Bezpieczniki, elementy zabezpieczające instalacje elektryczne

1. Wiecznie zielony element w obwodzie
Pierwsze wzmianki o bezpieczniku można znaleźć już z 1773 roku łącząc je z nazwiskiem Sir Edwarda Nairne. Zajmował on się próbami wytworzenia kondensatorów przy pomocy tzw. butelki lejdejskiej (ang. Leyden jar). Podczas tych prób zauważył, że przewód przy dużym obciążeniu impulsem prądowym rozpadał się na małe nierozpuszczalne kulki. Opisywane przez niego warunki charakteryzują działanie bezpieczników[1].

Od tych pierwszych wzmianek, a później od pierwszych bezpieczników Edisona powstało wiele typów tych urządzeń, przeznaczonych zarówno do uniwersalnych zastosowań, jak i do wyspecjalizowanych, dostosowanych do specyficznych własności i wymagań określonych urządzeń, a także warunków pracy. Oferta handlowa zaczyna się od miliamperowych prądów znamionowych i napięć od kilkunastu woltów do kilku kiloamperów i kilkudziesięciu kilowoltów.

Współczesne bezpieczniki nie przypominają w niczym swoich protoplastów. Współczesne technologie doprowadziły do minimalizacji bezpieczników, zmiany ich parametrów i zwiększenia niezawodności. Zastosowanie topików cienkowarstwowych pozwoliło na radykalne zwiększenie dopuszczalnych gęstości prądu i znaczącego skrócenia cieplnej stałej czasowej, co doprowadziło do zbudowania skutecznego zabezpieczenia urządzeń półprzewodnikowych [2].

Coraz powszechniejsze zastosowanie bezpieczników rozdzielczych opiera się na jego niskim koszcie, dużej niezawodności, opartej głównie na ich prostocie i na stosowaniu znanych zasad fizycznych.

Rys. 1. 1. Przewodnik po zamiennikach bezpieczników.

2. Normy dla bezpieczników

Historia norm dla bezpieczników sięga czasów, kiedy to podanie ich wymiarów miało na celu zabezpieczenie przed pomyłkami związanymi z ich wymianą. Zmiany w budowie bezpieczników, wzrost ich mocy zwarciowych i rozwój systemów elektroenergetycznych doprowadził do rygorystycznych zmian w zakresie normalizacji bezpieczników. Wprowadzone zostały badania niektórych parametrów elektrycznych, do których zalicza się charakterystyki czasowo-prądowe, zdolność zwarciową oraz straty mocy.

Należy wspomnieć, że pionierem w dziedzinie bezpieczników są Niemcy. Oni też nadal wiodą prym w tej tematyce. Dzięki wysokorozwiniętej technice, to właśnie Niemcy stały się wzorem dla innych krajów. Na podstawie ich badań, zaangażowania w tematykę zabezpieczeń zbudowana została gwarancja jakości bezpieczników i na jej wzór wprowadzono normatywy dla bezpieczników obowiązujące na całym świecie.

Na dzień dzisiejszy charakterystyki elektryczne bezpieczników mocy zostały zebrane w normach międzynarodowych i krajowych [2].

W większości krajów bezpieczniki będą zgodne z więcej niż jednym zestawem norm, a to, dlatego, że prócz norm krajowych wydawanych przez władze występują normy międzynarodowe oraz normy wydane przez uznane instytucje prywatne.

Polskie normy dotyczące bezpieczników [3]:

Więcej na stronie: https://pzn.pkn.pl/kt/info/published/9000129702

3. Podział bezpieczników

Bezpieczniki można dzielić według kilku kryteriów. Zaliczyć do nich można podział ze względu na zagrożenie, na sposób działania, niezawodność, biorąc pod uwagę względy ekonomiczne.

Każdy z tych podziałów inaczej będzie gloryfikował poszczególny produkt.

a) Podział ze względu na czynnik zagrażający

# bezpieczniki ciśnieniowe:

     – nadciśnieniowe – od nadmiernego wzrostu ciśnienia (np. zawór bezpieczeństwa)

      – niedociśnieniowe – od próby uruchomienia lub blokujące urządzenie przy zbyt niskim ciśnieniu, np. stosowane w dźwigach zabezpieczające ramię dźwigu przed spadnięciem w przypadku przerwania się węża doprowadzającego olej do siłownika

# bezpieczniki elektryczne

      – topikowe

                   *rurkowe wkładki topikowe

       – gazowydmuchowe

# bezpieczniki gazowe

       – instalacji gazowej

                   *bezpieczniki płynowe

                   *obecności gazu

                   *obecności płomienia

                   *przepływowe

         – spawalnicze

                    *acetylenowe

                    *przypalnikowe

# bezpieczniki mechaniczne

           – bezpieczniki blokujące – np. broni palnej

            – bezpieczniki dynamiczne – np. przy wiązaniach narciarskich

            – bezpieczniki kinetyczne

# bezpiecznik termiczny

             – przed mrozem – instalacja CO (centralnego ogrzewania)

