Slabosti talilnih varovalk izvirajo predvsem iz naslednjih dejstev:

• Ob napaki jih je treba zamenjati, kar običajno pomeni določen čas brez napajanja;
• Težje nastavljanje I–t preobremenitvene karakteristike, ki je odvisna od fizikalnih procesov v talilnem elementu.

Prednosti in slabosti odklopnikov

Primerjava odklopnikov po istih merilih:

• Varnost:
  • Možnost natančnega nastavljanja časovno-tokovne karakteristike;
  • Sicer dovolj visoka stopnja omejevanja toka, vendar pogosto na račun gospodarnosti.
• Zanesljivost:
  • Res je, da sodobne konstrukcijske rešitve zagotavljajo visoko zanesljivost, vendar se s časom oziroma s številom izklopov lastnosti vsakega odklopnika postopno slabšajo.
• Kakovost:
  • Enako velja za kakovost.
• Pestrosti uporabe:
  • Zelo široka možnost uporabe na NN, SN in VN nivojih;
  • Uporaba elektronike v sprožilnih sklopih povečuje uporabnost.
• Gospodarnost:
  • Gospodarnost se kaže predvsem v kratkih časih ponovne vzpostavitve delovanja;
  • Močnostni odklopniki prinašajo tudi veliko razliko v ceni izdelka.

Slabosti odklopnikov se kažejo predvsem v naslednjih dejstvih:

• Pri izklopu pride do izpusta ioniziranih plinov, kar lahko povzroči različne posledice v stikalni omari;
• S številom kratkostičnih izklopov odklopnik postopno izgublja svoje tehnične lastnosti.

2. DELOVANJE VAROVALK PRI KRATKEM STIKU

Delovanje varovalk pri kratkem stiku lahko prikažemo s časovno-tokovno karakteristiko. Območje od nazivnega toka In do približno 4–8-kratnika nazivne vrednosti imenujemo območje preobremenitve. Območje višjih kratkostičnih tokov pa imenujemo kratkostično območje. (Slika 1)

Za taljenje oslabljenih mest talilnega elementa (Slika 2) je potreben ustrezno visok tok, ki v določenem časovnem intervalu (glede na karakteristiko) dovede dovolj energije za utekočinjenje in uparitev kovine na oslabljenih mestih.
Oznaka Ip označuje pričakovani kratkostični tok, tj. tok, ki bi tekel skozi vezje, če bi bila varovalka premoščena. Zelo pomembna specifikacija vsake varovalke je njena prekinilna zmogljivost.
Kaj pomeni pojem »prekinilna zmogljivost«?
To je lastnost varovalke, da v natančno določenih pogojih vedno pravilno in varno prekine (odreže) električno vezje, brez neželenih posledic. Natančno definirani pogoji so opisani z naslednjimi mejami:

• najvišji in najnižji pričakovani kratkostični tok,
• oblika in frekvenca toka,
• cosφ (za AC), časovna konstanta L/R (za DC),
• vrednost povratne napetosti.

Kaj pomeni pojem »omejevanje toka«?
Varovalka izpolni funkcijo omejevanja toka takrat, ko ob pojavu kratkega stika bistveno omeji naraščanje toka do njegovega vrha, tj. ko tok prekine, še preden trenutna vrednost doseže maksimalni vrh.
To je grafično prikazano na Sliki 3. Učinek omejevanja kratkostičnega toka nastopi, ko obločna napetost preseže napetost omrežja, s čimer trenutna vrednost toka začne hitro padati proti nič. Najvišja trenutna (momentna) vrednost toka se imenuje odrezni tok (uporablja se tudi izraz prehodni tok).

Celoten izklopni proces lahko razdelimo na fazo taljenja in fazo obloka.
Spodnje slike (4 do 8) prikazujejo potek napetosti od začetka kratkega stika do končne prekinitve toka.
Faza taljenja:

• Slika 4: Začetek kratkega stika; jakost toka je ponazorjena s širino rumene črte;
• Slika 5: Trenutna vrednost kratkostičnega toka narašča, vendar dovod energije še ni dovolj velik, da bi se oslabljena mesta talilnega elementa stalila;
• Slika 6: Tok doseže vrednost, pri kateri je dovod energije zadosten za taljenje oslabelih mest; faza taljenja se zaključi in začne se
  Faza obloka: zanjo je značilno hitro naraščanje obločne napetosti na talilnem elementu (označeno z modro), ki nastane v oblokih na posameznih oslabitvah.
• Slika 7: Faza obloka je v polnem teku; posamezni obloki se v kremenčevem pesku hladijo, trenutna vrednost toka pada proti nič;
• Slika 8: Tok je prekinjen, obloki so ugasnjeni, vzpostavi se povratna napetost, enaka napetosti omrežja. Pogled na prekinjeni talilni element je na slikah 9 in 10.

