rcd_02.pdf

Dr inż. Edward MUSIAŁ

Dr inż. Stanisław CZAPP

Katedra Elektroenergetyki

Politechnika Gdańska

WYŁĄCZNIKI OCHRONNE RÓŻNICOWOPRĄDOWE.

PRZEGLĄD I CHARAKTERYSTYKA

WSPÓŁCZESNYCH KONSTRUKCJI

Streszczenie

W artykule przedstawiono problemy i rozwiązania konstrukcyjne oraz zasady działania współczesnych wyłączników

różnicowoprądowych. Opisano ich podstawowe cechy i parametry określone przez normy przedmiotowe. Przedstawio-

no charakterystyki przekładników sumujących, ich własności elektromagnetyczne oraz przydatność do wyłączników

o określonym uczuleniu na wartość i kształt przebiegu prądu różnicowego. Objaśniono liczne warianty układu połączeń

obwodu wyzwalającego wyłączników. Omówiono rozwiązania członu kontrolnego wyłącznika i stawiane mu wymaga-

nia. Zwrócono uwagę na podstawowe problemy terminologiczne związane z wyłącznikami różnicowoprądowymi.

1. Podstawowe cechy i parametry wyłączników różnicowoprądowych

Wyłączniki ochronne różnicowoprądowe są łącznikami zabezpieczeniowymi , co oznacza,

że są przystosowane do długotrwałej pracy w stanie zamkniętym, a nie do częstych czynności łą-

czeniowych. Z definicji zawierają człon zabezpieczeniowy różnicowoprądowy, a niektóre wyko-

nania mają ponadto człon zabezpieczeniowy nadprądowy. Takie przeznaczenie wyznacza pewne

zasady konstrukcyjne: wyłączniki różnicowoprądowe są łącznikami zamkowymi o wyzwalaniu

swobodnym , umożliwiającym wyzwalanie i samoczynne otwarcie niezależnie od sposobu manipu-

lowania urządzeniem napędowym (dźwignią lub przyciskiem). Dzięki temu bezskuteczne są upo-

rczywe próby załączenia obwodu dotkniętego uszkodzeniem i podobne nieprawidłowe manipulacje

urządzeniem napędowym.

Obowiązuje rozłączanie pełnobiegunowe , również toru neutralnego, jeśli występuje. Nie ma

tu odstępstw, jak w odniesieniu do wyłączników nadprądowych. Styki ruchome wszystkich biegu-

nów powinny być tak powiązane mechanicznie, że wszystkie bieguny − z wyjątkiem neutralnego,

jeśli występuje − zamykają się i otwierają praktycznie jednocześnie zarówno przy działaniu samo-

czynnym, jak i przy manipulowaniu napędem ręcznym. Rozłączalny biegun neutralny powinien

mieć zestyk o przedłużonej styczności , zamykający się wcześniej, a otwierający później niż inne

bieguny. Jest to szczególnie ważne w przypadku wyłączników czterobiegunowych instalowanych

w obwodach trójfazowych. Nowa norma [15] tylko pozornie formułuje to inaczej: biegun neutralny

powinien zamykać się nie później, a otwierać nie wcześniej niż inne bieguny. Znaczy to dokładnie

to samo, bo nie można zagwarantować idealnej jednoczesności zamykania i otwierania zestyków

łącznika wielobiegunowego.

Od współczesnych wyłączników różnicowoprądowych wymaga się ponadto, aby były łącz-

nikami izolacyjnymi , tzn. w stanie otwartym stwarzały w obwodzie przerwę izolacyjną bez-

pieczną ; informacja o tej właściwości może być podana na obudowie w postaci symbolu graficzne-

go odłącznika. Wyłącznik różnicowoprądowy powinien mieć wskaźnik stanu otwarcia oraz

wskaźnik stanu zamknięcia , łatwo dostrzegalny z przodu wyłącznika również po nałożeniu po-

krywy lub obudowy. Wskaźnik świetlny, jeśli jest, nie powinien być jedynym wskaźnikiem stanu

zamknięcia. Wszelkie oznaczenia powinny być dobrze widoczne po zainstalowaniu wyłącznika.

