Zabezpieczenia zwarciowe w obwodach prądu stałego

Bezpieczniki topikowe są uniwersalnymi elementami zabezpieczającymi, przy czym zdolność wyłączania prądu zwarciowego przez wkładkę topikową w obwodach AC i DC jest różna i zależna od warunków stosowania. Nie istnieje jednak prosta zasada, na podstawie której można by było określić wartość maksymalnego dopuszczalnego napięcia stałego, mając do dyspozycji jedynie dane o dopuszczalnym napięciu AC dla określonej wkładki topikowej. Aby więc prawidłowo stosować bezpieczniki w obwodach DC należy poznać kilka podstawowych zasad ich działania.

Podstawy teoretyczne zabezpieczeń zwarciowych

Charakterystyki prądowo-czasowe i pozostałe właściwości bezpieczników mocy, jakie publikowane są w katalogach producentów, zazwyczaj dotyczą wartości dla prądów przemiennych o częstotliwości 50Hz lub 60Hz. Tymczasem bezpieczniki DC stosowane są przede wszystkim w obwodach niskiej mocy i niskiego napięcia, takich jak np. w urządzenia elektroniczne i zabezpieczenia zwarciowe w instalacjach samochodowych. Można wymienić również kilka przykładów zastosowania bezpieczników DC w zabezpieczaniu silników elektrycznych pojazdów trakcyjnych – lokomotyw, tramwajów, elektromagnesów i pojazdów ciężarowych, które wykorzystują energię elektryczną z akumulatorów.

Obwody prądu stałego

Na rys. 1 pokazano prosty schemat obwodu prądu stałego. Źródło napięcia, cewka L i rezystor R są szeregowo połączone w obwód, w którym jest również bezpiecznik topikowy.

W przypadku wystąpienia zwarcia prąd w obwodzie narasta zgodnie z krzywą wykładniczą (rys. 2a), co można w przypadku idealnym opisać równaniem i=I_A•(1-e^-(L/R)t). Wartość prądu I_A, który nazywany jest też prądem spodziewanym I_P, jest określona prawem Ohma I_A=U/R, a wartość L/R=t to stała czasowa. Powyższe równanie pokazuje wpływ parametru L/R na czas przepalenia się bezpiecznika. Tymczasem z równania di/dt=U/L=I_A/t wynika, że im większa stała czasowa L/R, tym dłuższy jest czas narastania prądu i dłuższy czas przepalania się bezpiecznika. Na rys. 2b i 2c przedstawiono zmiany prądu w obwodzie z bezpiecznikiem, przy czym wykres 2b przedstawia prąd dla układu o niższej indukcyjności, dla którego czas przepalania się bezpiecznika jest krótszy niż dla 2c.

Fot. 1. Bezpieczniki do wózków akumulatorowych

Rys. 1. Schemat prostego obwodu prądu stałego z bezpiecznikiem

Analiza wyłączania prądu stałego

Rys. 2. Zmiany wartości prądu w czasie dla różnych układów elektrycznych

Jedną z właściwości bezpieczników jest wytwarzanie przepięcia, którym jest takie napięcie łuku elektrycznego, które jest większe niż napięcie wsteczne w przypadku zwarcia. Dzięki temu prąd zwarciowy zmniejszany jest do zera, co zapobiega jego niekontrolowanemu wzrostowi.

Bezpieczniki topikowe nadają się do wyłączania prądu przemiennego i stałego. W momencie wyłączania prądu zwarcia, blisko znamionowej zdolności wyłączeniowej, procesy fizyczne wewnątrz bezpiecznika są w obu przypadkach identyczne.

Tymczasem procesy zachodzące w elemencie topikowym bezpiecznika w momencie wyłączania przeciążenia są dla prądów AC i DC zupełnie różne. Podczas gdy w przypadku prądu przemiennego jego okresowe przechodzenie przez wartość zera pomaga wygasić łuk elektryczny, dla wyłączania prądu DC wkładka topikowa musi absorbować całą energię magnetyczną zmagazynowaną w łuku elektrycznym. Wynikiem tego jest, że przy wyłączaniu prądu stałego zdolność wyłączeniowa wkładki jest odwrotnie proporcjonalna do zmagazynowanej energii magnetycznej, bądź stałej czasowej obwodu. Oznacza to, że jest ona mniejsza od zdolności wyłączeniowej dla prądu AC.

Niskonapięciowe bezpieczniki mocy przeznaczone głównie do zastosowania w przemyśle wg normy PN-IEC 60269-2, Ed.3, 11/2006 mają określoną minimalną zwarciową zdolność wyłączania na poziomie 50kA dla AC i 25kA dla DC.

Wartość zdolności wyłączeniowej bezpiecznika DC określana jest na podstawie stałej czasowej o wartości 15ms, która odpowiada większości przemysłowych obwodów kontrolnych i obciążeniowych. Zdolność wyłączeniowa bezpieczników w obwodach z większą stałą czasową, czyli np. takich, w których stosowane duże silniki DC, jest odpowiednio mniejsza.

Oczywiście zależność ta obowiązuje także w drugą stronę. W obwodach, w których nie przewiduje się większych indukcyjności, czyli np. w prostownikach do ładowania akumulatorów, można przyjąć większą przewidywaną zwarciową zdolność wyłączania. Podsumowując – zdolność wyłączeniową wkładki topikowej w obwodzie DC należy zawsze oceniać w kontekście stałej czasowej, jaka obowiązuje dla analizowanego obwodu. Typowe stałe czasowe dla niektórych najczęstszych zastosowań są zawarte w tab. 1.

Rys. 3. Przebiegi prądu i napięcia w momencie wyłączania zwarcia przez bezpiecznik; A - spodziewany prąd zwarcia, B - napięcie wsteczne

Rys. 4. Zależność charakterystyki bezpiecznika od stałej czasowej T obwodu

Wpływ stałej czasowej na zabezpieczenia

Charakterystyki czasowo-prądowe, które przedstawia producent, zawierają średnie wartości RMS prądów zadziałania bezpieczników w funkcji czasu. Biorąc pod uwagę doświadczenia praktyczne, można wykorzystać te wartości również dla prądów stałych. Oczywiście dotyczy to tylko dłuższych czasów wyłączeniowych, tj. takich, które są ponad 20-krotnie większe od stałej czasowej t. W zakresie zwarciowym chwilowe wartości prądów zadziałania bezpieczników mogą być zupełnie inne, ponieważ w tym zakresie charakterystyki czasowo-prądowe są zależne od stałej czasowej obwodu.

Roman Kłopocki

ETI Polam