O wyłączniku nadmiarowo-prądowym cz.1

Z wyłącznikami nadmiarowo-prądowymi – zwanymi również nadprądowymi – do czynienia miał prawie każdy. Stacjonują w skrzynce rozdzielczej w większości współczesnych mieszkań i domów (jest jeszcze masa mieszkań z bezpiecznikami ceramicznymi (wkręcanymi), ale myślę, że należą już one do mniejszości). Gdy w domu „jest prąd” zazwyczaj nikt się nimi nie interesuje. Po co zawracać sobie tym głowę, gdy wszystko jest w porządku?
Mało tego, nawet gdy coś się wydarzy i wyłącznik nadprądowy zadziała (popularnie mówi się, że „wybije bezpiecznik”), najczęstszą reakcją jest próba jego załączenia i jeśli po tej czynności wszystko działa, myśli o wyłączniku nadprądowym znów uciekają w najdalsze zakątki umysłu. Taki jego los 🙂 .

Bywają jednak sytuacje, gdy warto byłoby wiedzieć dlaczego wyłącznik zadziałał, jak on funkcjonuje. Być może wyłączenia następują zbyt często w Twoim domu? Albo myślisz o dołożeniu małej rozdzielnicy na strychu/w garażu i nie wiesz czym się różnią między sobą wyłączniki, jakie powinny mieć parametry dla Twojego rozwiązania? A może po prostu masz pęd do wiedzy, chcesz wiedzieć o czym do Ciebie mówi elektryk lub zżera Cię ciekawość?

Nie wnikając już dalej w motywy, w tej części artykułu dowiesz się:

• Do czego służy wyłącznik (przed czym chroni)
• Jak zbudowany jest wyłącznik nadmiarowo-prądowy
• Jak podpiąć wyłącznik
• Jakie są parametry i rodzaje wyłączników
• Co to jest charakterystyka wyłącznika i jaką charakterystykę posiadają standardowe wyłączniki
• W jaki sposób odczytać charakterystykę wyłącznika

W kolejnej części artykułu przeprowadzę szereg testów. Sprawdzę dla różnych poziomów natężenia prądu szybkość zadziałania wyłączników o różnych charakterystykach i przekonam się czy zadziałały w momencie w którym zadziałać powinny. Ruszamy!

Przeznaczenie wyłącznika

Wyłącznik nadmiarowo-prądowy służy do:

1. Zabezpieczania przewodów przed uszkodzeniem wywołanym płynącym prądem elektrycznym o zbyt dużym natężeniu.
   Każdy przewód ma określoną, maksymalną wartość natężenia prądu jaka może przez niego płynąć długotrwale bez ryzyka jego uszkodzenia. Jeśli ta wartość zostanie przekroczona, temperatura przewodu może się zwiększyć do niebezpiecznego poziomu. Ma to związek z tym, że przewód posiada swój opór elektryczny. Znikomy bo znikomy, lecz im większy prąd przez niego płynie tym większa moc „odłoży się” na przewodzie w postaci ciepła (jeśli chcesz wiedzieć z czego to wynika, zajrzyj do artykułu o napięciu 230V).
   

   Idąc dalej, jeśli temperatura przewodu będzie się utrzymywać przez pewien czas na zbyt wysokim poziomie, jego izolacja zacznie tracić swoje właściwości izolacyjnie (rezystancja będzie się zmniejszać), a następnie może zacząć się topić. A stąd już niedaleko do nieszczęścia.
   Wyłącznik nadmiarowo-prądowy o właściwych parametrach dla danego przewodu, zabezpieczy przed taką sytuacją i wyłączy w odpowiednim czasie napięcie w obwodzie. Szybkość zadziałania w przypadku wykrycia tzw. przeciążenia termicznego jest zależna od ilości płynącego przez wyłącznik prądu i waha się w granicach od ok. 0,2 sekundy do 2 godzin.

2. Zabezpieczania przewodów i urządzeń przed skutkami spowodowanymi zwarciem w obwodzie elektrycznym. Zwarcie czyli prąd o bardzo dużym natężeniu, który może popłynąć w domowej instalacji elektrycznej, gdy pomiędzy przewodem fazowym, a przewodem neutralnym jest bardzo mały opór (np. gdy przewód fazowy z neutralnym zostaną połączone).
   W przypadku wykrycia zwarcia, wyłącznik nadprądowy musi zadziałać bardzo szybko tj. w czasie krótszym niż 30 milisekund.