             – przeciwoparzeniowe, przeciwpożarowe

# bezpiecznik przeciwpożarowy

b) Podział ze względu na sposób działania

# bezpośredni

# pośredni

c) Podział ze względu na kryteria ekonomiczne

# koszt bezpiecznika lub jego eksploatacji

# prawdopodobieństwo zagrożenia dla ludzi

# wartość zabezpieczanego urządzenia

d) Podział ze względu na krotność życia

# jednokrotne

# wielokrotne

e) Podział ze względu na niezawodność

# zadziałanie przy zagrożeniu

# selektywność zadzialania

f) Podział ze względu na obsługę

# bezobsługowe

# obsługowe

3.1 Bezpiecznik topikowy

Jest rodzajem zabezpieczania elektrycznego. Jest najprostszym zabezpieczeniem obwodu. W normalnych warunkach pracy bezpiecznik przewodzi prąd. Przerwanie obwodu elektrycznego w bezpieczniku topikowym jest określany dla konkretnego natężenia prądu w czasie jego przepływu. Nazwa „topikowy” bierze się stąd, że wbudowany we wkładkę topikową główny element wykonany z drutu miedzianego, nagrzewa się podczas przepływu prądu, a gdy ten zwiększa się topi wkładkę topikowa. Topik obudowany jest ceramiczną szatą wypełniana piaskiem. Im większy prąd przepływa przez bezpiecznik tym mniej czasu potrzeba do jego uruchomienia. Gdy przepali się wkładka zapala się łuk elektryczny. Łuk gaśnie wraz ze zmniejszeniem wartości natężenia płynącego prądu aż do wygaśnięcia. W gaszeniu łuku pomaga piasek znajdujący się w obudowie ceramicznej.

Istotne jest, że bezpiecznik nie ma zadania chronić przed uszkodzeniem urządzeń, ma nie dopuścić do dalszych uszkodzeń, które może wywołać zwarcie czy przeciążenie, ale przede wszystkim ma zabezpieczyć przed pożarem czy wybuchem. Dlatego należy pamiętać, że prąd znamionowy bezpiecznika, to taki prąd maksymalny, który nie powoduje jeszcze zadziałania bezpiecznika.

3.2 Definicja bezpieczników i budowa

Używając zwrotu ”bezpiecznik”, należy pamiętać, że to swoisty skrót myślowy. „Bezpiecznik” w pełnej nazwie to „wkładka bezpiecznikowa” wymienna.

Należy jednak pamiętać, że bezpiecznik to nie jedna część, lecz zestaw części, które współtworzą wkładkę bezpiecznikową. Pojęcie bezpiecznika reguluje norma.

W skład takiego „bezpiecznika” wchodzi:

* Gniazdo bezpiecznika (podstawa bezpiecznikowa),

* Wkładka bezpiecznikowa (wkładka topikowa),

* Nośnik bezpiecznika (uchwyt, główka gwintowa, blok uchylny),

* Wstawka kalibrowa (pierścień kalibrowy wciskany, wstawka kalibrowa wkręcana),

* Osłona do ochrony przed porażeniem elektrycznym oraz osłona do ścianek działowych (dla kilkubiegunowych zestawów)

Wszystkie elementy zabezpieczające instalacje elektryczne dostępne w naszym sklepie EBMiA.pl pod adresem – https://www.ebmia.pl/4342-elementy-zabezpieczajace

         Rys. 3.1. Główka bezpiecznikowa gwintowana

Rys. 3.2. Wkładka bezpiecznikowa

Rys. 3.3. Gniazdo bezpiecznikowe wraz z osłoną

3.3. Rurkowe wkładki topikowe

Rurkowe wkładki topikowe w katalogach mają oznaczenia WTA, czyli wkładka topikowa aparatowa. Ten rodzaj wkładek rozpowszechniony jest szczególnie w sprzęcie amerykańskim. Tak samo jak w bezpieczniku topikowym, tak w WTA zabezpieczenie stanowi miedziany drucik – topik. Zasada działania jest również taka sama jak w przypadku bezpiecznika topikowego. Przy zbyt dużym natężeniu prądowym płynącym przez WTA, topik stapia się i przerywa obwód.

