s

Automation and Drives

Bezpieczniki klasy gR i aR – temat niedoceniany!

Marek Trajdos, Mariusz Jabłoński, Andrzej Cichocki

1. O co chodzi ?

Bezpieczniki z pozoru wydają się
elementami tak prostymi, że
absolutnie nie warto o nich mówić.
W naszej praktyce przemysłowej
wiele razy przekonaliśmy się jednak,
że rzeczy z pozoru trywialne są
najmniej znane. Z tego względu
proponujemy Szanownemu
Czytelnikowi przełamać początkowe
obrzydzenie tematem, ponieważ
może się to w praktyce
eksploatacyjnej opłacić.
W dalszej części niniejszego artykułu
pragniemy przedstawić kilka
wybranych pojęć technicznych oraz
uwag dotyczących doboru wkładek
i rozłączników bezpiecznikowych,
które wynikają po części ze
spotkanych przez nas sytuacji.

2. Prąd znamionowy
to nie wszystko.

Przez analogię do
klasycznych wkładek
bezpiecznikowych,
można by sądzić, że
dane znamionowe
bezpiecznika
przeznaczonego do ochrony półprzewodników
uwidocznione są na jego obudowie. Nie jest to w
tym przypadku niestety rozumowanie prawidłowe.
Obudowa wkładki bezpiecznikowej zawiera bowiem
jedynie następujące podstawowe dane
znamionowe:

- Prąd bezpiecznika,
- Napięcie,
- Klasę.

Powyższe dane, choć istotne nie wystarczą jednak
do określenia przydatności zastosowania danego

bezpiecznika. Informacją bowiem o znaczeniu
podstawowym jest wielkość, a właściwie grupa
wielkości o wymiarze I

2

t. Aby dokładniej przedstawić

problem należy zdefiniować kilka podstawowych
pojęć.
Aby bezpiecznik przerwał przepływ prądu
w obwodzie musi ulec przepaleniu w wyniku
wydzielanej w nim temperatury, można więc
wyróżnić w tym procesie trzy etapy:

- normalna praca w czasie której wydziela się
w bezpieczniku energia , lecz jest ona zbyt mała (I

2

t)

aby być powodem przepalenia, czy choćby
naruszenia struktury.
- Rozpoczęcie procesu otwierania obwodu, które
trwa (w zależności od wielu czynników) określony
skończony czas, w ciągu którego do obciążenia
nadal dostarczana jest energia jak również pewna
energia jest wydzielana również w samym
bezpieczniku, co w konsekwencji prowadzi do jego
przepalenia. Wartość ta jest określona jako cieplna
całka przedłukowa (pre-arcing), a jej wartość jest
podawana w jednostkach [A

2

s].

- Otwarcie bezpiecznika wiąże się zatem z kolejną
wartością typu I

2

t, która określa maksymalną

energię, która zostaje przez daną gałąź obwodu
mocy przeniesiona do obciążenia zanim
definitywnie przerwany zostanie przepływ. Określa
się ją jako cieplną całkę pełną (clearing), wyrażoną
w [A

2

s].

Całka przedłukowa

Całka pełna

Jak łatwo zauważyć opisane wyżej wielkości mają
kapitalne znaczenie dla chronionego
półprzewodnika, ponieważ wartości całek muszą
być mniejsze od dopuszczalnych dla danej struktury
(przyrząd pólprzewodnikowy+układ chłodzenia).
W przeciwnym wypadku pozytywnego efektu
ochrony nie będzie.
Wspomniane parametry wkładek bezpiecznikowych
zawiera katalog. Należy przy tym podkreślić, że
właśnie ze względu na parametry nie opisane na
samej wkładce, bezpieczniki SITOR są produkowane
w kilku, znacznie różniących się rodzinach.

PRACA

ROZŁĄCZANIE

PRZERWA

GRANICA BEZ POWROTU

Technika Łączeniowa n. n.

1 / 4

Bezpieczniki klasy gR i aR – temat niedoceniany! / Marek Trajdos, Mariusz Jabłoński, Andrzej Cichocki

s

Automation and Drives

W powyższych tabelach pochodzących z katalogu
można na przykład porównać parametry
bezpiecznika typu 3NE1820-0 i 3NE8020-1, które
mają identyczną wartość prądu oraz napięcia
znamionowego.

