Zaščita pred kratkimi stiki v enosmernih (DC) tokokrogih v pogojih visokih kratkostičnih tokov

Zaščita pred kratkim stikom v enosmernih (DC) tokokrogih

Avtorji: Viktor MARTINČIČ, dipl. inž., ETI Elektroelement
Mitja KOPRIVŠEK, mag. el. teh., ETI Elektroelement
Branko PESAN, dipl. inž., ETI Elektroelement

Povzetek:

Pomen uporabe varovalk kot zaščitnih elementov v DC-tokokrogih se je v zadnjem času povečal. Članek obravnava nekaj teoretičnih izhodišč in pojasnil osnovnih pojmov v DC-tokokrogih. Nadalje so opisane nekatere najpogostejše aplikacije, kjer konvencionalna zaščita pred kratkim stikom ni zadostna in so potrebne posebne zahteve načrtovalcev ali kupcev. Poleg svetovnih trendov na tem področju so predstavljeni tudi nekateri novi izdelki ETI, razviti za DC-tokokroge.

1. UVOD – TEORIJA

Ker so DC-varovalke v zadnjem času vse pomembnejše, si bomo pobliže ogledali stanje na področju zaščite pred kratkim stikom v DC-tokokrogih.
Varovalke so univerzalni zaščitni element za AC in DC tokokroge. Zmožnost prekinitve kratkega stika je seveda različna za AC in DC pogoje delovanja. Ne obstaja univerzalna formula, s katero bi na podlagi največje dovoljene AC-napetosti varovalke določili najvišjo nazivno DC-napetost. Za pravilno uporabo varovalk v DC-tokokrogih moramo poznati nekatere osnovne informacije o načelu njihovega delovanja.

Časovno-tokovne in druge karakteristike močnostnih varovalk so običajno objavljene v proizvodnih katalogih. Osredotočajo se na AC-nazivnosti za frekvenco 50 Hz (včasih tudi 60 Hz). Napetost te frekvence se najpogosteje uporablja v javnem in industrijskem elektroenergetskem napajanju.

DC-varovalke so se uporabljale tudi v preteklosti, predvsem v nizkonapetostnih in nizkomočnostnih tokokrogih (npr. zabavna elektronika, zaščita pred kratkim stikom v vozilih). Seveda so na trgu znane tudi običajne aplikacije DC-varovalk, kot so zaščita elektromotorjev v vlečnih vozilih (lokomotive in tramvaji), elektromagneti ter tovorna vozila z akumulatorskim napajanjem (viličarji). Spodaj je primer varovalke za viličar:

OSNOVE DC TOKOKROGA

Osnovna shema DC-tokokroga je prikazana na sliki na naslednji strani. DC-vir, tuljava z induktivnostjo L in upor z upornostjo R so zaporedno vezani v varovan tokokrog.

Če pride do napake – kratkega stika, tok v tokokrogu eksponentno narašča, kot je prikazano na grafu A. Matematično lahko naraščanje toka v tokokrogu zapišemo z naslednjo enačbo:

i = I_A • (1 − e^−(L/R)t)

Vrednost razpoložljivega toka I_A, ki ga običajno imenujemo pričakovani tok I_P, je določena po Ohmovem zakonu I_A = U/R, vrednost L/R = Τ pa je časovna konstanta. Zgornja enačba kaže vpliv konstante L/R na čas taljenja, kjer velja

di/dt = U/L = I_A / Τ

Zato velja: večja kot je časovna konstanta L/R, manjše je di/dt in daljša je faza taljenja.

Graf B prikazuje, da zaradi manjše induktivnosti tok narašča hitreje, zato je čas taljenja krajši v primerjavi s pogoji na grafu C, kjer je prikazan primer naraščanja toka pri veliki časovni konstanti.

PODROČJA UPORABE IN DIMENZIJE

Nove prihajajoče tehnologije bodo zahtevale nova znanja o DC-tokokrogih. Nova in hitro razvijajoča se področja, na katerih se pričakuje večje povpraševanje po varovalkah, so:

sistemi neprekinjenega napajanja (UPS)
bazne postaje mobilnih telekomunikacij
fotovoltaični sistemi (sončne celice) – proizvodnja električne energije
električna vozila.