Więcej o wykrywaniu zwarć i przeciążeń termicznych poniżej, w rozdziale o charakterystyce wyłącznika.

Do czego nie służy wyłącznik nadprądowy

Wyłącznik nadmiarowo-prądowy nie służy do zabezpieczenia człowieka przed porażeniem prądem elektrycznym (w trakcie rażenia też nie pomoże). Natężenia prądów przy których wyłącznik instalacyjny (nawet najmniejszy) zadziała w ułamku sekundy są absolutnie zabójcze dla przedstawicieli ludzkiego gatunku (więcej o bezpiecznych natężeniach prądu znajdziesz tutaj). Do ochrony przed porażeniem służy wyłącznik różnicowo-prądowy, któremu poświęcony będzie osobny artykuł.

Budowa wyłącznika

Powyższe zdjęcia prezentują wyłącznik z kilku stron:

1. Wyłącznik posiada dwa złącza śrubowe znajdujące się w jego górnej i dolnej części do przykręcenia przewodu zasilającego i odpływu (do gniazdek, lamp itp.).
   W części centralnej znajduje się ruchomy element (przełącznik), którego można ustawić w dwóch pozycjach. Na tym rysunku wyłącznik jest w pozycji OFF czyli zasilanie z odpływem nie są połączone.
   Pod przełącznikiem znajduje się szereg oznaczeń definiujących parametry wyłącznika.
   

   Pomiędzy ruchomym elementem, a górną śrubką widać kawałek przeźroczystego plastiku, który można odsunąć lub otworzyć w celu wprowadzenia małej karteczki z opisem lub symbolem wyłącznika.

2. Ten rysunek różni się od nr 1 jedynie pozycją przełącznika. Zauważ, że pozycja OFF jest oznaczona na zielono, a pozycja ON ma kolor czerwony. Można by pomyśleć, że powinno być na odwrót. Wszystko jednak ma swoje uzasadnienie. Kolor zielony oznacza brak napięcia na odpływie, czyli stan bezpieczny dla instalatora, a kolor czerwony oznacza: w gniazdku jest napięcie, więc niczego nie dotykaj 🙂 .
3. Rzut okiem na złącze śrubowe. Dokręcając śrubę, metalowy element znajdujący się poniżej podnosi się, ostatecznie dociskając przewód do górnej części otworu (zaprezentowane jest to w rozdziale „Podpięcie wyłącznika”).
4. Od tyłu wyłącznika widać wyżłobienie charakterystyczne dla elementów mocowanych na szynie DIN (TS35). Plastikowy, biały element z małym otworem w dolnej części to zatrzask przytrzymujący wyłącznik na szynie DIN. Aby zdjąć wyłącznik z szyny, należy wsunąć we wspomniany otwór mały płaski śrubokręt i z wyczuciem pociągnąć w dół (zaprezentuję tą operację, w artykule omawiającym skrzynkę rozdzielczą).

No dobrze. Tak wygląda wyłącznik instalacyjny na zewnątrz. A co takiego posiada w środku? Wewnątrz wyłącznika znajdują się dwa tzw. wyzwalacze:

• Elektromagnetyczny – odpowiada za zadziałanie wyłącznika w przypadku wykrycia zwarcia w obwodzie elektrycznym. Jest to wyzwalacz bezzwłoczny czyli natychmiastowy.
• Termiczny – odpowiada za zadziałanie wyłącznika w przypadku długotrwałego przekroczenia prądu znamionowego wyłącznika. Jak już wspomniałem wcześniej szybkość jego zadziałania jest zależna od tego jak bardzo zostało przekroczone natężenie prądu.

Jeśli jesteś zainteresowany elementami z jakich składa się wyłącznik instalacyjny, zerknij chociażby na wiki.

Podpięcie wyłącznika

Podpięcie wyłącznika nadprądowego jest podobne do podłączenia wyłącznika światła (artykuł). Inne jest oczywiście umiejscowienie i funkcjonalność wyłącznika natomiast idea pozostaje ta sama.

