Korzysci

bezpieczniki.com

informacje techniczne

Informacje techniczne

Konferencja naukowa "Zabezpieczenia obwodów elektrycznych

za pomoc

bezpieczników topikowych" w Poznaniu 21.06.2005

Andrzej Wolny
Politechnika Gdańska

Korzyści wynikające ze stosowania współczesnych
bezpieczników topikowych

Abstrakt:

Przedstawiono podstawowe wady i zalety bezpieczników, ich własności oraz podstawy fizyczne
działania, a takŜe głównych charakterystyk. Uzasadniono róŜnorodność dostępnych rodzajów
wkładek. Porównano

skutki

stosowania

zabezpieczeń

opartych

wyłącznikach i

bezpiecznikach. Wykazano, Ŝe bezpieczniki nadal są niezastąpione jako zabezpieczenie "Ŝycia",
do ograniczania prądów zwarciowych i pomagające w zwalczaniu zapadów napięcia.

1. WPROWADZENIE

Historia  bezpieczników  topikowych  do  zabezpieczania  obwodów  elektrycznych  od  skutków
zwarć  i  przeciąŜeń  jest  bardzo  długa.  Sięga  początków  rozwoju  elektroenergetyki.  ChociaŜ
patent  Edisona  z  roku  1880  przysporzył  jego  twórcy  miano  ojca  bezpieczników,  to  istnieją
jeszcze wcześniejsze publikacje  np. Sir Edwarda Nairne z roku 1773 opisujące zachowanie się
przewodu  obciąŜanego  duŜym  impulsem  prądu.  Warunki  takie  charakteryzują  między  innymi
działanie bezpieczników [1].

W ciągu długiego czasu kariery bezpieczników powstało wiele typów, przeznaczonych zarówno
do  uniwersalnych  zastosowań,  jak  i  do  wyspecjalizowanych,  dostosowanych  do  specyficznych
własności i wymagań określonych urządzeń, a takŜe warunków pracy. Oferta handlowa zaczyna
się  od  miliamperowych  prądów  znamionowych  i  napięć  od  kilkunastu  woltów  do  kilku
kiloamperów  i  kilkudziesięciu  kilowoltów.  Ciekawostką  moŜe  być  fakt,  Ŝe  w  latach   60-tych
ubiegłego  wieku  w  Politechnice  Gdańskiej  opracowano  i  wykonano  tzw.  bezpiecznikozwiernik,
aparat  zawierający  bezpieczniki  gazowydmuchowe  110  kV,  który  miał  zastąpić  wyłączniki  w
stacjach uproszczonych. Prądy wyłączalne bezpieczników przekraczają 100 kA, a w przypadku
bezpieczników  na  małe  prądy  znamionowe,  np.  bezpieczników  przekładnikowych,  mogą  być
praktycznie nieograniczone.

Współczesne bezpieczniki  niczym nie przypominają  swoich protoplastów. Dzięki  wykorzystaniu
nowoczesnych  technologii  są  znacznie  mniejsze,  posiadają  lepsze  parametry  i  są  niezawodne.
Zastosowanie topików cienkowarstwowych pozwoliło na radykalne zwiększenie dopuszczalnych
gęstości prądu i znaczącego skrócenia cieplnej stałej czasowej, co doprowadziło do zbudowania
skutecznego  zabezpieczenia  urządzeń  półprzewodnikowych.  Rozwijane  w  Chinach  bezpieczniki
próŜniowe  mają  poprawić  zdolność  zabezpieczania  od  przeciąŜeń  w  zastosowaniach
wysokonapięciowych  [2].  Zgromadzone  bogate  doświadczenie  ze  stosowania  bezpieczników
jest nieco odmienne dla krajów europejskich i Ameryki, ze względu na róŜne koncepcje budowy
sieci rozdzielczej i wysokości napięć, co znalazło odbicie w wymaganiach normalizacyjnych.

Bezpieczniki  posiadają  wiele  zarówno  zalet  jak  i  wad.  Te  pierwsze  zdecydowanie  przewaŜają,
szczególnie w tych przypadkach, gdy waŜne jest ograniczanie prądu oraz szybkie i niezawodne
działanie  w  warunkach  zwarciowych.  Autor  zauwaŜył  np.  w  Wierzbięcinie  w  stacji  łącza  HVDC
Szwecja - Polska olbrzymią liczbę zabezpieczeń bezpiecznikowych, które wprowadzono po kilku
awariach  spowodowanych  niesprawnością  wyłączników.  Bezpieczniki  poprawiły  sytuację
radykalnie.
Od wielu lat toczy się dyskusja nad kierunkiem rozwoju bezpieczników i ich stosowalnością. W