Stan otwarcia oznacza się w skali międzynarodowej kółkiem O , a stan zamknięcia prostą li-

nią pionową I ; dopuszcza się dodatkowe, krajowe oznaczenia bądź napisy. Jeżeli do tego celu uży-

wa się kolorów, to czerwony powinien oznaczać stan zamknięcia, a zielony − stan otwarcia. Jeżeli

jest oczywistym, że do zamykania wyłącznika służy przycisk (bez samoczynnego powrotu), to wy-

raźny stan wciśnięcia tego przycisku można uważać za wystarczający wskaźnik stanu zamknięcia.

W wyłącznikach o napędzie za pomocą dwóch przycisków, przycisk służący tylko do otwierania

powinien być czerwony i/lub oznaczony symbolem graficznym O . Barwy czerwonej nie należy

używać do oznaczania jakiegokolwiek innego przycisku wyłącznika (np. przycisku TEST).

Wyłącznik różnicowoprądowy powinien mieć napęd ręczny umożliwiający zamykanie

i otwieranie. Elementem napędowym współczesnych wyłączników na ogół jest dźwignia. Kierun-

kiem zamykania jest wtedy kierunek ku górze albo w prawo. Tego, kto wyłącznik zainstaluje

w położeniu naruszającym tę zasadę, w razie wypadku dającego się powiązać z takim błędem, cze-

ka rozmowa z prokuratorem wspomaganym przez biegłego.

Oznaczenia zacisków torów głównych wyłączników różnicowoprądowych są takie, jak

w przypadku innych łączników elektroenergetycznych. Kolejne bieguny mają oznaczenia odpo-

wiednio: 1-2, 3-4, 5-6, 7-8. Biegun neutralny , odmienny od pozostałych, wyróżnia się dodając

literę N, np. w wyłączniku dwubiegunowym: 1-2, 3N-4N lub po prostu: 1-2, N-N, a w wyłączniku

czterobiegunowym: 1-2, 3-4, 5-6, 7N-8N lub po prostu: 1-2, 3-4, 5-6, N-N. Poprawna identyfikacja

i poprawne przyłączenie bieguna neutralnego jest ważne z następujących powodów:

zestyki bieguna neutralnego mają przedłużoną styczność (rys. 1), co zapobiega niesymetrii na-

pięć fazowych w obwodzie trójfazowym w razie trwałego niepełnobiegunowego zetknięcia się

styków,

do bieguna neutralnego może być przyłączony jeden z przewodów zasilających obwód kontrol-

ny,

w wyłącznikach różnicowoprądowych z wbudowanym zabezpieczeniem nadprądowym wyzwa-

lacza nadprądowego z zasady nie ma w biegunie neutralnym.

Jeżeli nie jest obojętne, do których zacisków przyłącza się zasilanie, a do których obciążenie

obwodu, to zaciski należy opatrzyć napisami zasilanie/obciążenie albo strzałkami pokazującymi

kierunek przepływu mocy.

Rys. 1. Graficzne oraz alfanumeryczne oznaczenia biegunów i samych zestyków wyłączników różnicowo-

prądowych izolacyjnych z wbudowanym zabezpieczeniem nadprądowym (RCBO): a) wyłącznik dwubiegu-

nowy; b) wyłącznik czterobiegunowy

Wyłączniki różnicowoprądowe powinny być urządzeniami klasy ochronności II . Wyma-

ganie to spełnia się wyposażając wyłącznik w ochronną osłonę izolacyjną o należytej wytrzymało-

ści mechanicznej i odpowiednich własnościach elektrycznych. Niedopuszczalne są jakiekolwiek

części przewodzące dostępne na obudowie. Jeżeli stopień ochrony obudowy jest inny niż IP 20, to

powinien być na niej oznaczony.

Każdemu łącznikowi przypisuje się określone parametry zdolnościowe wyrażone liczbowo

i ewentualnie opisowo, które informują użytkowników, do jakich celów i przy jakich narażeniach

sieciowych oraz środowiskowych dany łącznik może być zastosowany i czego można po nim ocze-

kiwać. Niektóre z tych parametrów dotyczą wszelkich łączników (np. napięcie znamionowe i prąd

znamionowy ciągły), inne są specyficznymi cechami określonej grupy łączników. Większość z nich

jest podana na samym wyłączniku w postaci wartości liczbowych bądź umownych symboli graficz-

nych, pozostałe można znaleźć w katalogach.

