Firma Siba specjalizuje się w produkcji i sprzedaży bezpieczników, poczynając od bezpieczników miniaturowych chroniących komponenty elektroniczne, aż po wkładki wysokich napięć do instalacji energetycznych. Jednym z elementów oferty są zabezpieczenia bezpiecznikowe przeznaczone do ochrony transformatorów SN/nn w rozdzielnicach średniego napięcia.

Rozdzielnice pierścieniowe średniego napięcia produkowane są zwykle na napięcie 17,5/04 kV lub 24/0,4 kV i usytuowane na terenie zakładów przemysłowych lub innych odbiorców, a także w pobliżu osiedli mieszkaniowych. Najczęściej są one budowane jako wolnostojące, np. kontenerowe w obudowie metalowej lub betonowej, oraz małogabarytowe betonowe lub słupowe, zależnie od wymagań środowiska. Typowa rozdzielnica  (rys. 1) składa się z transformatora T zasilanego z sieci pierścieniowej średniego napięcia (SN), zwykle poprzez zestaw rozłącznika z bezpiecznikami (1). Po wtórnej stronie transformatora znajduje się rozłącznik bezpiecznikowy (2) lub w istniejących wcześniej rozwiązaniach – sam odłącznik, z którego jest zasilana część niskonapięciowa (nn) rozdzielnicy 0,4 kV. W części niskonapięciowej znajdują się odejścia zabezpieczone bezpiecznikami o charakterystyce gG (dawniej oznaczonej gL), a w przypadku sieci wiejskich – bezpiecznikami gF o charakterystyce szybkiej.
Od takich stacji wymaga się, oprócz niezawodności zasilania, również zapewnienia bezpieczeństwa ludzi (obsługi i osób postronnych) oraz zwierząt mogących się znaleźć w bezpośrednim otoczeniu. Rozdzielnice te powinny więc być dobrze chronione przed skutkami przeciążeń i zwarć wewnętrznych. Niedopuszczalna jest eksplozja transformatora, wyciek oleju lub (w razie zwarcia wewnątrz rozdzielnicy) rozerwanie się obudowy wskutek wzrostu ciśnienia.

Rys. 1. Typowy schemat stacji SN/nn

Zabezpieczenie transformatora

Doświadczenia eksploatacyjne tego typu układów w krajach zachodnich, a zwłaszcza w Niemczech wskazują, że najtańszym i jednocześnie skutecznym zabezpieczeniem transformatorów o mocy znamionowej do 1000 kVA od skutków przeciążeń i zwarć są bezpieczniki topikowe. Po stronie średniego i niskiego napięcia stosuje się zwykle zestawy łączników z bezpiecznikami o odpowiednio dobranych wkładkach topikowych ograniczających prądy zwarciowe. Z praktyki wiadomo również, że prądy znamionowe wkładek topikowych w zestawach rozłączników z bezpiecznikami średniego napięcia powinny być około dwa razy większe od prądu znamionowego transformatora. Wynika to ze stosunkowo dużych prądów magnesowania występujących podczas załączania transformatorów, które mogłyby spowodować nieuzasadnione zadziałanie wkładki o mniejszym prądzie znamionowym. Producenci wkładek w swoich katalogach zwykle podają wartości prądu znamionowego wkładek bezpiecznikowych, które należy stosować do zabezpieczenia transformatorów. Na przykład, do zabezpieczenia transformatora 17,5/0,4 kV o mocy znamionowej 630 kVA firma Siba proponuje wkładki na prąd znamionowy 50 A. Praktycznie nie jest więc możliwe zabezpieczenie transformatora od skutków przeciążeń bezpiecznikami średniego napięcia, ponieważ nie będzie spełnione wymaganie producentów transformatorów, aby przeciążenie transformatora prądem 1,5 In nie trwało dłużej niż 2 godziny. Wynika stąd wniosek, że zabezpieczenie przeciążeniowe transformatorów powinno być zrealizowane po stronie 0,4 kV za pomocą odpowiednio dobranych bezpieczników.