Wkładki zwłoczne stosowane są w obwodach, w których mogą wystąpić chwilowe przeciążenia. Takie przeciążenia występują najczęściej przy rozruchu silniku samochodowego lub przy rozruchu transformatora. Impuls przeciążeniowy dochodzący do urządzenia jest na tyle krótki, ze nie spowoduje spalenia bezpiecznika. Inaczej zareaguje bezpiecznik zwłoczny. Przy trwałym przeciążeniu reakcja bezpiecznika zwłocznego T powinna być szybsza niż bezpiecznika szybkiego F. Między innymi, dlatego w obwodach sieciowych elektronicznego sprzętu stosuje się bezpieczniki zwłoczne T. Są oczywiście wyjątki jak w każdej regule, jednak w tym artykule skupimy się na ogólnych zastosowaniach.

3.4. Bezpieczniki termiczne

Jeśli awaria urządzenia może doprowadzić do pożaru, to należy temu zapobiec. I w tym momencie dodatkowym zabezpieczeniem, które działa niezależnie, będzie ochrona przed przegrzaniem urządzenia. W tym celu stosuje się bezpieczniki termiczne. Bezpiecznik termiczny ma za zadanie rozłączenia obwodu, gdy urządzenie przekroczy pewną granicę temperatury. Jest to rodzaj bezpiecznika stosowanego jednorazowo, czyli po jego zadziałaniu obwód zostaje trwale rozłączony, wiąże się to z wymianą bezpiecznika. Podczas wyboru bezpiecznika termicznego należy dobrać go indywidualnie pod urządzenie zgodnie z zaleceniami producenta lub pod taką temperaturę, która będzie według naszej opinii awaryjna. Awaryjność w tym przypadku można potraktować, jako wystąpienie temperatury, która nie powinna pojawić się w czasie normalnej pracy urządzenia. Współczesna technologia pozwala na produkcje przeogromnej gamy bezpieczników termicznych, w ofercie sklepu są bezpieczniki w zakresie od 30 do 240. Maksymalna temperatura bezpiecznika, to jego temperatura rozłączania. Prócz temperatur rozłączania istotnym elementem jest prąd przewodzenia, którego zakres wynosi od 1 A do 10 A. Gabaryty bezpieczników termicznych, które nie są duże, powalają na zastosowanie ich w identyczny sposób jak inne części w urządzeniu. Jedynym mankamentem może być ich montaż. Odradzane jest lutowanie takiego bezpiecznika, ponieważ można go przegrać, dlatego najczęściej jest on zaciskany lub przykręcany do obwodu. Każdy producent ma swój system montażu i odpowiednią instrukcję.

Działanie bezpiecznika termicznego jest proste. Bezpiecznik termiczny wykorzystuje topliwy łącznik dopierany do określonej temperatury. W normalnych warunkach, prąd przepływa przez bezpiecznik uruchamiając urządzenie. Kiedy robi się za gorąco, topliwy stop – topi się i rozdziela, wyłączając prąd. Często pelet pokrywa sprężynę, która po stopieniu się osadu oddziela styki i zrywa obwód. Do wytwarzania bezpieczników termicznych rozłączających obwód w precyzyjnej temperaturze najczęściej wykorzystuje się miedź, beryl lub srebro.

Bezpieczniki termiczne zwykle znajdują się w urządzeniach elektrycznych wytwarzających ciepło, takich jak ekspresy do kawy i suszarki do włosów. Działają one jako urządzenia bezpieczeństwa w celu odłączenia prądu od elementu grzejnego w przypadku nieprawidłowego działania (takiego jak wadliwy termostat), który w przeciwnym razie pozwoliłby na wzrost temperatury do niebezpiecznego poziomu, prawdopodobnie powodując pożar. W przeciwieństwie do bezpieczników elektrycznych lub wyłączników automatycznych, bezpieczniki termiczne reagują tylko na nadmierną temperaturę, a nie na nadmierny prąd (chyba, że nadmierny prąd jest wystarczający, aby sam termiczny bezpiecznik ogrzał się do temperatury wyzwalacza). Na przykład w zabezpieczeniu przeciwprzepięciowym bezpieczniki termiczne mogą być połączone szeregowo z warystorami; gdy warystory przewodzą, bezpiecznik się nagrzewa i odłącza moc, co eliminuje ryzyko pożaru, który może wystąpić, gdy warystory są przeciążone.

3.5. Bezpieczniki wielokrotnego działania

Bezpiecznikami termalnymi jest też pewna gruba bezpieczników opartych na budowie polimerycznej kryształów. Polimery w tych bezpiecznikach nie przewodzą prądu, a wypełnione są węglem, a dokładniej sadzą, która jest przewodzącym wypełniaczem. W celu uzyskania różnej rezystancji zmienia się proporcje węgla w stosunku do polimeru i odwrotnie.