Strona 1 z 10

Korzyści wynikające ze stosowania współczesnych bezpieczników topikowych

2006-05-31

http://www.bezpieczniki.com/strony/wyklady/3/korzysci.htm

2003 roku Bessei [3] wymienił długą listę najistotniejszych cech bezpieczników, zarówno zalet
jak i wad, choć z pewnością niekompletną. Do zalet zaliczył to, Ŝe:

charakteryzują się duŜą zdolnością wyłączania

obiekty chronione przez bezpieczniki nie są naraŜone na skutki cieplne ani dynamiczne
od prądów zwarciowych, w związku z czym nie wymaga się wykonywania obliczeń
takiego zagroŜenia

zapewniają

prosty

tani

sposób

dostosowania

zabezpieczeń

systemu

elektroenergetycznego przy wzroście poziomu prądów zwarciowych

konieczność wymiany wkładki bezpiecznikowej wymusza interwencję obsługi, co pozwala
na szybką identyfikację powodu jej zadziałania i likwidację uszkodzenia

są niezawodne w działaniu ze względu na brak części ruchomych i duŜą odporność na
wpływ środowiska

zapewniają niskie koszty ochrony, szczególnie w przypadku umiarkowanych prądów
roboczych, przy wysokim poziomie prądów zwarciowych

znacząco obniŜają naraŜenia od prądów zwarciowych chronionych obiektów, w tym
łączników w obwodach zasilających silniki

są bezpieczne, ciche (oprócz gazowydmuchowych) szybkie w działaniu i ograniczają
efekty wywoływane przez łuk w miejscu zwarcia (krótki czas zwarcia)

dzięki znormalizowanym charakterystykom moŜliwa jest łatwa koordynacja zabezpieczeń

znormalizowane charakterystyki umoŜliwiają stosowanie wkładek dowolnego producenta

stosowanie bezpieczników poprawia jakość energii (brak zapadów)

dzięki znormalizowanym charakterystykom zapobiega się uszkodzeniom, które mogłyby
powstać przez nieodpowiedzialne przestawianie nastawień.

Wśród najistotniejszych wad wymienił przede wszystkim:

moŜliwość pracy 2-fazowej po zadziałaniu tylko jednej wkładki topikowej

konieczność wymiany wkładki wymuszająca ingerencję osługi

niesłusznie ocenianą jako przestarzała technologię zabezpieczeń

konieczność magazynowania wkładek wymiennych

trudność prawidłowego zabezpieczania od przeciąŜeń

Ponadto, moŜna usłyszeć skargi na nieuzasadnione działanie bezpieczników w czasie burzy, gdy
są  uŜyte  do  zabezpieczenia  małych  transformatorów  w  słupowych  stacjach  napowietrznych.
Istnieje trudność zapewnienia przez bezpieczniki wysokonapięciowe wyłączania małych prądów
powodujących ich zadziałanie (działanie niepełnozakresowe), a stosowane metody usunięcia tej
wady są dość kosztowne. Wydaje się jednak, Ŝe najczęstszym prawdziwym powodem skarg na
bezpieczniki,  jest  trudność  dobrania  najwłaściwszej  wkładki  bezpiecznikowej  przez  osoby  nie
mające  dostatecznej  praktyki  w  stosowaniu  tych  zabezpieczeń.  Po  prostu  nie  zauwaŜa  się
popełnionych  błędów  i  nieprawidłowym  działaniem  obarcza  się  bezpiecznik.  Jak  wykazał
Ossowicki  [4]  tak  moŜe  być  w  wielu  przypadkach  nieprawidłowego  działania  bezpieczników
uŜytych do zabezpieczania transformatorów SN w napowietrznych stacjach słupowych. Trudny
czasem  do  zrozumienia  fakt,  Ŝe  charakterystyki  czasowoprądowe  bezpieczników  muszą  być
bardzo  zróŜnicowane  wynika  z  własności  chronionych  obiektów.  Szybkość  zmian  ich
temperatury  przy  danym  prądzie  zakłóceniowym  zaleŜy  od  ich  termicznej  stałej  czasowej,  a
temperatura  dopuszczalna  -  od  zastosowanych  materiałów.  Nikt  nie  moŜe  podwaŜyć  faktu,  Ŝe
bezpieczniki  naleŜą  do  ekonomicznych  najszybciej  działających  zabezpieczeń  zwarciowych  o
niewielkich wymiarach,  skutecznie ograniczających  prądy zakłóceniowe. Są niezastąpione  jako
zabezpieczenie  ostatniej  szansy  odcinające  urządzenie  powaŜnie  uszkodzone  zapobiegając
eksplozji  lub  rozprzestrzenieniu  się  awarii.  Ich  zalety  są  widoczne  takŜe  w  wielu  innych
zastosowaniach. Nie oznacza to jednak, Ŝe zawsze stanowią najlepszą opcję.