Za poenostavljeno razumevanje delovanja varovalke pri kratkem stiku je koristno poznati dve tokovni vrednosti:

• I1: največja prekinilna zmogljivost (za NV talilne vložke 120 kA)
• I2: kritični tok (za NV talilne vložke 1 kA in 5 kA)

Prekinitev pri toku I1:
Vsa oslabljena mesta se prekinejo skoraj sočasno (»primarni razpad«). Pojavijo se t. i. parcialni obloki po celotni dolžini oslabitev;
na vsakem oslabljene mestu nastane obločna napetost 150–200 V. Nivo obločne napetosti je odvisen od:

• pogojev odvajanja toplote v okolni kremenčev pesek: boljši pogoji → nižja temperatura obloka → višja obločna napetost;
• jakosti toka: večji tok → višja obločna napetost;
• dolžine obločnega kanala: daljši kanal → višja obločna napetost;
• preseka obločnega kanala: ožji kanal → višja obločna napetost.

Oscilogram toka in napetosti pri prekinitvi z I1 je prikazan na Sliki 11.

Vrednost integrala I²t = 24.630 A²s (celotni integral, toplotni impulz). Za pojav je značilna zelo kratka faza taljenja in hitro naraščanje obločne napetosti.

Prekinitev pri toku I2:
Oslabljena mesta se prekinjajo posamično, in sicer navadno v eni točki (»razpad zaradi izgorevanja elektrod«).
Na vsakem oslabljene mestu najprej nastane zelo kratek parcialni oblok, ki nato zaradi izgorevanja elektrod »potuje«; oblok se širi s konstantno hitrostjo.
Hitrost uparjanja talilnega elementa je 10- do 1000-krat manjša kot pri primarnem razpadu.

Oscilogram prekinitve pri toku I2 je prikazan na Sliki 12.

Največja obločna napetost je višja od vršne vrednosti napetosti omrežja, naraščanje obločne napetosti pa je bistveno počasnejše. Vrednost integrala I²t = 62.239 A²s; faza taljenja je daljša, faza obloka je daljša.

3. SELEKTIVNOST SERIJSKO VEZANIH VAROVALK:

Selektivnost je zagotovljena, kadar je oranžno področje večje od modrega. To pomeni, da je talilni integral predhodne varovalke večji od skupnega integrala zaporedno vgrajene varovalke. Dejstvo je, da so varovalke selektivne, če je razmerje nazivne vrednosti tokov večje od 1 : 1,6.

3.1. Prekinilno delo

Prekinilno delo predstavlja električno energijo, ki v električnem vezju nastane in se v obloku pretvori v toplotno energijo (ki jo absorbira kremenčev pesek).

Prekinilno delo je najmanj enako potencialni elektromagnetni energiji. Povečuje se sorazmerno z razmerjem čas obloka : čas taljenja.

Prekinilni impulz označuje celotno toplotno energijo, preneseno v električno vezje. Za posamezne dele se pogosto uporabljajo izrazi: talilni integral, obločni integral, skupni integral.

4. DELOVANJE ODKLOPNIKA PRI KRATKEM STIKU

Na spodnjih slikah je shematsko prikazan odklopnik ter ustrezen oscilogram poteka toka in napetosti. Kontaktno-obločna komora je prikazana modelno, po obliki in izvedbi podobno realnim odklopnikom. Sprožilni sistem je predstavljen kot tuljava elektromagnetnega sprožilnika, ki s silo F deluje na gibljivi kontakt v smeri odpiranja.

Slika 15: Čas t₀: čas mehanske zakasnitve: Začne teči kratkostični tok, vendar je sila F še prešibka, da bi sprožila odpiranje kontaktov; napetost na odklopniku U je zelo nizka in predstavlja padec napetosti na priključni upornosti; zaskočni mehanizem je že sproščen, a zaradi mehanskih zakasnitev so kontakti še zaprti.

