Szelektivitás az elektromos védelemben — megszakítók idő-áram koordinációja

Szelektivitás az elektromos védelemben: megszakítók idő‑áram koordinációja, kioldási görbék, Ipeak, I²T és rövidzárlati viselkedés optimalizálása a megbízható védelmi selektivitásért.

A szelektivitás (megkülönböztetés) elve egy elektromos hálózatban azt jelenti, hogy a hiba bekövetkeztekor csak a hiba közvetlen közelében lévő védelmi készülék működjön ki, míg a hálózat többi része üzemképes marad. A szelektivitás vizsgálata több megszakító jellemzőjének összevetésén alapul: ezek közé tartoznak az idő–áram (kioldási) görbék (I–t), az átbocsátási csúcsáram (Ipeak vagy Ipk), illetve az átbocsátási energia (I²t, „let‑through energy”). Emellett fontosak a megszakítók rövidzárlati szakítóképeségei (pl. Icu, Ics) és a gyártók által megadott koordinációs táblázatok és diagramok.

A gyártók műszaki kézikönyvei gyakran megadják a maximálisan elérhető szelektivitási szinteket két sorba kapcsolt megszakító esetén, különböző rövidzárlati feltételekre vonatkozóan. Ezek az adatok lehetővé teszik, hogy a tervező eldöntse: két adott készülék mellett várhatóan teljes szelektivitás (azaz az upstream/eszköz nem lép működésbe), részleges szelektivitás (az upstream késleltetetten lép működésbe) vagy semmilyen szelektivitás nem biztosítható.

A szelektivitás növelhető két fő módon:

• Időbeli koordináció (time grading): a felső (upstream) megszakító kioldási idejét meghatározott mértékben késleltetjük ahhoz képest, hogy az alsó (downstream) megszakító biztosan korábban kioldjon. Ezt mechanikus időzítéssel vagy elektronikus beállítással lehet elérni.
• Áramerősség szerinti/energia alapú koordináció: a felső megszakító pillanatnyi vagy rövid idejű kioldási szintjét olyan értékre állítjuk, hogy ne működjön olyan hibánál, amelyet az alsó megszakító képes kezelni. Füzősszel és biztosítékoknál az I²t értékek szerinti koordináció (energy grading) gyakran döntő: egy kisebb I²t értékű olvadóbiztosíték „kikoppan”, míg a nagyobb energiaelviselésű felső készülék zárva marad.

A szelektivitás akkor is biztosítható, ha a felső megszakító rövidzárlati megszakítási kapacitása meghaladja a következő (alsó) megszakítóénál várható rövidzárlati behatásokat, feltéve, hogy a felső nem szabad kioldania a megadott rövidzárlati áram alatt. Gyakran a gyártói koordinációs görbék megadják, hogy két megszakító kombinációjával mekkora maximális rövidzárlati áramig garantálható a szelektivitás.

Mi történik hibakor a rendszerben? A hiba bekövetkeztekor a teljes hálózat, valamint a kapcsoló- és védelmi eszközök impedanciája határozza meg a rövidzárlati áram alakját és nagyságát. A felső vonalakon lévő impedancia (beleértve a transzformátorokat, vezetékeket és a felső megszakítót) csökkenti a hibaáramot, illetve ha a felső eszköz „nem nyit ki” azonnal, a hálózaton átfolyó áram a downstream készülék működéséig fennmarad. Fontos megkülönböztetni a csúcsáramot (Ipeak, az első félperiódus csúcsa) és az átbocsátott energia (I²t), mivel a különböző eszközök más-más jellemzőre érzékenyek:

• Ipeak: befolyásolja az első pillanatban fellépő mechanikai és elektromos igénybevételt (pl. kontaktoknál, mechanikánál).
• I²t: fontos az olvadóbiztosítékok és a hőterhelés szempontjából; ez határozza meg, hogy a készülékek mennyi energia elviselésére képesek anélkül, hogy meghibásodnának.