2. WŁASNOŚCI BEZPIECZNIKÓW

Bezpiecznik  jest  najbardziej  zwartym  urządzeniem  zabezpieczającym  przed  skutkami  prądów
zakłóceniowych.  Spełnia  zarówno  rolę  zespołu  czujników  śledzących  wartość  prądu  w
chronionym  obwodzie  i  jego  szybkość  narastania,  jak  i  bardzo  szybkiego  łącznika
przerywającego  prąd.  Gdy  stosuje  się  bezpieczniki  niepotrzebne  stają  się  przekładniki,
przekaźniki,  wyzwalacze  i  urządzenia  sterujące.  Jest  więc  zabezpieczeniem  ekonomicznym.
PoniewaŜ  bezpiecznik  nie  posiada  napędu  jest  niewraŜliwy  na  uszkodzenia  mechaniczne,  czy

Strona 2 z 10

Korzyści wynikające ze stosowania współczesnych bezpieczników topikowych

2006-05-31

http://www.bezpieczniki.com/strony/wyklady/3/korzysci.htm

zuŜycie.  Nie  moŜe  się  zaciąć  i  musi  zadziałać,  jeśli  tylko  wydzielone  w  nim  ciepło,  związane  z
przepływającym  prądem  wywoła  osiągnięcie  przez  topik  temperatury  topnienia.  Wilgotność
powietrza  i  zapylenie  nie  wpływają  na  szybkość  działania.  W  przypadku  wyłączania  i
ograniczania  prądów  zwarciowych,  nawet,  gdy  czas  wyłączania  jest  tak  krótki,  Ŝe  np.  nie
przekracza 100 µs, nie jest potrzebny Ŝaden specjalny zasobnik energii.

2.1 Szybkość działania

O  własnościach  przedłukowych  bezpieczników  decyduje  budowa  topika  i  intensywność  jego
chłodzenia, natomiast inne - zaleŜą od techniki gaszenia. Pierwotnie topik był prostym drutem.
Obecnie  jego  kształt  jest  wyrafinowany  i  związany  z  przeznaczeniem  bezpiecznika.  Aby
poprawić  chłodzenie  i  tym  samym  zmniejszyć  przekrój  topika  stosuje  się  cienkie  taśmy,
najczęściej  srebrne,  gdyŜ  ten  właśnie  metal  umoŜliwia  minimalizację  wymiarów  wkładek
bezpiecznikowych  oraz  jest  dość  odporny  na  starzenie.  W  przypadku  bezpieczników
szybkodziałających,  np.  do  zabezpieczania  półprzewodników  konieczne  jest  maksymalne
skrócenie  czasu  nagrzewania  w  warunkach  zakłóceniowych,  co  wiąŜe  się  z  jeszcze  większą
redukcją  przekroju  topika  i  zapewnieniem  niezmiernie  skutecznego  chłodzenia.  W  tych
przypadkach  stosuje  się  technikę  warstw  cienkich,  np.  naparowywanie  topika  na  podłoŜe
ceramiczne,  a  osiągane  gęstości  prądu  w  normalnych  warunkach  roboczych  mogą  wynosić

nawet kilka kA/mm

. Skomplikowany kształt topika wynika z potrzeby kształtowania

charakterystyki  t-I  wkładki  bezpiecznikowej.  PrzewęŜenia  pozwalają  radykalnie  skrócić  czas
przedłukowy  w  przypadku  stromego  wzrostu  prądu  zwarciowego.  Charakteryzują  się  bardzo
małą cieplną stałą czasową ze względu na zmniejszoną masę na jednostkę długości. Na rys. 1
wyjaśniono  działanie  przewęŜeń.  W  przypadku  prądów  wolno  rosnących,  małych  przeciąŜeń,
cieplne  stałe  czasowe  nie  mają  znaczenia.  Całe  ciepło  wydzielane  w  przewęŜeniu  o  przekroju
zwarciowym  S

jest "wysysane" przez szeroką część topika o przekroju S, działającą jak

radiator i wskutek tego temperatury

oraz

praktycznie się nie róŜnią. Bezpiecznik działa

tak, jakby miał jednolity topik o przekroju S.

Rys. 1. Działanie przewęŜenia w topiku: q - strumień ciepła odprowadzany z przewęŜenia o
przekroju S

zwanym przewęŜeniem zwarciowym.

Przy bardzo szybkim wzroście prądu odbierania ciepła z przewęŜenia jest regulowane przez
cieplną stałą czasową "radiatora". Jest ona długa i strumień q nie moŜe gwałtownie wzrosnąć.
Przez długi czas pozostaje mały w porównaniu z ilością ciepła wytwarzaną w przewęŜeniu o
przekroju S

przez prąd zwarciowy. W tych warunkach bezpiecznik działa tak, jakby miał topik

o przekroju przewęŜenia. Dlatego właśnie S

jest nazywane przekrojem zwarciowym. W

praktyce wartość S/S

moŜe znacznie przekraczać 10. Stosując stopniowanie przewęŜeń

kształtuje się charakterystyki bezpieczników w bardzo szerokim zakresie.