Večina novih aplikacij temelji na virih z omejenimi kratkostičnimi tokovi, za razliko od konvencionalnega DC-napajanja, ki DC-energijo pridobiva neposredno iz AC-omrežja (neomejeno), kar je prednost pri izbiri in dimenzioniranju DC-varovalk.

ANALIZA PREKINITVE DC KRATKEGA STIKA V RAZLIČNIH PODROČJIH

Ena osnovnih lastnosti varovalk je sposobnost ustvariti visoko obločno napetost v primeru kratkostičnega toka, ki preseže povratno napetost in prisili kratkostični tok, da se zniža na nič, namesto da bi nekontrolirano naraščal do pričakovane kratkostične vrednosti.

Oznake:
A Pričakovani kratkostični tok
B Povratna napetost

Splošno gledano so varovalke primerne za prekinitev AC in DC toka. V kratkostičnem območju (blizu nazivne prekinilne zmogljivosti) so fizikalni procesi v varovalki v obeh primerih enaki.

Pogoji v območju preobremenitve (nižji preobremenitveni tokovi) pa so za AC in DC tok povsem različni. Pri AC-toku periodično prečkanje ničle pomaga pri gašenju obloka, pri DC-toku pa mora varovalka ob prekinitvi absorbirati vso magnetno energijo, shranjeno v fazi obloka. Posledica je, da je DC-prekinilna zmogljivost obratno sorazmerna shranjeni magnetni energiji oziroma časovni konstanti tokokroga. Večja kot je časovna konstanta, manjša je DC-prekinilna zmogljivost. Običajno je nižja od AC-prekinilne zmogljivosti.

Nizkonapetostne močnostne varovalke (predvsem za industrijske aplikacije, glej standard IEC 60269-2, izd. 3, 11/2006) imajo najmanjšo prekinilno zmogljivost 50 kA AC in 25 kA DC.

Vrednost DC-prekinilne zmogljivosti je določena na podlagi časovne konstante 15 ms, kar ustreza večini industrijskih bremen in krmilnih tokokrogov. Prekinilna zmogljivost varovalke pri večjih časovnih konstantah (npr. pri velikih DC-motorjih) se ustrezno zniža – derating. Seveda pa se v tokokrogih, kjer ni pričakovati večje induktivnosti (akumulatorsko napajanje), lahko pričakuje večja prekinilna zmogljivost.

DC-prekinilno zmogljivost varovalke je zato vedno treba obravnavati v povezavi s trenutno časovno konstanto tokokroga.
Podrobne informacije navadno poda proizvajalec varovalk ali pa se določijo s preizkusi. Tipične časovne konstante za nekatere najpogostejše aplikacije so navedene v spodnji tabeli:

Aplikacija	Časovna konstanta (ms)
DC krmilni in močnostni tokokrogi z induktivnostmi	≤ 10
Akumulatorski viri in UPS sistemi	≤ 5
DC motorji in pogoni	20 do 40
Magneti in generatorji	več kot 1000

VPLIV ČASOVNE KONSTANTE NA I/t LASTNOSTI

Povprečne časovno-tokovne karakteristike, ki jih navaja proizvajalec, pomenijo efektivne (r.m.s.) srednje vrednosti fuzijskih tokov. Te lahko uporabimo tudi za DC. V praksi veljajo pri daljših časih prekinitve, npr. ko je čas taljenja daljši od 20-kratnika časovne konstante (nad 300–400 ms).
Pri prehodnih pojavih se trenutne in efektivne vrednosti lahko bistveno razlikujejo. Zato časovno-tokovne lastnosti zavisijo od časovne konstante (glej sliko na koncu tega poglavja).

NOV PROGRAM IZDELKOV ETI d.d.

Vodilni svetovni proizvajalci varovalk imajo širok nabor varovalk za uporabo v DC-tokokrogih. Čeprav v Evropi še niso tako razširjene, je področje najrazvitejše v ZDA. Posledično je bilo veliko DC-varovalk razvitih v dimenzijah, ki so v Evropi redkeje uporabljene. Nekaj primerov je prikazanih na spodnjih dveh slikah.