Do wyłącznika nadmiarowo-prądowego podpinamy przewody fazowe. Po jednej stronie zasilanie, a po drugiej odpływ. Wyłącznik łącząc/rozłączając przewód fazowy podaje/zdejmuje potencjał elektryczny z elementów podpiętych do wyłącznika.

Powyższy schemat to najprostsze możliwe rozwiązanie. Jedno gniazdko dla jednego wyłącznika. Zwykle gniazdek (lub innych elementów elektrycznych), które są chronione przez jeden wyłącznik jest znacznie więcej. Jak wtedy wygląda podłączenie?

Przewody danego typu są połączone ze sobą w gniazdku (pokazałem to w artykule opisującym wymianę gniazdka elektrycznego) lub innym elemencie np. w lampie. W ten sposób „podając fazę” (załączając wyłącznik) uzyskujemy potencjał elektryczny we wszystkich gniazdkach.

Trochę praktyki

Schematy schematami, ale ostatecznie trzeba wziąć śrubokręt w rękę i przymocować przewody do wyłącznika.

Rozpocznijmy od ściągnięcia izolacji z końcówki przewodu. Ściągnięta izolacja powinna być odpowiedniej długości. Zbyt krótka izolacja ściągnięta z końcówki to po pierwsze mniejsza powierzchnia styku wyłącznika z przewodem, a po drugie ryzyko przykręcenia do wyłącznika izolacji zamiast gołego przewodu. Poprawna długość końcówki: 10-12 mm.

Druga rzecz to wsunięcie przewodu w odpowiednie miejsce. Przewód musi się znajdować pomiędzy ruchomym zaciskiem, a górnym elementem otworu. Kwestia być może trywialna, ale najczęściej nie mamy widoku na wyłączniki tak jak na powyższych zdjęciach. Najczęściej na wyłącznik patrzymy od frontu, a wtedy nie widać zacisków i o pomyłkę wcale nie jest trudno.

Zaciski po obu stronach wyłącznika funkcjonują identycznie.

Wspomnę też o pewnym niuansie. Otóż podpięcie dwóch przewodów typu drut do wyłącznika jest jak najbardziej możliwe pod warunkiem, że oba przewody mają identyczny przekrój (np. 2.5mm2). Próba podłączenia przewodów o różnych przekrojach nie jest zalecana. Przewód „cieńszy” nawet jeśli zostanie po wielu próbach dociśnięty to istnieje możliwość, że w trakcie eksploatacji się poluźni. Na rysunkach powyżej podpiąłem dwa przewody: brązowy 2.5mm2 i czarny 1.5mm2. Po dokręceniu, przewód czarny po krótkich i delikatnych próbach wysunął się z – teoretycznie – dokręconego zacisku.

Parametry i rodzaje wyłączników

Na przednim panelu wyłącznika znajdziesz kilka oznaczeń definiujących parametry wyłącznika nadprądowego:

• C2 – najważniejszy parametr wyłącznika. Pierwsza litera, w tym przypadku „C”, definiuje charakterystykę wyłącznika (patrz następny rozdział), natomiast „2” to prąd znamionowy wyłącznika. Wartość natężenia prądu podana jest oczywiście w Amperach [A].
• ~230/400V – drugi najważniejszy parametr. Napięcie elektryczne do jakiego zaprojektowany jest wyłącznik. Wyłączniki zaprojektowane dla prądu przemiennego można również stosować w układach prądu stałego, jednak charakterystyki takiego wyłącznika dla prądu przemiennego i prądu stałego różnią się od siebie.
• 6000 w ramce – standardowa wartość, oznacza maksymalny prąd jaki może płynąć przez wyłącznik, żeby poprawnie zadziałał. 6000A to naprawdę spore natężenie prądu i w domowych warunkach uzyskanie takiej wartości nawet przy zwarciu jest praktycznie niemożliwe.
• 3 w ramce – klasa ograniczenia energii wywołanej zwarciem. Jest to najwyższa klasa i nie spotkałem się z wyłącznikami nadprądowymi, które posiadają klasę niższą.
• FAEL i S301 – producent i kod produktu (oznaczenie zależne od producenta).