2.2. Charakterystyki

O  powtarzalności  charakterystyk  bezpieczników  decyduje  w  duŜej  mierze  precyzja  wykonania
przewęŜeń,  która  wpływa  teŜ  na  ich  "pasmowość".  Współczesne  technologie  pozwoliły  na
znaczne  zawęŜenie  pasm  aktualnie  produkowanych  bezpieczników  w  porównaniu  z

Strona 3 z 10

Korzyści wynikające ze stosowania współczesnych bezpieczników topikowych

2006-05-31

http://www.bezpieczniki.com/strony/wyklady/3/korzysci.htm

protoplastami.  NaleŜy  jednak  zdawać  sobie  sprawę  z  faktu,  Ŝe  charakterystyki  t-I
bezpieczników  są  określane  dla  symetrycznego  prądu  probierczego.  W  zakresie  prądów
zwarciowych,  prąd  rzeczywisty  moŜe  zawierać  znaczną  składową  bezokresową  i  to  spowoduje
znaczne  rozrzuty  czasów  działania  bezpiecznika,  w  porównaniu  z  krzywą  określoną  dla  prądu
harmonicznego,  gdy  ich  wartości  są  znacznie  mniejsze  od  1  półokresu  50  Hz.  Powodem
trudności  w  stosowaniu  bezpieczników  do  zabezpieczania  urządzeń  od  skutków  małych
przeciąŜeń  jest  konieczność  zastosowania  dość  szerokiego  marginesu  prądowego  między
dopuszczalnym  długotrwale  prądem  znamionowym,  a  najmniejszym  prądem  powodującym
zadziałanie bezpiecznika, który moŜna nazwać granicznym I

, a który jest często utoŜsamiany

z prądem godzinnym, gdyŜ właśnie w takim czasie sprawdza się najczęściej osiągnięcie granicy
przetopienia, rys. 2. PoniewaŜ prąd Ig powoduje osiągnięcie przez topik temperatury topnienia

(dla srebra 960

C), nie moŜe więc być dopuszczony długotrwale, czyli nie moŜna go uznać za

prąd  znamionowy.  Jak  wysoką  temperaturę  dopuści  się  długotrwale  zaleŜy  od  konstrukcji
bezpiecznika  i  jego  przeznaczenia.  Np.  decydujące  znaczenie  moŜe  mieć  materiał,  z  jakim
styka  się  topik.  Jeśli  jest  to  piasek  kwarcowy,  któremu  nie  szkodzi  nagrzanie  do  wysokiej

temperatury - moŜna się zgodzić na, powiedzmy 500

C, o ile nie stosuje się efektów

metalurgicznych. W przypadku bezpieczników gazowydmuchowych lub cieczowych, gdy topik
styka się z materiałem organicznym, temperatura musi być znacznie niŜsza. Często wówczas

nie przekracza 200

C. Innym powodem obniŜenia temperatury pracy w stosunku do

temperatury przetopienia moŜe być zmęczenie termiczne i starzenie topika. Dlatego margines
M z rys. 2. moŜe być nawet kilkusetprocentowy. Dla bezpieczników ograniczających - jest nie
mniejszy niŜ 20÷25%, a zwykle nieco większy. Oznacza to, Ŝe bezpiecznik nie moŜe reagować
na prądy przeciąŜeniowe leŜące wewnątrz marginesu M, co jest bez wątpienia jego wadą.

Rys. 2. Przedłukowa charakterystyka t-I bezpiecznika (skale logarytmiczne) oraz opisujące ją
zaleŜności:
d - zastępcza średnica topika, k - współczynnik zaleŜny od intensywności chłodzenia topika, K

- stała Meyera, S

- przekrój zwarciowy topika. Przedłukowa charakterystyka t-I bezpiecznika

posiada  dwie  asymptoty:  jedną  jest  prąd  graniczny  Ig  zaleŜny  od  przekroju  topika  S
(zastępczej  średnicy  d)  i  intensywności  chłodzenia,  zaś  drugą  -  krzywa  Meyera  (we
współrzędnych  logarytmicznych  -  prosta)  będąca  granicą  adiabatycznego  nagrzewania
przewęŜenia  o  przekroju  S

. Charakterystyka t-I wyłączania róŜni się od charakterystyki

przedłukowej o czasy łukowe. Dla małych prądów charakterystyki te róŜnią się nieznacznie, ze
względu na dominujące znaczenie czasu przedłukowego. W zakresie prądów zwarciowych -
charakterystykę

wyłączania

wyróŜniają

dłuŜsze

wartości

czasów.