Napięcie znamionowe U n wyłączników różnicowoprądowych jest oczywiście związane

z napięciem znamionowym izolacji, jak w każdym aparacie i urządzeniu: określa wymagania

odnośnie do odstępów izolacyjnych powierzchniowych i powietrznych, wytrzymałości elektrycznej

przerwy bezpiecznej (wyłączników izolacyjnych) oraz rezystancji izolacji. Jest też związane − jak

w każdym wyłączniku − ze zdolnością łączenia roboczą, a zwłaszcza − ze zdolnością łączenia

zwarciową. Jest też związane z zasilaniem członu kontrolnego, którego prawidłowe działanie

wymaga zasilania napięciem o wartości z określonego przedziału. Aktualnie zalecane wartości

napięcia znamionowego wyłączników różnicowoprądowych zestawiono w tabl. 1.

Tablica 1. Zalecane wartości napięcia znamionowego wyłączników różnicowoprądowych [15]

Wyłącznik

Obwód

Napięcie znamionowe

[V]

Jednobiegunowy o dwóch

torach prądowych

Dwuprzewodowy − przewód fazowy i uziemiony

przewód środkowy

110, 120

Jednofazowy − przewód fazowy i przewód neutralny

230

Dwubiegunowy o dwóch

torach prądowych

Dwuprzewodowy − przewód fazowy i uziemiony

przewód środkowy

110, 120

Jednofazowy − przewód fazowy i przewód neutralny

230

Jednofazowy − dwa przewody fazowe

400

Trójbiegunowy o trzech

torach prądowych

Trójfazowy, trójprzewodowy

400

Trójbiegunowy o czterech

torach prądowych

Trójfazowy, czteroprzewodowy

400

Czterobiegunowy

Trójfazowy, czteroprzewodowy

400

Zalecane przez normę wartości napięcia znamionowego wyłączników różnicowoprądowych

pokrywają następujące zastosowania:

110 i 120 V − wyłączniki 2-biegunowe do obwodów jednofazowych (standard północnoame-

rykański),

230 V − wyłączniki do obwodów jednofazowych (standard ogólnoświatowy),

400 V − wyłączniki 3- i 4-biegunowe do obwodów trójfazowych 230/400 V (standard ogól-

noświatowy) oraz wyłączniki 2-biegunowe do obwodów zasilanych napięciem międzyprzewodo-

wym 400 V.

Spotyka się ponadto wyłączniki o napięciu znamionowym 500 V przeznaczone do obwodów

trójfazowych 500 V, produkowane według przepisów niemieckich VDE. W razie potrzeby użycia

wyłącznika w obwodzie 690 V lub 1000 V trzeba uciec się do konstrukcji zespolonej: przekaźnika

różnicowoprądowego współpracującego z wyłącznikiem nadprądowym o stosownych parametrach.

Częstotliwość znamionowa zwykłych wyłączników różnicowoprądowych wynosi 50 Hz

i/lub 60 Hz, bo te częstotliwości występują w elektroenergetyce w różnych rejonach świata. War-

tość częstotliwości ma wpływ na nagrzewanie toru prądowego, na zdolność łączenia, a przede

wszystkim − na działanie różnicowego układu wyzwalającego. Wyłącznik bez oznaczonej często-

tliwości prądu nadaje się do obwodów f = 50 Hz (60 Hz); w instalacjach prądu zwiększonej często-

tliwości są potrzebne wyłączniki do tego przystosowane i odpowiednio oznaczone (np. 400 Hz).

Prąd znamionowy ciągły I n wyłączników różnicowoprądowych, czyli największy prąd, ja-

kim wolno je długotrwale obciążać w stanie zamkniętym, jest wybrany [15] z ciągu liczb normal-

nych R10 1 : 6 − 10 − 13 − 16 − 20 − 25 − 32 − 40 − 50 − 63 − 80 − 100 − 125 A; norma podaje po-

nadto wartości: 160 − 200 − 250 − 400 − 630 A, dotychczas niewykorzystywane. Jeżeli jest po-

trzebny wyłącznik o większym prądzie znamionowym ciągłym, mający człon zabezpieczeniowy

różnicowoprądowy, to stosuje się osobny przekaźnik różnicowoprądowy współpracujący

z wyłącznikiem o potrzebnym prądzie znamionowym ciągłym, wyposażonym w wyzwalacz napię-

ciowy zanikowy.