Rys. 2. Charakterystyki czasowo-prądowe wkładek topikowych gTr do zabezpieczania
transformatorów o różnej mocy Sn

Zestaw rozłącznik-bezpieczniki średniego napięcia

Wysokie wymagania stawiane rozdzielnicom średniego napięcia dotyczące niezawodności zasilania i bezpieczeństwa osób postronnych oraz obsługi wymuszają stosowanie wkładek topikowych wysokiej jakości w zestawach rozłączników z bezpiecznikami. Firma Siba oferuje ulepszone wkładki topikowe, szczególnie przydatne do ochrony przed nadmiernym nagrzewaniem się wnętrza rozdzielnic średniego napięcia. Oprócz powszechnie znanych właściwości standardowych wkładek topikowych, spełniają one dodatkowe wymagania dzięki wprowadzeniu wyzwalacza termicznego do wybijaka. Siba po raz pierwszy zaprezentowała wkładki z takim wyzwalaczem na targach w Hanowerze w 1993 r. W połowie 1994 r. producent fabrycznie wyposażył w takie wyzwalacze wszystkie wkładki na prądy znamionowe do 160 A włącznie. Doświadczenia zebrane od tego czasu przyczyniły się do ulepszenia konstrukcji wyzwalacza.
Wkładki topikowe średniego napięcia są przeznaczone do ochrony transformatorów rozdzielczych. Zadanie wkładek polega głównie na ograniczaniu i wyłączaniu prądów zwarciowych. Ponadto działając wybijakiem na mechanizm wyzwalający rozłącznika mogą one wyłączyć przeciążenie transformatora.
Badania rozdzielnic zwięzłych (małogabarytowych) wykazały, że zestawy rozłącznik-bezpieczniki z klasycznymi wkładkami topikowymi na większe prądy nagrzewają się do niedopuszczalnie wysokiej temperatury, co powoduje przyspieszenie starzenia się materiałów, np. tworzyw sztucznych, w wyniku czego powstają pęknięcia i następuje pogorszenie zestyków w podstawach lub rozłącznikach bezpiecznikowych. Wykorzystując wyniki pomiarów licznych prób nagrzewania bezpieczników używanych w rozdzielnicach różnej konstrukcji, opracowano nowy system wybijaka, który powoduje przerwanie obwodu, gdy temperatura z jakiejkolwiek przyczyny przekroczy dopuszczalny poziom. Tak więc wybijak z wyzwalaczem termicznym umożliwia ograniczenie nadmiernego przyrostu temperatury wywołanego niepożądanymi prądami zakłóceniowymi.

Rys. 3. Wkładki topikowe typu NH firmy Siba, także o charakterystyce gTr do zabezpieczania transformatorów o różnej mocy

Bezpieczniki topikowe nn o charakterystyce gTr

Zabezpieczenia transformatorów po stronie 0,4 kV składają się ze specjalnych wkładek topikowych o charakterystyce transformatorowej gTr umieszczonych w typowych podstawach bezpieczników przemysłowych lub stanowiących wyposażenie odłączników bezpiecznikowych. Takie wkładki topikowe firma Siba wytwarza od prawie 20 lat. Są one przeznaczone do zabezpieczania od skutków przeciążeń i zwarć transformatorów o mocy znamionowej od 50 do 1000 kVA. Ich charakterystyka czasowo-prądowa (t-I) uwzględnia dopuszczalne przeciążenia transformatorów. Porównanie wymagań norm wykazało, że charakterystyki t-I wkładek topikowych gTr (rys. 2) mieszczą się w dopuszczalnych pasmach t-I klasycznych bezpieczników ogólnego stosowania gG, lecz są znacznie węższe. W praktyce oznacza to, że bezpieczniki o charakterystyce gG tylko w szczególnych przypadkach będą spełniały wymagania VDE stawiane bezpiecznikom o charakterystyce gTr. Zadziałanie wkładek gTr następuje wówczas, gdy transformator jest przeciążony ponad wartość dopuszczalną. W Polsce wbrew dobrym doświadczeniom innych krajów, wkładki topikowe o charakterystyce gTr nie są jeszcze powszechnie używane. Należy oczekiwać, że w najbliższej przyszłości użytkownicy transformatorów rozdzielczych będą w większm stopniu je stosowali.