Znormalizowane

charakterystyki t-I wkładek bezpiecznikowych są oznaczane dwoma literami: pierwsza z nich (a
lub g) oznacza zakres wyłączania, zaś druga (D, G, M, N i inne) - kształt charakterystyki, czasy
i prądy probiercze oraz granice prądów zadziałania:

g - wkładki topikowe o pełnozakresowej zdolności wyłączania

a - wkładki topikowe o niepełnozakresowej zdolności wyłączania

Strona 4 z 10

Korzyści wynikające ze stosowania współczesnych bezpieczników topikowych

2006-05-31

http://www.bezpieczniki.com/strony/wyklady/3/korzysci.htm

G - wkładki topikowe ogólnego przeznaczenia

M - wkładki topikowe do zabezpieczenia obwodów silnikowych

D - wkładki topikowe zwłoczne

N - wkładki topikowe szybkie

Na  przykład  -"gG"  oznacza  wkładki  topikowe  ogólnego  przeznaczenia  o  pełnozakresowej
zdolności wyłączania (od najmniejszego prądu wywołującego zadziałanie bezpiecznika do prądu
wyłączalnego).  Wkładki  topikowe  o  niepełnozakresowej  zdolności  wyłączania  (a)  są  czasem
nazywane  wkładkami  dobezpieczającymi.  Świetnie  wyłączają  prądy  zwarciowe,  pozostawiając
przeciąŜenia

innym

zabezpieczeniom.

Często

tej

grupy

naleŜą

bezpieczniki

wysokonapięciowe, czy zabezpieczające obwody silników, np. współpracujące z rozłącznikami,
w tym ze stycznikami. Przebieg znormalizowanych charakterystyk t-I oraz sposób ich
wyznaczania opisują normy przedmiotowe.

2.3. Ograniczanie prądu

Zdolność bezpieczników do wyłączania i ograniczania prądu zaleŜy od zastosowanego sposobu
gaszenia  łuku.  W  latach  20-tych  XX  w.  własności  bezpieczników  zrewolucjonizowało
wykorzystanie  piasku  kwarcowego  jako  gasiwa,  umoŜliwiając  skuteczne  i  tanie  ograniczanie
prądów zwarciowych. Mimo późniejszych licznych prób stosowania innego gasiwa ziarnistego, a
takŜe  jego  "skamieniania"  nie  udało  się  znaleźć  niczego  lepszego.  Dopiero  pod  koniec  XX  w.
cienkowarstwowe  topiki  nanoszone  na  podłoŜe  szklane  reagujące  z  parami  metalu  topika
pozwoliły na dalsze przyspieszenie działania i ograniczanie prądu. Niestety, technika ta nadaje
się  na  razie  tylko  do  nieznacznych  prądów.  Bezpieczniki,  w  których  łuk  gasi  się  innymi
metodami,  np.  gazowydmuchowe,  czy  cieczowe,  a  takŜe  próŜniowe  nie  posiadają  zdolności
ograniczania prądów zwarciowych.

Rys. 3. Charakterystyka prądów ograniczonych bezpiecznika (skale logarytmiczne) rodziny
trzech wkładek bezpiecznikowych o prądach znamionowych I

, I

.: I

- symetryczny prąd

zwarciowy

Ograniczenie  prądu  następuje,  gdy  zapłon  łuku  w  bezpieczniku  nastąpi  przed  wystąpieniem
szczytowego  prądu  zwarciowego,  a  powstające  napięcie  łukowe  przewyŜszy  napięcie  źródła.
Gdy  nie  jest  spełniony  tylko  drugi  warunek,  stopień  ograniczenia  moŜe  być  niewielki,
uwidaczniający się najbardziej pod koniec półokresu. Im wyŜsze napięcie łukowe - tym szybciej
następuje  wyłączenie.  Na  rys.  3.  pokazano  typowe  charakterystyki  prądu  ograniczonego
rodziny  3  bezpieczników  o  prądach  znamionowych  I

, I

. Proste (we współrzędnych

logarytmicznych)  mniej  nachylone  do  pionu  odpowiadają  prądom  przepuszczanym  bez
ograniczenia.  RóŜnią  się  między  sobą  współczynnikiem  k  określającym  stosunek  prądu
szczytowego  do  wartości  maksymalnej  wartości  początkowego  prądu  zwarciowego.
Charakterystyki

prądów

ograniczonych

odpowiadają

przybliŜeniu

adiabatycznemu

nagrzewaniu

topika

momentu

jego

rozpadu.

Wytwarzanie

napięcia

łukowego

przewyŜszającego  napięcie  zasilania  towarzyszące  skutecznemu  ograniczaniu  prądów
zwarciowych,  a  więc  generowanie  przepięć,  było  kiedyś  uwaŜane  za  jedną  z  głównych  wad
bezpieczników  z  wypełniaczem  piaskowym.  Bezpieczniki  współczesne,  dzięki  dopracowaniu
kształtu  topika  znacząco  zredukowały  przepięcia  zachowując  świetne  zdolności  ograniczania

Strona 5 z 10

Korzyści wynikające ze stosowania współczesnych bezpieczników topikowych

2006-05-31

http://www.bezpieczniki.com/strony/wyklady/3/korzysci.htm

prądu zwarciowego.