3. Właściwy bezpiecznik we właściwym miejscu.

Istnieje wiele sposobów instalowania
bezpieczników:


W podstawach
bezpiecznikowych

Fot. 1 Podstawy

Fot. 3 Rozłącznik z bezpiecznikami 3KL

Jest to najtańszy
sposób montażu, lecz
wymiana
bezpieczników
stanowi pewne
utrudnienie,
zwłaszcza, że w takim
przypadku należy je
generalnie osłonić
płytką rozłącznikach
poliwenglanu.

W rozłącznikach
z bezpiecznikami

Rozłączniki
bezpiecznikowe
(rozłącznikach rodziny
3KL..) stanowią

połączenie klasycznego rozłącznika i zestawu
podstaw. Jest to rozwiązanie eleganckie,
oszczędzające

powierzchnię montażową w szafie
sterowniczej, lecz podobnie jak rozłącznikach
przypadku podstaw konieczne jest użycie k
do wymiany wkładek.

lucza

Technika Łączeniowa n. n.

2 / 4

Bezpieczniki klasy gR i aR – temat niedoceniany! / Marek Trajdos, Mariusz Jabłoński, Andrzej Cichocki

s

Automation and Drives

W rozłącznikach bezpiecznikowych

Jest to rozwiązanie niewątpliwie bardziej kosztowne
od zastosowania podstaw, nie ogranicza
wykorzystania powierzchni w szafie sterowniczej,
lecz ma dużą zaletę polegającą na prostym
manewrowaniu bezpiecznikami (rodzina 3NP..),
np. w celu stworzenia tzw. widocznej przerwy
w obwodzie mocy. W tym miejscu należy jednak
podkreślić, że bezpieczniki przeznaczone do ochrony
półprzewodników posiadają bardzo złożoną
strukturę wewnętrzną, która nie jest odporna na
działanie sił zginających,
występujących w czasie
otwierania rozłącznika,
co wymaga ograniczenia
manewrów do
niezbędnego minimum.
Warto również
wspomnieć, że dostępne
są rozłączniki SIEMENSA
z monitorowaniem s
bezpieczników.

tanu

zynach

Bezpośrednio na s
(tzw. montaż
zintegrowany)

Firma SIEMENS jako

wiodący producent przekształtników produkuje
wiele urządzeń wymagających zastosowania
bezpieczników klasy gR i aR. W wielu przypadkach
celowe jest umieszczenie ich wewnątrz urządzenia,
dzieje się tak ze względu na oszczędność miejsca

w szafie sterowniczej oraz gdy stosowane są
bezpieczniki gałęziowe (połączone szeregowo
z każdym tyrystorem). Wówczas często stosowana
jest technika instalacji wkładek bezpośrednio
przykręcanych śrubami do szyn miedzianych. Wadą
takiego rozwiązania jest niekiedy trudny dostęp do
nich, wymagający nawet wezwania serwisu. Z tego
też względu istnieje niekiedy możliwość zamówienia
przekształtnika w opcji bez zintegrowanych
bezpieczników, które wówczas montuje się
oddzielnie.

4. Bezpiecznik w pytaniach i odpowiedziach.

Czy bezpieczniki klasy gR są szybkie?

W odpowiedzi na tak postawione pytanie przydatne
jest zdefiniowanie pojęcia kategorii pracy.

Określa ona klasę wykorzystania bezpiecznika
w powiązaniu z rodzajem chronionego obiektu,
podlegającego ochronie. Poniżej przedstawiono
tabelę klasyfikacji kategorii pracy:

Klasa wykorzystania

Kategoria pracy

Przeznaczenie

Granica war-
tości ciągłego
prądu obcią-
żenia

Prąd przerywający

Przeznaczenie

Zakres ochrony

Bezpieczniki o działaniu w pełnym zakresie
g

I

n

≥I

min

gL/gG
gR
gB

Kable i przewody
Półprzewodniki
Sprzęt górniczy

Bezpieczniki o ograniczonym zakresie działania
a

I

n

≥4∗ I

n

≥2,7∗ I

n

aM
aR

Aparaty przełączające
Półprzewodniki

Fot. 2 Rozłącznik
bezpiecznikowy 3NP

Technika Łączeniowa n. n.