Wyłączniki nadprądowe mogą być nie tylko pojedyncze (1P), ale mogą posiadać również 2, 3 lub 4 człony. Przełącznik dla wieloczłonowych wyłączników jest wspólny tj. możliwe są tylko dwa stany, wszystkie obwody podłączone do wyłącznika są załączone lub wszystkie obwody rozłączone. Ma to swój sens np. użycie 3-członowego wyłącznika dla urządzeń trójfazowych spowoduje, że gdy na jednym przewodzie fazowym zostanie wykryte zwarcie lub przeciążenie, całe urządzenie zostanie pozbawione napięcia.

Charakterystyka wyłącznika

Charakterystyka czasowo-prądowa czyli przedstawienie w formie wykresu szybkości zadziałania wyłącznika w zależności od natężenia prądu, który przez niego płynie. Wyłączniki nadprądowe posiadają 4 podstawowe charakterystyki, które różnią się od siebie natężeniem prądu przy którym zadziała wyzwalacz elektromagnetyczny (bezzwłoczny – szybki). Działanie wyzwalacza termicznego jest (a raczej powinno być) identyczne dla każdego typu instalacyjnego wyłącznika nadmiarowo-prądowego.

Każda charakterystyka posiada dwa progi natężenia prądu:

• Próg niezadziałania – Poniżej tego progu wyzwalacz wyłącznika nie zadziała. Przekroczenie tego progu może spowodować zadziałanie wyłącznika.
• Próg zadziałania – Powyżej tego progu wyzwalacz wyłącznika zadziała na 100%.

Źródło: hager.pl ; klik = +

No więc, czym różnią się od siebie charakterystyki? Progami zadziałania wyzwalacza elektromagnetycznego (szybkiego):

Charakterystyka A:
– próg niezadziałania – 2x prąd znamionowy wyłącznika (In)
– próg zadziałania – 3x prąd znamionowy wyłącznika (In)

Charakterystyka B:
– próg niezadziałania – 3x In
– próg zadziałania – 5x In

Charakterystyka C:
– próg niezadziałania – 5x In
– próg zadziałania – 10x In

Charakterystyka D:
– próg niezadziałania – 10x In
– próg zadziałania – 20x In

Na rysunku obok widać 4 charakterystyki (nie bądź przerażony tym widokiem, wszystko ma swój sens, dojdziemy do tego 🙂 ). Niebieskimi liniami zaznaczyłem obszar w którym działa wyzwalacz elektromagnetyczny. Natomiast czerwone linie wskazują obszar działania wyzwalacza termicznego.

Z powyższych danych można by było wywnioskować, że wyłącznik o charakterystyce A zadziała najwcześniej, a wyłącznik o charakterystyce D najpóźniej. Jak mawia klasyk: jest to prawda, ale nie do końca 🙂 .

Podczas załączania np. wiertarki, urządzenie to może w ułamku sekundy pobrać prąd o natężeniu będącemu wielokrotnością prądu znamionowego wyłącznika (tzw. prąd rozruchowy). Załóżmy, że posiadamy wyłącznik o prądzie znamionowym 10A, a w chwili rozruchu wiertarka pobiera 35A prądu. Natężenie to stanowi 3,5-krotność prądu znamionowego wyłącznika czyli:

• wyłącznik o ch-ce A na pewno zadziała
• wyłącznik o ch-ce B być może zadziała
• wyłączniki C i D na pewno NIE zadziałają

To był pierwszy przypadek. A co jeśli w układzie pojawi się zwarcie, którego natężenie może spokojnie przekroczyć 20-krotność prądu nominalnego wyłącznika? Wyłączniki bez względu na rodzaj charakterystyki „wylecą” jak jeden mąż. To jest bardzo ważne. W przypadku zwarcia nie ma różnych opóźnień zadziałania dla wyłączników nadprądowych różniących się jedynie charakterystyką.
Co to oznacza w praktyce? Jeśli w domu masz wyłącznik nadprądowy B16 (charakterystyka B, prąd nominalny 16A), a w skrzynce rozdzielczej dostawcy energii np. C20, to w przypadku powstania zwarcia w obwodzie nie ma możliwości określenia czy zadziała B16 czy C20 czy też oba naraz.

Charakterystykę wyłącznika dobiera się m.in. ze względu na obecność urządzeń, które pobierają przy rozruchu dużą ilość prądu. Wyłączniki o charakterystyce A stosowane są dla delikatnych urządzeń elektronicznych (konieczność szybkiej reakcji). Wyłączniki o charakterystyce C i D natomiast stosuje się, gdy do obwodu wpięte są silniki, które przy rozruchu pobierają duży lub bardzo duży prąd (wyłącznik wtedy nie może zadziałać ponieważ jest to normalny stan).