Rys. 4. Przedłukowa całka Joule'a w obwodzie chronionym bezpiecznikiem w funkcji czasu
wyłączania

Ograniczanie prądu zwarciowego wiąŜe się z niewielką całką Joule'a w chronionym obwodzie,
która wyraŜa energię wydzieloną przez prąd płynący przez rezystor jednostkowy (1

). Jest to

cecha szczególnie istotna dla wraŜliwych urządzeń, np. półprzewodnikowych. Gdy czasy
wyłączania są krótkie, to nagrzewanie jest praktycznie adiabatyczne i całka Joule'a jest stała.

Jest związana ze stałą materiałową Meyera i S

. Dla czasów dłuŜszych od 5 ms najczęściej nie

moŜna załoŜyć braku rozpraszania ciepła. Warto podkreślić fakt, Ŝe energia potrzebna do
rozpadu topika jest znacznie mniejsza niŜ do jego odparowania wskutek występujących
efektów mechanicznych (wynosi około 30% energii odparowania).

2.4. Straty mocy

Cienkie  topiki  dla  skrócenia  cieplnej  stałej  czasowej  i  spore  ich  długości  dla  uzyskania
odpowiedniej  szybkości  narastania  wytrzymałości  powrotnej  przy  znaczącej  przewodności
gorącego  na  początku  zeszkleńca  powstającego  ze  spieczenia  piasku  z  parami  metalu
powodują,  Ŝe  bezpieczniki  ograniczające  charakteryzują  się  sporymi  spadkami  napięcia  w
warunkach  roboczych  i  w  konsekwencji  -  znaczącymi  stratami  mocy,  które  naleŜy  wziąć  pod
uwagę, gdy w niewielkiej obudowie instaluje się duŜą liczbę bezpieczników.

Strona 6 z 10

Korzyści wynikające ze stosowania współczesnych bezpieczników topikowych

2006-05-31

http://www.bezpieczniki.com/strony/wyklady/3/korzysci.htm

Rys. 5. Przykładowe spadki napięcia (a) i straty mocy (b) dla kilku typów bezpieczników
ograniczających (1, 2, 3)

Na rys. 5. pokazano przykładowe zestawienie zarówno spadków napięcia,  jak i strat mocy  dla
kilku  typów  bezpieczników  ograniczających  na  napięcia  500  V  i  1000  V.  Dodatkowo,  dla
porównania,  na  wykresie  spadków  napięcia  zaznaczono  poziom  napięcia  krzemowego  złącza
np,  które  pozwala  ocenić  straty  powstające  w  łącznikach  statycznych.  W  przypadku  łączników
zestykowych przyjmuje się na ogół spadki napięcia przekraczające w warunkach roboczych 10
mV lecz nie większe niŜ 100 mV, gdyŜ wiadomo, Ŝe tak wysokie napięcie oznaczałoby zbliŜenie
się do granicy mięknięcia zestyków srebrnych i miedzianych. Porównanie to pokazuje, Ŝe straty
w  bezpiecznikach  ograniczających  są  prawie  o  rząd  mniejsze  niŜ  w  łącznikach
półprzewodnikowych,  lecz  2-3-krotnie  większe  niŜ  w  łącznikach  zestykowych.  W  przypadku
bezpieczników  nieograniczających,  takich  jak  np. gazowydmuchowe,  gdzie  topik  jest  znacząco
krótszy,  a  przekrój  większy,  ze  względu  na  dość  niską  temperaturę  dopuszczalną  róŜnica
między bezpiecznikiem, a łącznikiem zestykowym jest nieznaczna. Tak więc, choć straty mocy
w bezpiecznikach nie są ich mocną stroną, to nie mogą być uwaŜane za czynnik dyskredytujący
ich stosowanie.

Rys. 6. Jednostkowa objętość niektórych bezpieczników ograniczających

Strona 7 z 10

Korzyści wynikające ze stosowania współczesnych bezpieczników topikowych

2006-05-31

http://www.bezpieczniki.com/strony/wyklady/3/korzysci.htm

2.5. Gabaryty bezpieczników

Gabaryty  bezpieczników  w  wielu  przypadkach  są  konkurencyjne  w  porównaniu  z  innymi
urządzeniami  zabezpieczającymi,  szczególnie,  jeśli  weźmie  się  pod  uwagę  fakt,  Ŝe  nie
wymagają  Ŝadnych  współpracujących  urządzeń  pomiarowokontrolnych.  Na  rys.  6.  zestawiono
objętość  bezpieczników  ograniczających  kilku  wytwórców  na  jednostkę  prądu  znamionowego.
Bezpieczniki nieograniczające mają mniejsze gabaryty.

