Zabezpieczenia nadprądowe dla obwodów AC i DC

Wyłącznik nadprądowy pełni funkcję bardzo zbliżoną do tradycyjnych bezpieczników topikowych. Jednak w przeciwieństwie do tych elementów (o bardzo długiej historii – pierwsze bezpieczniki topikowe stosowano już w XIX wieku), wyłącznik może być resetowany (automatycznie lub ręcznie) w celu przywrócenia normalnej pracy obwodu.

Rodzaje wyłączników

 

Rys. 1. Wyłączniki naprądowe występują w całej gamie różnych konfiguracji, obejmującej m.in. układy jedno- oraz wielobiegunowe

Klasyczny wyłącznik wyposażony jest w dźwignię (przełącznik), która może być ustawiona w jednym z dwóch stanów – włączenia (układ przewodzi prąd) lub wyłączenia (przerwa w obwodzie, brak możliwości przepływu prądu). Przejście ze stanu wyłączenia do włączenia możliwe jest zazwyczaj jedynie poprzez ręczne ustawienie przełącznika, choć istnieją również modele wyposażone w mechanizmy automatyzacji, stosowane przede wszystkim w instalacjach przemysłowych. Wyłączenie układu odbywa się wskutek detekcji zbyt dużej wartości natężenia prądu elektrycznego przepływającego przez element pomiarowy. W zależności od zastosowanego mechanizmu detekcji wyłączniki nadprądowe podzielić można na trzy główne kategorie:

• wyłączniki magnetyczne,
• wyłączniki termiczne,
• wyłączniki termiczno-magnetyczne.

Wyłączniki magnetyczne

Kluczowym elementem układów magnetycznych jest miniaturowy elektromagnes wykorzystywany do otwierania oraz zamykania połączenia pomiędzy wyprowadzeniami układu. Uproszczoną konstrukcję tego typu urządzenia przedstawiono na rysunku 2.

 

Rys. 2. Wyłącznik termiczno-magnetyczny

Metalowy (z reguły żelazny) trzpień, do którego przymocowane są wyprowadzenia jednego z wyjść układu, umieszczony jest w pobliżu cewki elektrycznej (pełniącej funkcję elektromagnesu) w sposób umożliwiający swobodny ruch trzpienia wzdłuż jego podłużnej osi. Ruch ten powoduje zamykanie oraz otwieranie połączenia pomiędzy wyprowadzeniami układu. Siła magnetyczna wymagana do zmiany położenia trzpienia może być regulowana za pomocą sprężyny.

Wyłączniki termiczne

Wyłączniki termiczne jako element pomiarowy wykorzystują tzw. termobimetal przymocowany do mechanizmu zamykającego. Termobimetal to element sprężysty wykonany poprzez połączenie dwóch warstw metali o różnych współczynnikach rozszerzalności cieplnej. Wskutek zmian temperatury element ten odkształca się, umożliwiając otwarcie połączenia elektrycznego pomiędzy wyprowadzeniami wyłącznika. Termobimetal może być ogrzewany bezpośrednio, poprzez prąd elektryczny przepływający przez ten element lub pośrednio, poprzez wzrost temperatury wywołany przepływem prądu przez inne elementy w jego bezpośrednim otoczeniu.

Wyłączniki termiczne mają pewne poważne ograniczenia. Rozłączenie obwodu nie występuje natychmiastowo po wzroście natężenia prądu – zarówno rozgrzanie elementu do odpowiedniej temperatury, jak i odpowiednie odkształcenie termobimetalu wymagają czasu. Wyłącznik termiczny nie może być również błyskawicznie zresetowany – w tym celu konieczne jest uprzednie ochłodzenie termobimetalu do odpowiedniej temperatury, co również zajmuje pewien czas. Ze względu na wyżej wymienione powody wyłączniki termiczne znajdują zastosowanie w obwodach niewymagających bardzo szybkiego czasu reakcji.