Jak odczytać charakterystykę

No to świetnie, powiesz. Pokazałeś gościu kilka dziwnych linii w dwóch kolorach i niby co to ma wszystko oznaczać?

Postaram się wszystko powoli wytłumaczyć. Najprościej będzie jeśli skupię się na pojedynczej charakterystyce. Niech to będzie najbardziej popularna w polskich domostwach charakterystyka B wyłącznika nadmiarowo-prądowego.
Przedstawiony wykres jest nieco bardziej dokładny niż ten z poprzedniego rozdziału.

Pierwszy fakt nt. charakterystyk. Obie skale wykresu są logarytmiczne. W tego typu skali odległość, przykładowo pomiędzy 1 i 2 jest różna od odległości pomiędzy 2 i 3. Spójrz na oś czasu na wykresie (pionową). Tam zachowana jest inna prawidłowość. Odległość pomiędzy 1 i 10 jest identyczna z odległością pomiędzy 10 i 100 i identyczna z odległością pomiędzy 100 i 1000.
Tego typu wykresy przygotowuje się, gdy trzeba na jednym rysunku zobrazować zarówno bardzo małe wartości jak i bardzo duże. W charakterystyce czasowo-prądowej dolna połowa wykresu pokazuje reakcję wyłącznika w ciągu pierwszych 5 sekund, a górna połowa pokazuje reakcję wyłącznika w czasie od 5 do 10000 sekund. I to jest właśnie moc skali logarytmicznej.

Druga sprawa to narysowane linie. Linia koloru zielonego wyznacza obszar niezadziałania wyłącznika. Oznacza to, że jeśli wyłącznik „znajduje się” w obszarze oznaczonym kolorem zielonym, to na pewno nie zadziała.
Linia koloru pomarańczowego wyznacza obszar zadziałania wyłącznika. Jeżeli wyłącznik „znajdzie się” w obszarze oznaczonym kolorem pomarańczowym, to na 100% zadziała.
Obszar pomiędzy obiema liniami jest niejednoznaczny. W tym obszarze wyłącznik może zadziałać, ale to nic pewnego.

Żeby wyjaśnić o co chodzi z obszarami, przedstawię poniżej kilka przykładów.

Przykład nr 1

Na pierwszy rzut pójdzie przykład niewielkiego przekroczenia prądu znamionowego wyłącznika. Załóżmy, że podpięliśmy do wyłącznika B4 czajnik elektryczny, który pobiera prąd o natężeniu 8A. Prąd nominalny wyłącznika zostanie zatem przekroczony dwukrotnie. Co się wtedy stanie?
Na charakterystyce dorysowałem kolejną, niebieską linię. Obrazuje ona  właśnie przypadek, gdy przez wyłącznik płynie prąd o wartości dwukrotnie przekraczającej prąd nominalny wyłącznika.

1. W chwili załączenia urządzenia znajdujemy się w punkcie A charakterystyki. Dlaczego? Ponieważ 2-krotnie przekroczony został prąd znamionowy wyłącznika (oś pozioma), a czajnik dopiero co został załączony tj. minęła zaledwie 1 milisekunda (0.001 – oś pionowa).
   Ten punkt znajduje się w obszarze niezadziałania czyli wyłącznik pozostał załączony.
2. Po dwóch sekundach od załączenia czajnika docieramy do punktu B. Żadna linia charakterystyki nie została przekroczona więc wyłącznik wciąż jest załączony (napięcie jest podawane).
3. Po 20 sekundach (patrzysz na oś pionową) linia niebieska krzyżuje się z zieloną (punkt C). W tym momencie opuszczamy obszar niezadziałania wyłącznika i wkraczamy w obszar „wyłącznik być może zadziała ale wcale nie musi”. Oznacza to, że przekraczając dwukrotnie nominalny prąd wyłącznika, jego najwcześniejszej reakcji możemy się spodziewać dopiero po 20 sekundach. Podsumowując obszar warunkowego zadziałania, od 20 do 140 sekundy (punkt D) wyłącznik jedynie ma prawo zadziałać.
4. Po ok. 140 sekundach od załączenia urządzenia natrafiamy na linię pomarańczową (punkt D). Po jej przekroczeniu wchodzimy w obszar zadziałania co nie oznacza nic innego jak fakt, że wyłącznik (a konkretnie jego wyzwalacz termiczny) zadziałać musi .