3. RODZAJE BEZPIECZNIKÓW I ICH ZASTOSOWANIE

RóŜnorodność  stosowanych  bezpieczników  jest  ogromna.  Dotychczas  najwięcej  uwagi
poświęcono  bezpiecznikom  ograniczającym,  piaskowym  ze  względu  na  ich  duŜe  znaczenie  dla
niezawodności  zasilania  i  jakości  energii  i  szerokie  zastosowanie  w  sieciach  zarówno  SN  jak  i
n.n.  Bez  wątpienia  inne  typy  bezpieczników  mają  równieŜ  szerokie  zastosowanie.  Szczególnie
widoczny  jest  wzrost  zainteresowania  bezpiecznikami  miniaturowymi  do  zabezpieczania
układów  elektronicznych  oraz  w  samochodach,  rys.  7.  [3].  W  tej  dziedzinie  powstaje  szereg
nowych konstrukcji.

Rys. 7. Zapotrzebowanie na bezpieczniki do ochrony układów elektronicznych ×10

szt./rok

(a) oraz liczba bezpieczników instalowanych w samochodzie w kolejnych latach (b) [3]

Wobec  szybko  rozwijających  się  innych,  nowych  urządzeń  zabezpieczających  takich  jak
opartych  na  nadprzewodnictwie,  nowych  rodzajach  półprzewodników  mocy,  czy  nowych
szybkich napędów nadających łącznikom zestykowym nowych cech, a takŜe stale postępującej
automatyzacji  stacji  elektroenergetycznych  wykorzystanie  bezpieczników  powinno  znajdować
swe  miejsce  tam,  gdzie  ich  cechy  są  niezastąpione,  lub  przynajmniej  ekonomicznie
uzasadnione.  Z  całą  pewnością  moŜna  stwierdzić,  Ŝe  wykorzystywanie  bezpieczników  tylko  do
ochrony  przewodów  i  kabli  od  przeciąŜeń,  jak  to  miało  miejsce  przed  laty,  nie  zawsze  jest
uzasadnione, choć ze względu na koszty, moŜe w pewnych przypadkach być brane pod uwagę.
Wydaje się, Ŝe bezpieczniki są niezastąpione przede wszystkim jako:

Zabezpieczenie "Ŝycia", które odcina uszkodzone urządzenie uniemoŜliwiając pojawienie
się  negatywnych  skutków  rozszerzającej  się  awarii,  eksplozjom,  poŜarom,  wyciekom
oleju itp. Tak moŜe być w przypadku zabezpieczenia urządzeń elektronicznych od zwarć
wewnętrznych,  a  takŜe  niektórych  transformatorów  (bezpiecznik  wbudowany  w  kadzi).
Wart  uwagi  jest  fakt,  Ŝe  badania  laboratoryjne  pokazały,  iŜ  zabezpieczenie  za  pomocą
wyłącznika moŜe być zbyt powolne i nie zdąŜyć zadziałać przed rozerwaniem kadzi

Zabezpieczenia ograniczające prąd zwarciowy i czas zwarcia, które pozwala na
stosowanie w chronionym obwodzie urządzeń nieodpornych na duŜe prądy zwarciowe.

Zabezpieczenie zwarciowe współpracujące z rozłącznikiem (stycznikiem). Ograniczenie
prądów zwarciowych przez bezpiecznik łagodzi pracę styków rozłącznika zamykającego
zwarty obwód.

Zabezpieczenie ograniczające zapady napięcia przez znaczną redukcję czasu zwarcia i
prądu.

Strona 8 z 10

Korzyści wynikające ze stosowania współczesnych bezpieczników topikowych

2006-05-31

http://www.bezpieczniki.com/strony/wyklady/3/korzysci.htm

Zabezpieczenie zmniejszające zagroŜenie od skutków łuku powstającego w miejscu
zwarcia przez redukcję czasu łukowego.

Dobezpieczenie wyłącznika dla skrócenia czasu wyłączania bardzo duŜych prądów
zwarciowych i ich ograniczenie.

4. PORÓWNANIE CHARAKTERYSTYK Z WYŁĄCZNIKAMI

RóŜnice w przebiegu charakterystyk t-I bezpieczników i wyłączników pokazano na rys. 8.
Wyłącznik moŜe wyłączać, w przeciwieństwie do bezpiecznika, wszystkie prądy w zaleŜności od
nastawień wyzwalaczy. Nie mając martwego marginesu między prądami I

oraz I

niewątpliwie

radzi sobie doskonale z przeciąŜeniami. Jednak wyłączanie zwarć nie moŜe być natychmiastowe
ze względu na powolny napęd i wyzwalacze. Rzadko jest on krótszy od kilkunastu milisekund, a
w  przypadku  wyłączników  wysokonapięciowych  moŜe  osiągać  nawet  100  ms.  Bezpieczniki
mogą  działać  w  ułamku  milisekundy.  Nawet  kosztowne  wyłączniki  ograniczające  z  bardzo
szybkim  napędem  i  wykorzystaniem  oddziaływania  elektrodynamicznego  nie  osiągają  czasów
krótszych od 1 ms.