3 / 4

Bezpieczniki klasy gR i aR – temat niedoceniany! / Marek Trajdos, Mariusz Jabłoński, Andrzej Cichocki

s

Automation and Drives

Jak widać w powyższej tabeli bezpieczniki klasy gR
działają w pełnym zakresie, to znaczy że prąd
o wartości nawet nieznacznie przekraczającej
znamionową (np. o 1A) po czasie wynikającym
z funkcji I

2

t spowoduje zadziałanie. Nie jest to rzecz

jasna działanie
szybkie.
Natomiast
w zakresie
zwarciowym
charakterystyki,
oczywiście
działanie będzie
bardzo szybkie.
Jednak i w takim
przypadku nie
można pozwolić
na wystąpienie
przepięcia
wynikającego ze
zbyt
gwałtownego
przerwania
przepływu prądu
w obwodzie zawierającym indukcyjność (znany
wzór ∆U=L di/dt). Poniższy rysunek przedstawia tzw.
charakterystykę szczytowego napięcia łukowego
wybranego bezpiecznika, określającą możliwe
przepięcie w czasie wyłączania. Rzecz jasna, przy
doborze klasy napięciowej półprzewodników
konieczne jest uwzględnianie tej charakterystyki.

Czy bezpiecznik z nienaruszonym znacznikiem i nie
stanowiący przerwy jest zawsze sprawny?

Niestety nie! W czasie zwarcia bezpieczniki
przerywają przepływ prądu, lecz ponieważ istnieje
różnica wartości energii pomiędzy całką
przedrukową i pełną, może się zdarzyć, że
w niektórych gałęziach obwodu mocy biorącego
udział w zwarciu wartości całek cieplnych mogą się
różnić, czego wynikiem jest niedokończenie procesu
otwierania niektórych wkładek. Zdiagnozowanie
wkładek naruszonych nie jest niestety możliwe, ani
za pomocą miernika, ani przez ogląd znacznika.
Jaką część przemiennika częstotliwości chronią
bezpieczniki?

Bezpieczniki chronią diody i tyrystory mocy oraz
inne konstrukcyjne elementy przewodzące, nie
chronią natomiast szeroko stosowanych
w przekształtnikach częstotliwości (falownikach)
tranzystorów

IGBT. Wynika to z faktu, że są to struktury
półprzewodnikowe o bardzo dużej czułości.
W falownikach istnieją zatem superszybkie
systemy wyłączające, dla ochrony IGBT.

Czy bezpieczniki mogą być łączone
równolegle?

Bezpieczniki SITOR mogą być łączone
równolegle ze względu na doskonałą
powtarzalność charakterystyk, którą
zapewniają im wysokiej klasy technologie
produkcyjne firmy SIEMENS.

Rozłącznik bezpiecznikowy – zbytek, czy
zimna logika ?

Rozłącznik bezpiecznikowy posiada wiele
znaczących zalet, takich jak: wygoda

w operowaniu bezpiecznikami, bezpieczna
konstrukcja pozwalająca uniknąć rażenia
dotykowego, oraz poparzenia gorącymi wkładkami,
łatwa możliwość zrealizowania widocznej przerwy
roboczej, możliwość wykorzystania opcji –
monitorowania stanu bezpieczników oraz otwarcia
samego rozłącznika. Musi być on jednak wykonany
z odpowiednich materiałów, ponieważ ze względu
na wymaganą dużą czułość bezpieczników klas gR
i aR ich temperatura pracy jest wyższa niż
klasycznych wkładek, co może prowadzić do
szybszej degradacji tworzywa, z którego rozłącznik
jest wykonany.

Czy bezpieczniki chronią przed przepięciami?

Niestety nie! Natomiast często można spotkać
pogląd, że uszkodził się przyrząd
półprzewodnikowy, a bezpiecznik chociaż uległ
przepaleniu nie zapobiegł awarii. W większości
takich przypadków przyczyną awarii było przepięcie,
które uszkodziło element półprzewodnikowy,
natomiast bezpiecznik został przepalony wtórnie
w

w

yniku powstałego zwarcia.

Technika Łączeniowa n. n.

4 / 4

Bezpieczniki klasy gR i aR – temat niedoceniany! / Marek Trajdos, Mariusz Jabłoński, Andrzej Cichocki