Zasada działania polega na przepływie prądu, przez taki bezpiecznik, a co za tym idzie wzrost temperatury. Właściwości użytych polimerów będą miały wpływ na zadziałanie bezpiecznika w określonej temperaturze. Przyjmijmy, że umowna temperatura wynosi około 125, po jej przekroczeniu zanika struktura krystaliczna a objętość tych polimerów gwałtownie rośnie. Ma to wpływ na rozerwanie łańcuchów węgla (przewodnika) i gwałtowny wzrost rezystancji. Granice wzrostu temperatury przy przyjętych 125wynoszą od 110 do 140, wtedy to rezystancja wzrasta prawie milion razy. Podczas przeciążenia obwodu i przy natychmiastowym skoku rezystancji w miejscu takiego bezpiecznika znajdzie się całe napięcie zasilające. W obwodzie będzie nadal płynąć prąd, jednak jego wartość będzie niewielka, a wiec nie zaszkodzi obwodowi, który jest chroniony przez bezpiecznik. Utrzymujące się na bezpieczniku ciepło wytwarzane w czasie przeciążenia, utrzyma go w stanie wysokiej rezystancji aż do odłączenia zasilania. Gdy bezpiecznik odłączony od zasilania już ostygnie zrekonstruuje się struktura krystaliczna węgla i polimery odzyskają swoje pierwotne pozycje, a rezystancja na bezpieczniku wróci do wartości pierwotnej. Badania nad bezpiecznikami wielokrotnego działania wskazały, że rezystancja jeszcze przez kilka godzin po zadziałaniu jest podniesiona o 20% od stanu pierwotnego.

Dopuszczalna liczba zadziałań elementu zależy od warunków pracy, przy granicznych wartościach napięcia i prądu, która nie powinna przekraczać kilkuset, a w niektórych przypadkach kilkadziesiąt A lub V.

Tego rodzaju bezpieczniki zapewniają ochronę przed przeciążeniem prądowym jak i napięciowym, a także przed nadmiernym wzrostem temperatury. Ich niska rezystancja i szybkość reakcji na zmiany natężenia stawiają je w lepszym świetle niż termistory (pozystory) ceramiczne.

4. Oznaczenia bezpieczników

Każda wkładka bezpiecznikowa posiada szereg informacji na frontowej stronie urządzenia. Prócz oczywistej nazwy producenta znaleźć można inne informacje przydatne dla użytkownika.

Oto kilka z nich:

– Rozmiar typu (NH 00), WTN lub WT, NH, NV – symbol wkładki nożowej (oznaczenie zależne od producenta)

– Kategoria użytkowania (gL / gG)

– Napięcie znamionowe AC (~500 V)

– Znamionowa zdolność zwarciowa (120 kA)

– Prąd znamionowy (63 A)

– Symbol oznaczający „zaczepy izolowane”

– Znak VDE (nieobowiązkowe) – jest znakiem jakości, nadawanym przez Instytut badań i Certyfikacji VDE. Określa spełnienie wymagań związanych z VDE. Kontrola produktu i nadzór miejsca produkcji są ściśle związane z tym znaki

 -Normy powiązane (VDE, IEC)

– Kraj pochodzenia (Niemcy)

– Znak zgodności UE (CE)

– Symbol recyklingu (NH)

– Symbol muszli – zdarza się spotkać go, na bezpiecznikach typu D, oznacza „zwłoczną” charakterystyk

– Symbole bezpiecznika i diody (zespolone) oznaczają bezpieczniki do zabezpieczeń urządzeń półprzewodnikowych

Pierwsza litera symbolu oznacza zdolność wyłączania

– g – wkładka ogólnego przeznaczenia pełnozakresowa przeznaczona do wyłączania każdego prądu, który powoduje zadziałanie bezpiecznika,

– a – wkładka niepełnozakresowa, która poprawnie wyłącza prądy zwarciowe zwarte pomiędzy najmniejszym prądem wyłączalnym a znamionowym prądem wyłączalnym.

Druga litera symbolu oznacza kategorię użytkowania:

– G – wkładka ogólnego przeznaczenia, do zabezpieczania przewodów o charakterystyce wkładki topikowej zwłocznej;

– M – wkładka do zabezpieczania silników i urządzeń rozdzielczych;

– Tr – wkładka do zabezpieczania transformatorów po stronie dolnego napięcia;

– R – wkładka do zabezpieczania urządzeń półprzewodnikowych;

– B – wkładka topikowa przeznaczona do zabezpieczania urządzeń w górnictwie.

Wkładki topikowe oznaczane są różnymi kolorami, tak by na ich podstawie można było określić wartość prądu znamionowego, bez wyciągania go z gniazda:

Gniazdo bezpiecznikowe		Wkładka bezpiecznikowa
Gwint	Prąd znamionowy In	Prąd znamionowy In
E 27	25 A	2
		4
		6
		10
		16
		20
		25
E 33	63 A	32
		35
		40
		50
		63
R 1 ¼	100 A	80
		100
R 2	200 A	125
		160
		20

Udostępnij