Slika 16: Čas t₁: začetek obločne faze med kontakti: Tok doseže vrednost, pri kateri sila F že začne odpirati gibljivi kontakt.

Slika 17: Čas t₁: konec začetne obločne faze med kontakti: Kontakti so toliko razprti, da se oblok pojavi natanko med kontaktnima točkama; dejanska razdalja je 1–2 mm; napetost na sponkah se poveča za vrednost obločne napetosti, ki je še nizka (10–20 V).

Slika 18: Čas t_r: oblok pod vplivom Lorentzove sile začne potovati proti obločni komori; spodnji točki obloka se premikata po gibljivem in fiksnem kontaktu, ki je podaljšan v obločno letev. Obločna napetost narašča.

Slika 19: Ob koncu faze t_r spodnja noga obloka preskoči na drugo obločno letev, začne se potovalna faza proti obločni komori. Obločna napetost zelo hitro narašča.

Slika 20: Faza razdelitve obloka med plošče obločne komore. Obločna napetost preseže napetost omrežja, začne se faza omejevanja toka.

Slika 21: Faza vzdrževanja visoke obločne napetosti in s tem omejevanja kratkostičnega toka. Med ploščami obločne komore se vzdržujejo posamezni parcialni obloki. Nivo obločne napetosti je odvisen od števila plošč v obločni komori. Mehanizem vzpostavitve obločne napetosti v paketu plošč je opisan spodaj.

Slika 22: Trenutek ugasnitve obloka in prekinitve toka.

Mehanizem vzpostavitve obločne napetosti v odklopnikih

Električni oblok je samostojen termični plinski razelektritveni pojav, ki nastane pri odpiranju kontaktov, skozi katere teče tok. Sestavljajo ga plazemski stolpec ter katodni in anodni padec. (Rieder: Plasma und Lichtbogen, 1967) Slika 23 prikazuje zelo idealizirano predstavitev obloka.

Obločni stolpec, ki gori v ohišjih stikal, kjer so pod tlakom prisotni različni plini ali hlapi, je v bistvu plazma v termičnem ravnovesju. To pomeni, da so temperature elektronov, ionov in nevtralnih delcev približno enake. Glavne nosilce toka predstavljajo elektroni, ki so bolj gibčni kot ioni.

Katoda zagotavlja elektrone, potrebne za tok skozi oblok, v območju anode pa nastajajo ioni. Porazdelitev napetosti med elektrodama zato ni linearna, temveč v bližini elektrod nastaneta t. i. katodni in anod­ni napetostni padec. Na sam obločni stolpec odpade manjši del napetosti. Vsota vseh treh vrednosti je obločna napetost, ki znaša približno 20 V.

Dejanska oblika obloka je v veliki meri določena s konstrukcijskimi značilnostmi stikalne naprave in praviloma bistveno odstopa od opisane idealizirane oblike.

Kako se vzpostavi visoka obločna napetost?

Z razdelitvijo električnega obloka na več t. i. parcialnih oblokov se seštejejo posamezne obločne napetosti in doseže potreben nivo obločne napetosti, ki skupaj s padcem napetosti na odklopniku predstavlja dovolj visoko napetost na njegovih sponkah, da se zagotovi omejevanje kratkostičnega toka.

V praksi se uporabljajo obločne komore z 12–13 (pločevinastimi) ploščami, kar pomeni, da v njih nastane 13–14 parcialnih oblokov. Posledično obločna napetost v komori odločilno prispeva k omejevanju kratkostičnega toka.

Če se vrnemo k oscilogramu toka in napetosti, vidimo, da je nivo obločne napetosti pretežno neodvisen od velikosti pričakovanega kratkostičnega toka, kar pomeni, da se s povečevanjem kratkostičnega toka povečuje tudi skupni integral.

Po drugi strani pa skupni integral zelo zavisi od trajanja zakasnitev. Skupaj to pomeni: čim prej se vzpostavi dovolj visoka obločna napetost, tem manjši bo skupni integral. Torej velikost skupnega integrala pri odklopniku v veliki meri zavisi od mehanskih sposobnosti mehanizma in od zasnove obločne komore s kontakti.

5. DELOVANJE SERIJSKO VEZANIH VAROVALK IN ODKLOPNIKOV

Primerjava delovanja varovalk in odklopnikov pri kratkem stiku, zlasti pri naraščajočih pričakovanih kratkostičnih tokovih, kaže naslednje značilnosti:

• Varovalka:
  • Vrednost integrala se zmanjšuje od vrednosti pri kritičnem toku I2 do vrednosti pri I1.
• Odklopnik:
  • Vrednost skupnega integrala linearno narašča do največjega toka prekinilne zmogljivosti.