Wyłączniki termicznomagnetyczne

Wyłączniki termiczno-magnetyczne wyposażone są zarówno w magnetyczny, jak i termiczny element pomiarowy. Dzięki takiej kombinacji układy te są w stanie bardzo szybko reagować na zwarcia w układzie (wykorzystując element magnetyczny), jak i wykrywać długotrwałe przeciążenia sieci (układ termiczny).

Wyłączniki stałoprądowe

Wyłączniki stałoprądowe są znacznie rzadziej spotykane niż ich zmiennoprądowe odpowiedniki, szczególnie w przypadku instalacji domowych. Wynika to z faktu, że w większości instalacji elektrycznych dominuje zasilanie zmiennoprądowe. Wraz ze wzrostem popularności instalacji prosumenckich oraz domowych systemów fotowoltaicznych coraz częściej istnieje potrzeba korzystania z wyłączników nadprądowych DC.

Główna różnica pomiędzy wyłącznikami DC oraz AC polega na odmiennych wymaganiach stawianych tym urządzeniom wobec radzenia sobie ze zjawiskiem łuku elektrycznego powstającego podczas rozłączania obwodu (rys. 3). W przypadku instalacji DC łuk ten jest znacznie groźniejszy, ponieważ nie ulega samoczynnemu wygaszeniu. Wyłącznik musi być zatem lepiej przystosowany do tłumienia tego typu zjawiska. Z tego powodu wyłączników do systemów AC kategorycznie nie powinno się używać w instalacjach DC. W ofertach katalogowych znaleźć można urządzenia przystosowane do pracy w obu typach instalacji, są one jednak wyraźnie oznaczone jako układy AC/DC.

 

Rys. 3. Obwód wygaszania łuku wykorzystuje grzebieniowy kanał o dużej długości efektywnej, do którego łuk jest kierowany np. za pomocą pola magnetycznego z magnesu stałego

Tłumienie łuku elektrycznego w wyłącznikach DC

W przypadku instalacji DC zjawisko łuku elektrycznego stanowi istotne zagrożenie, ponieważ ze względu na charakter przepływu prądu nie wygasa on samoczynnie. Ze względów bezpieczeństwa wyłączniki DC są zatem wyposażane w mechanizm wyłączania, który zapewnia odpowiednią separację przestrzenną pomiędzy wyprowadzeniami, jak również gwarantuje odpowiedni krótki czas rozłączania połączenia. Podobne niebezpieczeństwa występują w przypadku zamykania połączenia – zbyt wolne przemieszczenie wyprowadzeń również może doprowadzić do powstania wyładowań.

Łuk elektryczny w wyłącznikach AC

W przypadku prądu przemiennego kierunek przepływu prądu zmienia się z częstotliwością równą dwukrotności sygnału. Oznacza to, że dwa razy w ciągu jednego okresu sygnału napięcie pomiędzy wyprowadzeniami wyłącznika osiągnie wartość zerową, co z reguły prowadzi do samoistnego wygaszenia łuku elektrycznego.

Podsumowanie

Wyłącznik nadprądowy jest niezwykle istotnym elementem instalacji elektrycznej, zabezpieczającym obwód oraz jego poszczególne elementy przed skutkami zwarcia lub przeciążenia. Działanie wyłączników nadprądowych oparte jest zazwyczaj na kombinacji dwóch metod: termicznej oraz magnetycznej.

Wyłączniki termiczne reagują na wzrost temperatury elementu pomiarowego, dzięki czemu świetnie nadają się do detekcji zjawiska przeciążenia obwodu. Wyłączniki magnetyczne wykorzystują zjawisko indukcji elektromagnetycznej, co pozwala szybko i skutecznie wykrywać zwarcia w obwodzie. Najbardziej skuteczna jest integracja obu tych mechanizmów wewnątrz pojedynczego wyłącznika – tego typu układy określa się mianem wyłączników termiczno-magnetycznych.

Wyłączanie obwodu stałoprądowego jest znacznie trudniejsze niż w przypadku instalacji AC, ze względu na problemy związane z tłumieniem łuku elektrycznego powstającego pomiędzy stykami. Z tego powodu konstruuje się wyłączniki dla instalacji DC, wyposażone w dodatkowe mechanizmy zabezpieczające.

Damian Tomaszewski