Szelektivitás fajtái (röviden):

• Teljes szelektivitás: a felső megszakító egyáltalán nem működik ki a megadott hiba esetén; az alsó készülék teljes mértékben elhárítja a hibát.
• Részleges szelektivitás: a felső megszakító szintén kioldhat, de késleltetetten; az eredmény az, hogy a hiba lokálisan megszűnik, de egy rövid időre a felső blokk is érintett lehet.
• Nincs szelektivitás: a felső készülék azonnal működik, így nagyobb hálózati terület válik feszültségmentessé.

Milyen eszközökkel növelhető a szelektivitás? Több technika áll rendelkezésre, például:

• időzített kioldások és beállítható rövid idő/intermittáló tartományok a megszakítók elektronikus vezérlésén,
• azonos jellegű, de külön beállítható elektronikus kioldó egységek alkalmazása,
• energia‑alapú koordináció biztosíték + megszakító kombinációk esetén (I²t összehasonlítás),
• zóna szelektív interlock (ZSI) és egyéb kommunikációs alapú megoldások, amelyek lehetővé teszik, hogy a felső készülék csak akkor nyisson, ha a hibát nem távolította el az alsó eszköz,
• differenciál‑ vagy relévédelem a nagyobb rendszereknél.

Műszaki és gyakorlati megfontolások — tervezéskor figyelembe kell venni:

• a rendszer rövidzárlati (prospektív) áramát és annak X/R arányát (az Ipeak nagyságát jelentősen befolyásolja),
• a megszakítók és biztosítékok gyártói görbéit és koordinációs adatlapjait; soha ne hagyatkozzunk csak névleges értékekre, használjuk a részletes I–t és I²t görbéket,
• a szabványokat és számítási módszereket (pl. IEC 60909 rövidzárlati számítások, IEC 60947‑2 megszakítókra vonatkozó előírások),
• a beállítási tartalékot és biztonsági peremet (a gyakorlatban mindig hagyni kell elegendő idő- és áramrést a megbízható szelektivitáshoz),
• az íves hibaenergia és az arc‑flash kockázat csökkentésének követelményeit: egyes megoldások (pl. gyorsabb kioltás az alsó szinten) csökkentik az ívenergiát, ami fontos személyzetvédelem szempontjából.

Egyszerű példaszerű szemléltetés: ha egy alsó megszakító pillanatnyi (instantaneous) kioldása 5 kA-nél lép be, akkor ahhoz, hogy a felső készülék ne működjön, annak instant beállítása nagyobbnak kell lennie (például >5 kA), vagy a felső készülék rövid időkörének letiltása/kitolása szükséges addig, amíg az alsó eszköz ki nem kapcsol. Alternatív megoldás, hogy az alsó eszköz olyan gyorsan törje az áramot, hogy az upstream készülék késleltetve, vagy egyáltalán ne érzékelje a hibára reagálás szükségességét. A pontos számokat mindig a gyártói karakterisztikák és a hálózati számítások alapján kell meghatározni.

Ajánlások tervezőknek és üzemeltetőknek:

• használjon gyártói koordinációs táblákat és szoftvereket a szelektivitási vizsgálathoz,
• ellenőrizze mind az I–t, mind az I²t jellemzőket, különösen biztosítékok és olvadók kombinációjánál,
• számolja ki a prospektív rövidzárlati áramokat IEC 60909 szerint, és vegye figyelembe a rendszer impedanciáit,
• tervezzen biztonsági peremet az idő- és árambeállításoknál, és dokumentálja a beállításokat és a koordinációs vizsgálatokat,
• szükség esetén alkalmazzon kommunikációs alapú koordinációt (pl. ZSI), illetve használjon relés koordinációt a nagy komplexitású rendszereknél,
• végezzen üzempróbákat és rendszeres felülvizsgálatot, különös tekintettel a beállítások és a karbantartás változásaira.

Összefoglalva: a szelektivitás biztosítása alapos tervezést, a megszakítók és biztosítékok jellemzőinek részletes összehasonlítását, valamint gyakran idő- vagy energia‑alapú beállításokat igényel. A gyártói koordinációs adatok, a rövidzárlati számítások és a megfelelő biztonsági margók betartása alapfeltétele a megbízható és biztonságos szelektív védelemnek.

Keresés betűvel