Rys. 8. Charakterystyki czasowo-prądowe bezpiecznika i wyłącznika

Bezpieczniki są aparatami jednofazowymi, podczas gdy wyłączniki mogą być zarówno jedno-
jak i trójfazowe. W przypadku zabezpieczania obwodów jednofazowych nie ma więc znaczenia,
który z aparatów się wybierze.

W obwodach trójfazowych wyłączenie jednofazowe moŜe być niepoŜądane. W takim przypadku
bezpieczniki współpracujące z rozłącznikiem powinny spowodować przerwanie zasilania w
zdrowych fazach przez rozłącznik. W tym celu, np. bezpieczniki SN są wyposaŜone w wybijaki
oddziałujące na napęd rozłącznika.

Gabaryty współczesnych wyłączników i rozłączników mogą być porównywalne, jeśli pominie się
wyłączniki

ograniczające,

tym

nadprzewodnikowe.

przypadku

wyłączników

zabezpieczenie moŜe być rozbudowane i wówczas moŜe zająć więcej miejsca. Znaczna róŜnica
wystąpi, gdy porówna się bezpieczniki z wyłącznikami statycznymi lub hybrydowymi na korzyść
bezpieczników. Orientacyjną ocenę miejsca niezbędnego do zainstalowania bezpieczników
moŜna uzyskać w oparciu o dane z rys. 6.

5. WNIOSKI

Współczesne bezpieczniki są świetnym zabezpieczeniem przeciwzwarciowym znacząco
ograniczającym prąd i redukującym czas zwarciowy.

Są wyśmienitym zabezpieczeniem "Ŝycia" chroniącym przed skutkami awarii, które nie
wymaga wymiany, aŜ do momentu wystąpienia uszkodzenia zabezpieczanego
urządzenia.

Strona 9 z 10

Korzyści wynikające ze stosowania współczesnych bezpieczników topikowych

2006-05-31

http://www.bezpieczniki.com/strony/wyklady/3/korzysci.htm

Posiadają duŜą zdolność wyłączania, szczególnie w przypadku umiarkowanych prądów
znamionowych. Dzięki temu mogą wspomagać słabsze wyłączniki w wyłączaniu prądów
zwarciowych.

Straty mocy, choć znacznie mniejsze niŜ w wyłącznikach statycznych czy hybrydowych,
są znaczące w porównaniu z wyłącznikami zestykowymi. W przypadku zainstalowania
duŜej liczby bezpieczników w ciasnej obudowie konieczna staje się sprawna wentylacja i
zabezpieczenie wkładek przed przegrzaniem. Współczesne wkładki bezpiecznikowe SN są
często wyposaŜone w odpowiednie zabezpieczenia termiczne.

Bezpieczniki nie nadają się do zdalnej obsługi. W niektórych przypadkach moŜe to być
zaletą, gdyŜ wymusza kontrolę powodu wystąpienia awarii.

Najczęstszą przyczyną nieodpowiedniego działania bezpiecznika jest nieodpowiedni
dobór wkładki.

Literarura

Gomez, Juan Carlos: "Intelligent fuse for M.V. distribution systems: a current need", Int.
Conf. on Electric Fuses and Their Applications, Sep. 2003, Gdańsk - Jurata, s. 50.

Wang Jimei, Ma Zhicheng: "High voltage vacuum type full-range current limiting fuse",
Int. Conf. on Electric Fuses and Their Applications, Sep. 2003, Gdańsk - Jurata, s. 91.

Bessei, Herbert: "The future of Fuses", Int. Conf. on Electric Fuses and Their
Applications, Sep. 2003, Gdańsk - Jurata, s. 11.

Ossowicki J.: "Nowoczesna zabezpieczenia transformatorów rozdzielczych",
Przedsiębiorstwo Energo-Eko-Tech Poznań - Kiekrz, paźdxiernik 2000.

Newberry, Gordon: "21st centuary guidance using international standards", Int. Conf. on
Electric Fuses and Their Applications, Sep. 2003, Gdańsk - Jurata, s. 57.

Leach, John G.: "The impact of HV fuse design and application on the development of
international standards.

Wolny A.: "What can fuses offer to survive the next centuary", Int. Conf. on Electric
Fuses and Their Applications, Wenecja 1999, s. 1.

Strona 10 z 10

Korzyści wynikające ze stosowania współczesnych bezpieczników topikowych

2006-05-31

http://www.bezpieczniki.com/strony/wyklady/3/korzysci.htm