zie w danym typie wyłącznika. Z ukła-
du filtrującego sygnał jest podawany
na wzmacniacz i po wzmocnieniu na
układ logiczny. Jeżeli układ logiczny
stwierdzi, że wystąpił łuk awaryjny,
wówczas podaje sygnał na zamek wy-
łącznika i obwód zostaje wyłączony.
Przycisk kontrolny pozwala skontrolo-
wać wyzwalacz łukowy. Po naciśnięciu
go generowany jest sygnał, jaki wystę-
puje przy łuku awaryjnym.
Schemat blokowy wyłącznika z wy-
zwalaczem łukowym jest stosunkowo
prosty. Problem dotyczy odpowiedniej
obróbki sygnału w układzie filtrującym
oraz odpowiedniego oprogramowania
mikroprocesora układu logicznego, aby
można było uniknąć błędnych zadzia-
łań wyłącznika. Producent tego typu
wyłączników na stronie internetowej
[6] podaje 11 zastrzeżeń patentowych
dotyczących szczegółowych rozwiązań
zarówno tych problemów, jak i układu
do testowania wyzwalacza łukowego.
Wyłącznik z wyzwalaczem łuko-
wym nie zabezpiecza bezpośrednio
przed możliwością powstania pożaru
z powodu awaryjnej pracy zestyku. Jed-
nak wtórne efekty rozgrzanego zestyku
mogą być wykryte z powodu zapalenia
się łuku w uszkodzonym zestyku.
kie należy przeprowadzić, by ocenić
poprawność funkcji, jaką dane urzą-
dzenie ma do wykonania. Można je
zamieścić w trzech grupach:
badania dotyczące skuteczności
Wyzwalacz łukowy musi wykryć
określony łuk awaryjny z wyma-
ganą czułością. Po wykryciu musi
być podany sygnał na wyłączenie
obwodu. Przy symulacji łuku awa-
ryjnego stosowane są dwa różne
sposoby, a mianowicie:
– łuk powstały w ścieżce upływu
zwęglonej izolacji elektrycznej,
– łuk powstały na skutek styku
dwóch przewodzących przewo-
dów pod napięciem.
Rys. 4
Przykładowe przebiegi napięcia i prądu w obwodach zabezpieczonych wy-
łącznikiem z wyzwalaczem łukowym
a)
w przypadku włączenia lampy ha-
logenowej o mocy 500 W z wykorzystaniem ściemniacza (bez wyłącznika),
b)
zwarcie łukowe dwóch metalowych przewodów pod napięciem (wyłącze-
nie obwodu)
wadzenia 75 różnych badań w celu
oceny jakości działania wyłącznika
z wyzwalaczem łukowym.
ną rolę może spełniać w budynkach
ze starą i zniszczoną instalacją elek-
tryczną. W warunkach polskich przy
bardzo dużej liczbie instalacji zuży-
tych i niewłaściwie eksploatowa-
nych zastosowanie takiego wyłącz-
nika jest bardzo pożądane.
podsumowanie
badania dotyczące poprawności
Wyzwalacz łukowy musi wyka-
zać się zdolnością braku reakcji
w sytuacjach, w których są wy-
twarzane podobne przebiegi prą-
dowe jak przy łukach awaryj-
nych. W grupie tej jest sześć me-
tod badań. Przykładowo można
wymienić: reakcję na prądy uda-
rowe, łuk przy normalnej pracy
urządzenia (np. w silniku komu-
tatorowym), obciążenia nielinio-
we (np. ściemniacze).
Wyłącznik z wyzwalaczem łuko-
wym został opracowany w połowie
lat dziewięćdziesiątych ubiegłego
wieku. Pierwsza wersja normy [5] zo-
stała opublikowana w 1997 roku i od
tego roku urządzenie jest dostępne na
amerykańskim rynku. Obecnie moż-
na nabyć kilka typów wyłączników
z wyzwalaczem łukowym. Kilkulet-
nie doświadczenia eksploatacyjne
z tymi wyłącznikami są bardzo zachę-
cające – nie stwierdza się niepotrzeb-
nych wyłączeń. Stosunkowo małe
rozpowszechnienie tego urządzenia
i zbyt krótki okres eksploatacyjny nie
dają zauważalnej redukcji pożarów od
urządzeń elektrycznych.
Wyłącznik z wyzwalaczem łuko-
wym według przepisów [3] powinien
być instalowany od 2002 r. w nowo
budowanych budynkach w obwo-
dach zasilających sypialnie. Oczy-
wiście, jest on zalecany do każde-
go obiektu budowlanego. Szczegól-
literatura
1. King H., Lee D., Trotta A., New
Technolog y for Preventing Resi-
dential Electrical Fires: Arc – Fault
Circuit Interrupters, Fire Techno-
logy, vol 36, No 3, 2000.
2. Markiewicz H., Instalacje elek-
tryczne, WNT, Warszawa, 2002.
3. NFPA 70, National Electrical Code,
1999, Artykuł 210.
4. PN-IEC 60898:2000. Sprzęt elek-
troinstalacyjny. Wyłączniki do za-
bezpieczeń przetężeniowych in-
stalacji domowych i podobnych.
5. UL 1699, Standard for Arc – Fault
Circuit Interrupters, Underwriters
Laboratories Inc., 1999.
6. www. zlan.com/arc.htm.
7. Yereance R., Electrical Fire Ana-
lysis, Charles C. Thomas – Publi-
sher, 1995.
badania dotyczące wykrywalności
Wyzwalacz łukowy musi wykrywać
i wyłączać obwód w przypadku wy-
stąpienia awaryjnych łuków ukry-
tych, tłumionych lub zagłuszanych.
W tym celu muszą być przeprowa-
dzone badania przy wyładowa-
niach łukowych z różnymi obwo-
dami, filtrami i obciążeniami. Na
rysunku 4
pokazano przykładowe
przebiegi napięcia i prądu uzyskane
podczas badań wyzwalacza łuko-
wego. Norma [5] wymaga przepro-
wymagania
dla wyłączników
z wyzwalaczem łukowym
Prace prowadzone nad zagadnie-
niem bezpieczeństwa pożarowego
urządzeń elektrycznych zaowocowa-
ły opracowaniem wymagań dla tych
wyłączników, które są zawarte w nor-
mach towarzystw ubezpieczeniowych
[5]. Wymagania te dotyczą badań, ja-
www.elektro.info.pl
nr 9/2004
44
Plik z chomika:
pilot1216
Inne pliki z tego folderu:
ei_2004_09_s004.pdf
(72 KB)
ei_2004_09_s005.pdf
(44 KB)
ei_2004_09_s006.pdf
(157 KB)
ei_2004_09_s009.pdf
(304 KB)
ei_2004_09_s014.pdf
(91 KB)
Inne foldery tego chomika:
- II w.św. - Pacyfik, Azja
- II w.św. - Rosja - ZSRR
- II w.św. Afryka, Atlantyk
- ★ Oszukać Umysł
ENCYKLOPEDIA KOŚCIELNA
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin