Ylivirtasuojaus. Selektiivisyys

Transkriptio

1 Ylivirtasuojaus Johdot täytyy standardien mukaan varustaa normaalitapauksessa ylivirtasuojilla, jotka estävät johtojen liiallisen lämpenemisen. Ylivirtasuojaa ei kuitenkaan saa käyttää jos virran katkaisu osoittautuu vaarallisemmaksi kuin johtimien lämpeneminen. Esim. nolla-suoja- ja maadoitusjohtimessa ei saa olla ylivirtasuojaa. Suojalaitteiden on toimittava sellaisilla virroilla, jännitteillä ja sellaisessa ajassa, jotka ovat sopivia, kun otetaan huomioon virtapiirien ominaisuudet ja vaaratekijöiden esiintymismahdollisuudet. Ylivirtasuojat jaetaan ylikuormitus- ja oikosulkusuojiin. Yleensä sama laite ei ole hyvä kummassakin, vaan käytetään kummassakin suojauksessa omaansa eli vaikkapa sulaketta sekä moottorinsuojakatkaisijaa. Oikosulkusuojaa käytetään oikosulkuvirtojen katkaisuun. Sen tulee katkaista mahdollisimman nopeasti sekä sillä täytyy olla suuri katkaisukyky. Normaalisti oikosulkusuoja alkaa toimia vasta niin suurella ylivirralla, ettei se suojaa johtoa ylikuormitukselta. Yleisimpiä oikosulkusuojia ovat sulakkeet sekä releiden ohjaamat katkaisijat. Ylikuormitussuojan tehtävänä on suojata johtoa normaalia kuormitusvirtaa suuremmilta ylikuormitusvirroilta ja katkaisee virran vasta kun johdon lämpötila on ylittämässä sallitun arvon. Yleisin ylikuormitussuoja on moottorinsuojakytkin. Selektiivisyys Selektiivisyydellä pyritään rajaamaan sähköverkon vikatilanteesta aiheutuvat häiriöt mahdollisimman pienelle alueelle, ts. irroittamaan mahdollisimman pieni osa verkosta, jolloin kuitenkin muu osa verkosta on normaalissa käytössä. Esimerkiksi, kun kytkettynä on parikin katkaisijaa peräkkäin, ne ovat selektiivisiä, kun vikakohtaa lähimpänä oleva katkaisija toimii. Katkaisijoiden selektiivisyyttä voidaan selvittää toiminta-aikakäyriä vertaamalla. Eli virta-aikakoordinaatistoon laitetaan esimerkiksi peräkkäisten katkaisijoiden toiminta-aikakäyrät, josta niiden leikkauspisteen selvittämällä saadaan selektiivisyysraja, jos ne eivät leikkaa toisiaan on toiminta selektiivistä. Helpointa on kuitenkin tutkia valmistajien julkaisemia taulukoita ja valita valmistajien suositusten mukaan. Selektiivisyys on riippuvainen vikavirran koosta ja sitä merkitäänkin yksiköllä ka. Sulakkeiden selektiivisyyttä puolestaan voidaan tarkastella sulamisaikakäyristä. Kun nämä sulamiskäyrät eroavat toisistaan, ne ovat selektiivisiä.

2 Tarkastellaan sulakkeen ja johdonsuojakatkaisijan keskinäistä selektiivisyyttä tapauksessa, jossa sulake on ennen johdonsuojakatkaisijaa Sulakesuojaus Sulake on sähkövirtapiirissä toimiva laite, jossa on metallilanka tai -nauha, jonka materiaali ja paksuus on valittu siten, että virran ylittäessä tietyn arvon metalli sulaa ja aiheuttaa virran katkeamisen. Tavallisissa mittaritauluissa käytetään sulakkeita ("proppuja"), joissa on kuumuutta kestävä posliinikuori; sulakelangan katkeaminen näkyy kuoren ulkopuolella olevan pienen värillisen levyn irtoamisesta. Vahvistimissa ym. elektronisissa laitteissa käytetään sulakkeita, joissa on umpinainen lasikuori. Sulakkeiden ominaisuuksia voidaan kuvailla seuraavilla suureilla: oikosulkuvirran katkaisukyky sulamiskäyrä nimellisjännite sekä virta Johdonsuojakatkaisija Johdonsuojakatkaisijaa eli automaattisulaketta käytetään sähköverkon suojaukseen. Sillä suojataan johdot, kaapelit ja laitteet. Johdonsuojakatkaisija katkaisee virtapiirin ylikuormitus- tai oikosulkutilanteessa ja estää näin suurempien vahinkojen synnyn. Niitä käytetään myös suojaukseen eristevioista aiheutuvilta liian korkeilta kosketusjännitteiltä. Johdonsuojakatkaisijat ovat virtaarajoittavia ja ne ovat varustettu magneettisella pikalaukaisulla sekä hidastetulla termisellä laukaisulla

3 Johdonsuojakatkaisijat luokitellaan useaan luokkaan niiden laukaisukäyrien perusteella. K, Z ja A ovat valmistajakohtaisia laukaisukäyriä. B-käyrä resistiivisille kuormille, lämmitykseen, valaistukseen C-käyrä kuten B, mutta lisäksi sekä lievästi induktiivisille ja kapasitiivisille kuormille. D-käyrä voimakkaasti induktiivisille ja kapasitiivisille kuormille, ovat tarkoitettu sovelluksiin, joilla on suurempi käynnistysvirtapiikki. K-laukaisukäyrä on kuten D-käyrä ja sitä käytetään kaapeli- ja laitesuojaukseen, kuten moottorit, muuntajat, automaatio. Valitaan moottorin nimellisvirran perusteella. Magneettisella laukaisulla moottorin käynnistysvirta ei aiheuta laukaisua. Voimakkaasti induktiiviset kuormat, moottorit, muuntajat, purkaussuurpainenatriumlamput, sähkötyökalut, hitsauskoneet Z- ja A-laukaisukäyrä on tarkoitettu puolijohteiden, tyristoreiden, diodien sekä jännite- ja mittamuuntajien suojaukseen kuin myös alhaisten kosketusvirtojen omaaviin, kuten ohjausvirtapiirit. Niiden valintaan vaikuttavat nimellisvirta (0,2-125A), katkaisukyky ja jännite. Nimellisjännite on normaalisti 400VAC ja suurin sallittu käyttöjännite 440VAC. Markkinoilta toki löytyy myös 690V:iin asti johdonsuojakatkaisijoita, mutta jännitteen kasvaessa on myös huomioitavaa katkaisukyvyn laskeminen. Laukaisukäyrä K hidas Laukaisukäyrä B Laukaisukäyrä C Johdonsuojakatkaisija ylikuormitussuojana Johdonsuojakatkaisijoiden käyttö ylikuormitussuojana on lisääntynyt voimakkaasti viime vuosina. Johdonsuojakatkaisijoita käytettäessä tulee ottaa huomioon muutamia eroavaisuuksia sulakkeisiin verrattuna. Johdonsuojakatkaisijan tehohäviöt ovat suuremmat kuin vastaavan kokoisen sulakkeen, Johdon suojakatkaisijat ovat rakenteeltaan kompakteja, eli ne mahtuvat pienempään tilaan. Tämän takia ryhmäkeskuksen lämpötila voi olla huomattavasti suurempi kuin vastaavan sulakekeskuksen, eteenkin jos keskukseen kuuluu useita suuresti kuormitettuja ryhmiä. Lämpötila vaikuttaa myös

4 johdonsuojakatkaisijoiden toiminta-arvoihin ja johtojen kuormitettavuuteen. Lähelle nimellisvirtaansa kuormitettuja ryhmiä ei tulisi asentaa aivan toistensa viereen. Tulppasulakkeet Tulppasulakkeet soveltuvat käytettäväksi ylikuormitussuojana sekä oikosulkusuojana. Tulppasulakkeen käyttöä oikosulkusuojana rajoittaa sen katkaisukyky. Yleisimmät tulppasulakkeet valmistetaan 500V nimellisjännitteelle. 500V tulppasulakkeiden katkaisukyky on standardin mukaisesti 20kA Alla oleva IEC- standardin minimivaatimustaulukko osoittaa että tulppasulakkeen katkaisukyky on olematon, vaikkakin Suomessa myytävien tulppasulakkeiden laukaisukyky on minivaatimustaulukon arvoja suurempi noin 20kA luokkaa. I 25 A,katk. kyky 4 ka 25 A < I 63 A,katk.kyky I > 63 A,katk. kyky 16 ka Kahvasulakkeet Kahvasulakkeet soveltuvat erittäin hyvin oikosulkusuojaksi niiden katkaisuominaisuuksien puolesta. Kahvasulakkeet valmistetaan yleisimmin 690V nimellisjännitteelle. Kahvasulakkeiden katkaisukyky on vähintään 50kA, mikäli valmista ei ole ilmoittanut suurempaa nimelliskatkaisukykyä. Katkaisualue ja käyttöluokka Sulakkeiden katkaisualue ja käyttöluokka ilmaistaan seuraavanlaisilla kirjainlyhenteillä: g a G M R soveltuu oikosulku- ja ylikuormitussuojaksi sulake, tällaisen sulakkeen toiminta on taattu koko ylivirta-alueella ainoastaan oikosulkusuojaksi soveltuva sulake nopea sulake, soveltuu johtojen suojaukseen hidas sulake moottoripiirin suojaukseen soveltuva, kestää moottorien käynnistysvirtasysäykset erikoisnopea sulake, soveltuu tehopuolijohteiden suojaukseen Sulakkeen katkaisualuetta kuvataan kirjaimella g tai a:

5 g-sulakkeen katkaisukyky käsittää koko virta-alueen a-sulakkeen katkaisukyky käsittää tietyn osa-alueen Toinen kirjain osoittaa käyttöluokan. Tämä kirjain määrittelee tarkasti virta-aikaominaisuudet. Esimerkiksi: gg tarkoittaa yleiskäyttöön tarkoitettua sulaketta, jonka katkaisukyky käsittää koko virtaalueen gm tarkoittaa moottoripiirin suojasulaketta, jonka katkaisukyky käsittää koko virta-alueen am tarkoittaa moottoripiirin suojasulaketta, jonka katkaisukyky käsittää virran tietyn osaalueen Ylikuormitussuojaus sulakkeilla Sulakkeilla ylempi sulamisrajavirta on virta, jolla sulake toimii varmasti. Yleensä se on suurempi kuin 1,45 kertaa sulakkeen nimellisvirta. Tällöin ylikuormitussuojaa ei voi valita suoraan johtimen kuormituksen mukaan, vaan mitoituksessa on käytettävä kaavaa: k * In 1,45 * Iz In Iz k on suojalaitteen nimellisvirta johtimen jatkuva kuormitettavuus sulakkeen ylemmän sulamisrajavirran ja sulakkeen nimellisvirran suhde D-tyypin tulppasulakkeilla k= 2,1 kun In 4A => In 0,69 * Iz 1,9 kun 4A < In 10A => In 0,76 * Iz 1,75 kun 10A < In 25A => In 0,82 * Iz 1,6 kun In > 25A => In 0,90 * Iz gg-tyypin sulakkeilla k= 2,1 kun In 4A => In 0,69 * Iz 1,9 kun 4A < In 10A => In 0,76 * Iz 1,6 kun In 16A => In 0,90 * Iz Esimerkki: Johdon korjauskertoimilla tarkistettu kuormitettavuus on 26A. Ylikuormitussuojaukseen käytetään gg-sulakkeita. Ratkaistaan sulakkeen suurin sallittu nimellisvirta: k-arvo=1,6 Iz=26A In=? Edellä esitetystä kaavasta saadaan In < (1,45/1,6) * 26A=23,5A Joten ylikuormitussuojaus voidaan toteuttaa 20A gg-sulakkeella.

6 Eroavaisuudet sulakkeettomaan järjestelmään Sulakkeiden suurin toimintarajavirta ei ole yhtä lähellä nimellisvirtaa kuin johdonsuojaautomaateilla tai muilla katkaisijoilla. Sulake tarvitsee vanhoja L- ja U-tyypin suojia lukuun ottamatta aina johdolta enemmän kuormitettavuutta kuin johdonsuoja. Sulakkeeton suojaus Katkaisijan valinta Keskeisiä turvallisuuteen ja hintaan vaikuttavia seikkoja ovat nimellisvirran ja releasettelun ohella oikea katkaisukyky. Sitä varten on laskettava katkaisijan sijainnissa esiintyvä suurin oikosulkuvirran arvo. Kompaktikatkaisijat Kompaktikatkaisijat ovat muovirunkoisia ja eristettyjä. Niitä käytetään pääkatkaisijoina, moottorilähdöissä sekä kaapelisuojauksessa. Ne ovat ilmakatkaisijoita pienempiä sekä suorituskyvyltään vaatimattomampia. Yleensä ne täyttävät pääkytkinvaatimukset, mutta pienempien runkojen kohdalla on tämä vaatimuskelpoisuus tarkistettava valmistajalta. Niiden virranrajoitusominaisuudet vaihtelevat ns. nollapistekatkaisijoista virtaarajoittaviin. Katkaisukyky suurenee virranrajoituskyvyn parantuessa.

7 Niiden jännitekesto on enimmillään 690VAC, nimellisvirta A ja napaluku 3 tai 4. Katkaisukyky valitaan esiintyvän oikosulkuvirran perusteella. Katkaisukyvyt vaihtelevat kA:n välillä. Asennustapoja ovat: kiinteät, ulosotettavat ja ulosvedettävät. Alle 125 A:n katkaisijat sisältävät mallista riippuen kiinteän tai säädettävän termomagneettisen releen. 250 A:n rele on säädettävä ja uusimmissa yli 400 A:n katkaisijoissa on prosessoripohjaiset releet. Näiden lisävarusteita ovat työvirta- ja jännitekelat, apu- ja hälytyskoskettimet, moottoriohjaimet sekä ovivääntimet. Ilmakatkaisijat Ilmakatkaisijat ovat joko muovi- tai metallirunkoisia. Niitä käytetään pääkatkaisijoina teollisuudessa ja liikekiinteistöissä silloin kun vaaditaan suurta mekaanista ja sähköistä luotettavuutta. Virranrajoitusominaisuuksiltaan ilmakatkaisijat ovat nollapistekatkaisijoita. Käytettäessä virtaarajoittavaa katkaisijaa voidaan pienentää kojeiston dynaamista rasitusta, kun sitä käytetään suurilla oikosulkuvirroilla haluttaessa rajoittaa sen huippuarvoa. Nimellisjännite on enintään 690V, 1000V:n malleja on myös saatavilla, ja nimellisvirta A. Katkaisukyvyt liikkuvat kA:n välillä ja niiden asennustapoja ovat kiinteä ja ulosvedettävä. Ilmakatkaisijoissa on täysin elektroniset releet, joten se mahdollistaa laajat säätöalueet. Vikavirtasuojakytkin Vikavirtasuojakytkimellä tarkoitetaan automaattisesti toimivaa suojalaitetta. Sen toiminta voi olla joko verkkojännitteestä riippumatonta tai siitä riippuvaista. Yleensä se ei tarvitse apujännitettä vaan laukaisee jousivoimalla. Vikavirtasuojaa käytetään vikatapauksissa esiintyvien liian korkeiden kosketusjännitteiden suojaukseen sekä vaarallisia vuotovirtoja vastaan, se antaa myös hyvän suojan ihmisruumiin kautta kulkevaa maasulkua vastaan. Kytkin alkaa toimia kun vikavirta ylittää nimellisarvonsa. Vikavirtasuojakytkintä voidaan käyttää kaikissa maadoitetuissa verkoissa. Pienimmällä virralla, jolla kytkimen täytyy toimia, sanotaan vikavirraksi. Vikavirtasuojakytkin valvoo sähkölaitteeseen tulevan ja siitä poistuvan virran määrää. Niin kauan kuin nämä määrät ovat yhtä suuria, sähkövirta pääsee kulkemaan esteettä. Mikäli sähkövirrasta siirtyy osa vikavirtana maahan, havaitsee vikavirtasuojakytkin tällöin eron sisään tulevan ja poistuvan virtamäärän välillä.

8 Moottorinsuojakytkin Moottorinsuojakytkintä käytetään ylikuormitus- ja oikosulkusuojauksessa. Moottorinsuojakytkin on katkaisuominaisuuksiltaan oikosulkuvirtaa rajoittava. Kytkintä suunniteltaessa on huomioitava moottorin käynnistyksessä tapahtuva virtasysäyksen suuruus (8-12*In) sekä kiihdytysvaiheen aikana vaikuttava virran suuruus (5..7-kertainen), jonka kesto on useita sekunteja. Moottorisuojauksessa käytetään standardin mukaisia koordinaatioluokkia 1 ja 2, joihin kojevalinnat perustuvat. Suojauskoordinaatio huomioi katkaisijan, kontaktorin ja lämpöreleen yhteensopivuuden. Koordinaatio- ja kojevalintataulukot ovat valmistajakohtaisia. Erot sulakkeelliseen järjestelmään Sulakkeettomassa suojauksessa on hyviä sekä huonoja puolia: +kaksinapainen katkaisu +täysin kauko-ohjattava +kytkettävissä uudelleen käyttöön vian jälkeen +turvallinen käyttää +hälytysten saanti helppoa +runsaat lisävarustelumahdollisuudet -katkaisukyky laskee jännitteen nousun myötä -moottorinsuojauksessa kustannukset kasvavat jännitteen noustessa -täydellinen selektiivisyys on hankala toteuttaa -vaatii perehtyneisyyttä suunnittelijalta Lähteet: Osa kuvista ja kuvateksteistä ovat kopioitu ABB:n internet sivustolta Sekä joitakin kuvia on kopioitu Erkki Ruppan opiskelijamateriaalista