Badania nagrzewania wyłączników różnicowoprądowych przeprowadza się prądem równym

prądowi znamionowemu ciągłemu I n . W razie przeciążenia wyłącznika bez wbudowanego

zabezpieczenia nadprądowego (RCCB) najbardziej są narażone ciasno nawinięte przewody

uzwojeń przekładnika sumującego. Osiągają one szczególnie wysokie przyrosty temperatury, a przy

większych przeciążeniach (> 2 I n ) mogą powstawać zwarcia międzyzwojowe. Przed uszkodzeniem

nie chroni bezpiecznik dobezpieczający, który zwykle ma prąd znamionowy większy niż prąd

znamionowy ciągły wyłącznika. Na przykład wyłącznik różnicowoprądowy o prądzie

znamionowym ciągłym I n = 40 A dobezpiecza się wkładką gG 63 A o górnym prądzie probierczym

I 2 = 100 A. Największy długotrwale występujący przyrost temperatury torów prądowych może

teoretycznie osiągać wartość (100/40) 2 ≈ 6 razy większą niż przy prądzie znamionowym. Ochrona

od takich zdarzeń polega na skrupulatnym przestrzeganiu zasad projektowania i eksploatacji

instalacji, a zabezpieczenie przed ich skutkami − na wbudowanym w uzwojenia przekładnika

czujniku temperatury inicjującym otwarcie przeciążonego wyłącznika za pośrednictwem

dodatkowego uzwojenia na rdzeniu przekładnika sumującego oraz układu wyzwalającego

różnicowoprądowego.

Znamionowy prąd różnicowy zadziałania I Δn wyłączników różnicowoprądowych jest naj-

ważniejszym parametrem z punktu widzenia pełnionej przez nie funkcji ochronnej, jest parametrem

tylko im właściwym. Najprościej jest on definiowany dla wyłączników o wyzwalaniu typu AC:

podana przez wytwórcę (najmniejsza) wartość skuteczna sinusoidalnego prądu różnicowego o czę-

stotliwości znamionowej, przy której w określonych warunkach wyłącznik powinien zadziałać.

Powinien on być jak najmniejszy ze względu na skuteczność ochrony, ale zarazem wystarczająco

duży, aby nie następowały zbędne zadziałania powodowane przez ustalone bądź przejściowe prądy

upływowe albo niewybiorcze działanie wyłączników różnicowoprądowych zainstalowanych na

kolejnych stopniach zabezpieczeń. Zalecane [15] wartości znamionowego prądu różnicowego za-

działania I Δn wyłączników różnicowoprądowych są następujące: 0,006 − 0,01 − 0,03 − 0,1 − 0,2 −

0,3 − 0,5 − 1 − 2 − 3 − 5 − 10 − 20 − 30 A. Elektrykom zauroczonym wyłącznikami 30 mA warto

zwrócić uwagę, że są też inne, że powyżej 30 mA jest aż jedenaście zalecanych wartości I Δn , a po-

niżej tylko dwie. Tylko jedna z nich − 10 mA − wchodzi w rachubę w Polsce, w instalacjach 230 V,

i tylko w wyjątkowych okolicznościach. Druga − 6 mA − jest standardem amerykańskim i jest

przeznaczona tylko do instalacji o napięciu nieprzekraczającym 120 V i tylko do obwodów odbior-

czych.

Tablica 2. Podział wyłączników różnicowoprądowych ze względu na czułość i przydatność do celów

ochronnych

Wyłączniki

Znamionowy prąd

różnicowy zadziałania

Przydatność do ochrony

przeciwporażeniowej

uzupełniającej

przeciwpożarowej

przeciwporażeniowej

dodatkowej

wysokoczułe

I Δn ≤ 30 mA

średnioczułe

30 < I Δn ≤ 500 mA

niskoczułe

I Δn > 500 mA

1 Ciąg liczb normalnych R10 − ciąg umownych liczb powstałych przez zaokrąglenie wyrazów ciągu geometrycznego

o ilorazie 10 10 ; norma pomija wartość 8 A, jako zbyt mało różniącą się od sąsiednich.