To je razvidno iz diagrama na Sliki 25, kjer je prikazana primerjava varovalke in odklopnika.

6. SELEKTIVNOST VAROVALK IN ODKLOPNIKOV

Na naslednji sliki (Slika 26) je primer sheme z zaporedno varovalko 100 A in za njo vgrajenim inštalacijskim odklopnikom z nazivnim tokom 63 A. Za ugotavljanje selektivnosti potrebujemo podatke o integralih varovalke in odklopnika, ki jih vnesemo v diagram, podoben tistemu na Sliki 25.

Prekinilno delo: enaka definicija kot za varovalke v točki 3.1; gre za toplotno energijo, sproščeno v odklopniku.
Prekinilni impulz: pri inštalacijskih odklopnikih izraz »talilni integral« ni uporabljen; poznamo le skupni integral.

Na Sliki 26 lahko seveda predvidimo tudi druge ustrezne kombinacije, npr. naz. tok serijske varovalke gG 50 A in naz. tok inštalacijskega odklopnika B20 A.

Kako beremo pogoje selektivnosti?
Najprej poiščemo presečišče krivulje talilnega integrala izbrane varovalke in krivulje skupnega integrala za inštalacijski odklopnik. Z vezavo presečišča na os pričakovanega kratkostičnega toka dobimo dve območji.

• Območje 1: skupni integral inštalacijskega odklopnika je manjši od talilnega integrala varovalke – selektivnost je zagotovljena;
• Območje 2: skupni integral inštalacijskega odklopnika je večji od talilnega integrala varovalke – selektivnost ni absolutno zagotovljena; v takem primeru bosta delovala oba zaščitna elementa.

7. DIAGRAM ODREZNIH TOKOV

Dejstvo je, da imajo tako varovalke kot odklopniki sposobnost omejiti kratkostični tok še preden ta doseže vršno vrednost, ki bi lahko povzročila poškodbe v inštalaciji. Spodnja Slika 28 prikazuje diagram odreznih tokov kot način prikaza teh podatkov.

Zakaj je pomembno kratkostični tok čim bolj omejiti?
Ker prevelik odrezni (prehodni) tok povzroča prevelike dinamične obremenitve vseh elementov inštalacije, skozi katere teče. Slika 28 prikazuje primer za NV talilne varovalke, podobni diagrami obstajajo tudi za inštalacijske odklopnike, le z drugačnimi vrednostmi.

Iz diagrama lahko razberemo vrednost odreznega toka pri pričakovanem kratkostičnem toku z efektivno (r.m.s.) vrednostjo 20 kA. Največja vrednost odreznega toka znaša 5 kA, kadar uporabimo NV talilni vložek z nazivnim tokom 63 A. Enako se lahko uporabi tudi diagram za inštalacijske odklopnike.

8. ZAKLJUČEK

Na podlagi ugotovitev v prispevku lahko zaključimo, da je za optimalno zaščito v pogojih visokih kratkostičnih tokov v inštalacijah treba izkoristiti dobre lastnosti tako varovalk (talilnih varovalk) kot odklopnikov.
Poleg tega je zelo pomembno dobro poznati specifične lastnosti posameznih odklopnikov, ki so – kljub standardizaciji na tem področju – lahko od proizvajalca do proizvajalca precej različne. Od obeh zaščitnih naprav (varovalke in odklopniki) pričakujemo:

• kolikor mogoče nizek skupni integral, s čimer zmanjšamo toplotne obremenitve inštalacije;
• kolikor mogoče nizke odrezne tokove, s čimer zmanjšamo dinamične obremenitve inštalacije.

9. VIRI:

• Rieder, Plasma und Lichtbogen, 1967
• H. Johan, Elektrische Schmelzsicherungen für Niederspannung, Springer-Verlag 1982
• M. Lindmayer, Schaltgeräte, 1987
• IEC 60269
• IEC 60898
• Koprivšek, Novosti v elektroinštalacijah – talilne varovalke in odklopniki, Radenci 1998
• ZVEI, Niederspannungssicherungen
• ETI d.d., Izlake, tehnični podatki za inštalacijske odklopnike in talilne varovalke