V ETI d.d. se zavedamo pomena DC-zaščite pred kratkim stikom. Področje je vse pomembnejše, zato smo razvili dve novi skupini varovalk v standardnih evropskih (IEC/DIN) dimenzijah – NV TELECOM in NV DC.

NV TELECOM

Ta tip varovalk je razvit posebej za DC-zaščito pred kratkim stikom in DC-napajanja v telekomunikacijski opremi. Varovalke so običajno povezane na izhode usmernikov, na priključke akumulatorjev ali na DC-napajanja.
Vse lastnosti varovalk NV TELECOM so prilagojene predvsem obratovalnim pogojem opreme za napajanje telekomunikacijskih naprav. Majhne izgube in nizka preklopna napetost omogočajo optimalno delovanje in zaščito tokokrogov v telekomunikacijskih inštalacijah in napravah. Varovalka ETI TELECOM NH00 z dopolnilno karakteristiko deluje v omejenem območju tokov, in sicer od določene minimalne vrednosti do nazivne prekinilne zmogljivosti. Odlikuje jo visoka prekinilna zmogljivost (25 kA DC), talilni element pa je iz čistega srebra, odpornega na staranje.
Varovalke NV TELECOM so bile na voljo le v standardni velikosti NV00 za napetosti do 80 V DC in nazivne tokove od 160 A do 800 A. Po IEC je največji dovoljeni tok v velikosti NV00 In = 160 A, največja dovoljena nazivna izgubljena moč pa Pn = 12 W (glej IEC 60269-2, izd. 3, 11/2006).
Varovalko je treba vgraditi v ustrezen ločilni nosilec. Zaradi nazivnih tokov do 800 A in izgub do 38 W je zelo pomembno, da ima podnožje NV ali ločilno stikalo prave dimenzije priključnih vodnikov in kontaktnih delov.
Potrebe trga so pokazale, da je pripravljena nova generacija NV TELECOM 170 V DC z nazivnim tokom 175 A. Zavedamo se, da moramo odgovarjati na specifične zahteve kupcev na področju specialnih varovalk, kar varovalke NV TELECOM nedvomno so. Pripravljeni smo razviti varovalke s posebnimi nazivnimi tokovi, ne le tiste iz spodnje tabele:

Vrsta indikatorja:
Standardni, na zgornjem pokrovu varovalke ali z udarnim zatičem indikatorja (več v katalogih ETI)

NV DC

Pri pridobivanju certifikatov so proizvajalci varovalk testirali predvsem AC-napetosti (400 V AC, 500 V AC ali 690 V AC). Zaradi omejitev stroškov in nizkega povpraševanja so bili testi na DC-napetostih izjema – običajno so bile 500-voltne varovalke deklarirane na 250 V DC.
Z razvojem novih aplikacij, kot so močnostna elektronika usmernikov, pretvorniki in frekvenčni pretvorniki, se je pojavila potreba po varovalkah, ki zmorejo prekiniti višje DC-napetosti. Na podlagi zahtev kupcev, ki so ugotovili, da običajne gG varovalke 500 V niso v celoti zadostne, je ETI razvil novo skupino varovalk NV DC z nazivno napetostjo 440 V.
Trenutno kupci zahtevajo varovalke z nazivnimi toki od 20 A do 250 A v standardnih velikostih NV00C, NV00, NV1C in NV1. V Energetskem laboratoriju Centra za energetsko merilno infrastrukturo v Mariboru (ICEM Maribor) smo izvedli večino kratkostičnih preizkusov pri pričakovanih kratkostičnih tokovih od 4.700 A do 12.100 A in časovni konstanti tokokroga 20 ms. Primer prekinitve ene od varovalk je prikazan na spodnjem oscilogramu. Pričakovani kratkostični tok je bil I_p = 4.720 A, vršni tok pri časovni konstanti 20 ms pa I_D = 2,48 kA.

Vrsta indikatorja:
Standardni, na zgornjem pokrovu varovalke ali z iglo indikatorja (več v katalogih ETI)

VIRI:

1. Dr. Herbert Bessei: Competence in circuit protection
2. FERRAZ – interna izobraževalna gradiva: Fuses for Direct Current Applications
3. ETI – interna izobraževalna gradiva in preizkusna poročila

Prikaz najpogostejših izbir

Internacionalno