Przykład nr 2

W przykładzie drugim do czajnika dokładamy duży toster i oto przez wyłącznik zaczyna płynąć prąd 16A czyli 4-krotnie przekraczający jego prąd nominalny (4A).

1. Punkt A charakterystyki podobnie jak w poprzednim przykładzie znajduje się na samym dole wykresu. Urządzenia dopiero co zostały załączone (0.001s), a prąd jest przekroczony 4 krotnie. Jest to obszar niezadziałania więc nic się nie dzieje.
2. Po ok. 0.01 sekundy od pojawienia się takiego prądu w obwodzie (punkt B), zostaje przekroczona linia niezadziałania i w tej chwili wyłącznik może zadziałać (a konkretnie wyzwalacz elektromagnetyczny), ale nie musi. Wyłącznik wkroczył w obszar warunkowego zadziałania.
3. Mijają cenne sekundy, wyzwalacz elektromagnetyczny jednak nie zadziałał i oto znajdujemy się w punkcie C (po 5 sekundach). W tym miejscu przekroczona zostaje linia, ale wyłącznik wciąż tylko może zadziałać. Przekroczenie tej linii jedynie oznacza, że od tego momentu oprócz wyzwalacza elektromagnetycznego, może też zadziałać wyzwalacz termiczny.
4. Po ok. 20 sekundach przekraczamy linię pomarańczową (punkt D) i wyłącznik już bezwzględnie się wyłącza.

Przykład nr 3

Tutaj już nie będziemy się patyczkować. Toster się przegrzał, izolacja przewodów w jego wnętrzu stopiła się i nastąpiło zwarcie. Teraz w obwodzie płynie prąd o natężeniu 40A. W przypadku naszego wyłącznika oznaczonego symbolem B4 oznacza to, że prąd znamionowy został przekroczony 10-krotnie.

1. Punkt A – pojawiło się zwarcie w obwodzie. Jest to standardowo obszar niezadziałania wyłącznika.
2. Punkt B – po ok. 8 milisekundach (0.008s) wyłącznik wkracza w obszar warunkowego zadziałania. Już teraz może odciąć napięcie w obwodzie.
3. Punkt C – po 20 milisekundach (0.02s) zostaje przekroczona linia pomarańczowa. Wyzwalacz elektromagnetyczny powoduje bezwzględne zadziałanie wyłącznika.

Podsumowanie przykładów

W zależności od natężenia prądu płynącego w obwodzie, wyłącznik może zadziałać w ułamku sekundy, ale może też zadziałać na przestrzeni minut, a nawet godzin.

Gdy przyjrzysz się charakterystyce zauważysz, aby wyłącznik kiedykolwiek miał możliwość zadziałania, jego prąd znamionowy musi być przekroczony o 13% (1,13 na wykresie). Natomiast jeśli chcemy być pewni zadziałania wyłącznika, w obwodzie musi płynąć prąd o minimum 45% większy od znamionowego (1,45).
Łatwo policzyć, że jeśli przez, standardowo używany w obwodach oświetleniowych, wyłącznik B10 będzie płynął prąd o natężeniu 11A to wyłącznik ani drgnie, nigdy. A żeby być pewnym jego zadziałania, musi popłynąć przez niego prąd o natężeniu minimum 14,5A.

Finito

I to by było na tyle w tym odcinku. Mam nadzieję, że opisałem działanie wyłącznika nadmiarowo-prądowego w sposób przystępny. Jeśli artykuł jest dla Ciebie niezrozumiały lub widzisz jakieś braki lub błędy, podziel się tym proszę w komentarzu. W innym przypadku również zachęcam do komentowania i klikania 'lubię to’ (sorry za brak innych przycisków wyrażających stan emocjonalny).

W kolejnej części będę się pastwił nad wyłącznikami B2 i C2 w celu sprawdzenia czy charakterystyki mają cokolwiek wspólnego z rzeczywistością 🙂 . Zapraszam!