Wymagania stawiane wkładkom topikowym o charakterystyce gTr

Jak już wspomniano, zabezpieczenia są realizowane w postaci bezpieczników z typowymi podstawami lub rozłączników bezpiecznikowych na znamionowe napięcie przemienne 500 V, wyposażonych we wkładki topikowe o charakterystyce gTr na znamionowe napięcie przemienne 400 V. Podstawy bezpiecznikowe powinny spełniać ogólne wymagania PN-91/E-06160/10 [3], a wkładki topikowe wymagania podane w normie [1] ze zmianami i uzupełnieniami zawartymi w normie [2].
Wkładki topikowe o charakterystyce gTr według norm VDE [1, 2] spełniają następujące wymagania:
• do zabezpieczania transformatorów o mocy znamionowej:
– od 50 do 250 kVA przewiduje się wielkość wkładek topikowych 2,
– od 250 do 400 kVA – wielkość 3,
– od 400 do 1000 kVA – wielkość 4;
• wkładki topikowe mają wymiary wkładek topikowych przemysłowych o charakterystyce gG, spełniających wymagania PN-91/E-06160. Napisy na tabliczce znamionowej są brązowe, przy czym zamiast prądu znamionowego wkładki Irat (oznaczenie wprowadzone w normie VDE [2] dla wkładek gTr) podaje się moc znamionową transformatora (Sn), do którego zabezpieczenia przewidziana jest wkładka topikowa. Prąd znamionowy wkładki wyznacza się z zależności:
I_rat = S_n/3U_n
• wkładki topikowe do zabezpieczenia transformatorów o mocy od 50 do 1000 kVA powinny wytrzymywać dolny prąd probierczy 1,3 I_rat w ciagu 10 h i zadziałać przy obciążeniu górnym prądem probierczym 1,5 I_rat przed upływem 2 h;
• wkładki o charakterystyce gTr wytrzymują próbę obciążenia 100 cykli, przy czym czas przepływu prądu 1,15 I_rat (z odchyłką -2%) i czas przerwy bezprądowej wynoszą 1 h. Próba ta oraz próby przy dolnym i górnym prądzie probierczym są bardzo ostre w porównaniu z próbami wymaganymi dla wkładek topikowych o charakterystyce gG;
• wkładki topikowe o charakterystyce gTr wyłączają przeciążenia począwszy od umownego górnego prądu probierczego 1,5 I_rat do wartości prądu spodziewanego 100 kA, deklarowanej przez producenta. Napięcie probiercze wynosi 440 V (z odchyłką +3%). Pozostałe warunki prób według PN-91/E-06160/10 są takie same jak dla wkładek o charakterystyce gG.
Z analizy wymagań podanych w normach [1, 2] wynika, że zdolność wyłączania tych wkładek nie ogranicza ich stosowania do zabezpieczenia transformatorów.

Podsumowanie

Odpowiednio dobrane bezpieczniki topikowe są skutecznym zabezpieczeniem transformatora i innych elementów rozdzielnicy od skutków przeciążeń i zwarć. Po stronie średniego napięcia powinien to być zestaw rozłącznik bezpiecznikowy z wkładkami topikowymi zawierającymi wyzwalacze termiczne. Prądy znamionowe wkładek topikowych ze względu na prądy załączania są zwykle dwa razy większe od prądu znamionowego transformatora i dlatego nie zabezpieczają transformatora od skutków przeciążeń. Zadaniem wyzwalaczy termicznych jest niedopuszczenie (w stanach zakłóceniowych) do wzrostu temperatury wewnątrz zamkniętej rozdzielnicy ponad wartości dopuszczalne.
Po stronie niskiego napięcia powinien być stosowany typowy odłącznik bezpiecznikowy z wkładkami topikowymi na znamionowe napięcie przemienne 400 V o charakterystyce transformatorowej gTr. Wkładki takie mają charakterystyki czasowo-prądowe
t-I dopasowane do dopuszczalnych przeciążeń transformatorów, tak aby skutecznie zabezpieczyć te urządzenia od uszkodzeń spowodowanych przeciążeniami lub zwarciami po stronie 0,4 kV.
Wkładki topikowe gTr, oznakowane mocą znamionową transformatora, charakteryzują się małym rozrzutem charakterystyki t-I i dużą odpornością na przeciążenia.
Korzyści eksploatacyjne wynikające ze stosowania rozłączników bezpiecznikowych z wkładkami topikowymi o charakterystyce gTr rekompensują koszt ich instalowania.

Mariusz Madurski
na podstawie publikacji doc. dr J. Ossowickiego i prof. dr. hab. H. Sibilskiego
oraz materiałów Siba
Autor jest pracownikiem firmy Siba

Bibliografia:
[1]. DIN/VDE 57636, Teil 22 z maja 1984 r. Niederspannungssicherungen NH-System; NH-Anlagenschutzsicherungen bis 1250 A und 1000 V aM, gTr, gB (VDE – Bestimmung);
[2]. DIN/VDE 0636-201/A1 z października 1997 r. Niederspannungssicherungen (NH-System). Teil 2: Zusatzliche Anforderungen an Sicherungen zum Gebrauch durch Elektrofachkrafte bzw. Possonen elektrotechnisch unterwiesene Personen (Sicherungen uberwiegend fur den industriellen Gebrauch). Hauptabschnitte I bis V;
[3]. PN-91/E-06160/10 Bezpieczniki topikowe niskonapięciowe. Ogólne wymagania i badania.