Ze względu na znamionowy prąd różnicowy zadziałania I Δn wyłączniki różnicowoprądowe

można podzielić na trzy grupy korespondujące z ich przydatnością do celów ochronnych (tabl. 2)

Jeżeli wyłącznik umożliwia nastawianie wartości prądu zadziałania spośród gamy wartości,

to za znamionowy prąd różnicowy zadziałania uważa się największą możliwą wartość nastawczą.

Typ wyzwalania wyłącznika czyli zakres uczulenia na kształt przebiegu prądu różnicowego

jest nieodzownym uzupełnieniem informacji o czułości wyłącznika, czyli informacji o jego

znamionowym prądzie różnicowym zadziałania I Δn . Informacje na ten temat, zestawione w tabl. 3,

pochodzą z najnowszych norm międzynarodowych [15, 17]. W stosunku do wyłączników o

wyzwalaniu typu B są one ostrzejsze i bardziej kompletne niż w poprzednich normach. Warto na to

zwrócić uwagę, bo liczne wyłączniki B już zainstalowane i nadal sprzedawane nie w pełni te

wymagania spełniają. Aby umożliwić odróżnianie „starych” od „nowych” wyłączników B,

zmodyfikowano wymagany symbol graficzny umieszczany na obudowie wyłącznika.

Tablica 3. Rodzaje wyłączników różnicowoprądowych ze względu na zakres uczulenia na kształt przebiegu

prądu różnicowego [15, 17]

Oznaczenie

literowe

Symbol graficzny

Przebieg prądu różnicowego, pojawiającego się nagle lub

stopniowo narastającego,

przy którym jest zapewnione wyzwalanie wyłącznika

− prąd przemienny sinusoidalny (tylko 50/60 Hz, jeżeli nie

jest podana górna wartość dopuszczalnego zakresu c

stotliwości)

zę-

− jak dla wyłącznika AC,

− prąd pulsujący stały,

− prąd pulsujący stały ze składową wygładzoną 6 mA,

z ewentualnym sterowaniem fazowym i niezależnie od

biegunowości.

lub

− jak dla wyłącznika A,

− prąd przemienny sinusoidalny o częstotliwości

nieprzekraczającej 1000 Hz,

− prąd przemienny sinusoidalny ze składową wygładzoną

o wartości większej spośród dwóch: 0,4 I Δn oraz 10 mA,

− prąd pulsujący stały ze składową wygładzoną o wartości

większej spośród dwóch: 0,4 I Δn i 10 mA,

− prąd stały z układów prostownikowych, tj.:

- z prostownika dwupulsowego zasilanego napięciem

międzyprzewodowym w przypadku wyłączników 2-

, 3- i 4-biegunowych,

- z prostownika trzypulsowego (układ gwiazdy) albo

z prostownika sześciopulsowego w przypadku wy-

łączników 3- i 4-biegunowych,

− prąd stały wygładzony,

z ewentualnym sterowaniem fazowym i niezależnie od

biegunowości.

W wytwórni wyłączniki podlegają badaniom typu i badaniom wyrobu w celu sprawdzenia,

czy spełniają wymagania podane w normach. Niektóre wyroby spełniają niektóre wymagania, rów-

nież odnośnie do zakresu uczulenia na kształt przebiegu prądu różnicowego, z wyraźnym zapasem.

Reagują na przebiegi prądu różnicowego, których wykrywać nie muszą. Wytwórca może o tym

w ogóle nie wiedzieć, stosownych prób nie przeprowadza, bo nie jest do tego zobowiązany. Użyt-

kownicy, którzy takie ponadnormatywne własności przypadkiem wykryją, nie powinni swoich spo-

strzeżeń i wniosków uogólniać, bo mogą one dotyczyć tylko szczególnego wykonania i określonej

serii wyłączników. Można to sprawdzić tylko w odpowiednio wyposażonym i kompetentnym labo-

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: