Termobimetal paskowy czy krążkowy? Dwie koncepcje realizacji wyzwalacza przeciążeniowego w wyłącznikach nadprądowych MCB

Dla kogo jest ten artykuł?

Artykuł został przygotowany przede wszystkim z myślą o instalatorach, uczniach szkół technicznych oraz studentach kierunków związanych z elektrotechniką. Zagadnienia związane z wyzwalaczami przeciążeniowymi bywają często opisywane językiem naukowym lub konstrukcyjnym, dlatego w tym opracowaniu postaram się przedstawić je możliwie prostym językiem, bez rezygnowania z poprawności technicznej.

Czego dowiesz się z tego artykułu?

W praktyce można spotkać wyłączniki nadprądowe wykorzystujące różne rozwiązania konstrukcyjne do realizacji tej samej funkcji ochronnej. Dla wielu osób zaskakujące może być to, że dwa aparaty spełniające te same wymagania normowe mogą być zbudowane w odmienny sposób. Nie oznacza to jednak, że jedno rozwiązanie jest automatycznie lepsze od drugiego. Każda konstrukcja musi ostatecznie spełnić wymagania odpowiednich norm i zapewnić prawidłowe działanie zabezpieczenia.

W niniejszym artykule omówiłem dwa rozwiązania stosowane w wyłącznikach nadprądowych MCB firmy ETI. Przedstawiłem również podstawy działania termobimetalu, jego rolę w wykrywaniu przeciążeń oraz wpływ zjawisk cieplnych na charakterystykę działania wyłącznika. Dzięki temu łatwiej będzie zrozumieć, dlaczego pozornie podobne aparaty mogą wykorzystywać różne rozwiązania konstrukcyjne.

Jak wyłącznik nadprądowy rozpoznaje przeciążenie?

Aby zrozumieć różnice pomiędzy poszczególnymi konstrukcjami wyzwalaczy przeciążeniowych, warto najpierw przypomnieć podstawową zasadę działania wyłącznika nadprądowego.

Podczas normalnej pracy przez aparat przepływa prąd roboczy zasilający odbiorniki energii elektrycznej. Jeżeli wartość prądu zaczyna przekraczać wartość znamionową przez dłuższy czas, mamy do czynienia z przeciążeniem. Taka sytuacja nie powoduje natychmiastowego uszkodzenia instalacji, ale prowadzi do stopniowego wzrostu temperatury żył, zacisków oraz innych elementów przewodzących prąd.

W przeciwieństwie do zwarcia przeciążenie jest zjawiskiem rozwijającym się w czasie. Z tego powodu wyłącznik nadprądowy nie powinien reagować natychmiast na każdy wzrost prądu. Krótkotrwałe prądy rozruchowe silników, transformatorów czy zasilaczy są zjawiskiem normalnym i nie powinny powodować niepotrzebnych wyłączeń.

Aby odróżnić chwilowy wzrost prądu od rzeczywistego przeciążenia, producenci wykorzystują zjawiska cieplne. Im dłużej płynie podwyższony prąd, tym większa ilość ciepła zostaje wygenerowana wewnątrz aparatu. To właśnie wzrost temperatury jest informacją wykorzystywaną przez wyzwalacz przeciążeniowy do podjęcia decyzji o wyłączeniu obwodu.

Najczęściej spotykanym elementem realizującym tę funkcję jest termobimetal. W zależności od przyjętej konstrukcji może być on nagrzewany bezpośrednio przez przepływający prąd lub pośrednio przez element współpracujący z cewką wyzwalacza.

Na rysunku przedstawiono dwa różne podejścia do realizacji funkcji przeciążeniowej. W pierwszym rozwiązaniu termobimetal znajduje się bezpośrednio w torze prądowym i jest nagrzewany przez przepływający prąd. W drugim rozwiązaniu termobimetal nie przewodzi prądu obciążenia, a energia cieplna przekazywana jest do niego pośrednio z elementu współpracującego z cewką wyzwalacza.

Dla użytkownika najważniejsza jest świadomość, że oba rozwiązania realizują tę samą funkcję ochronną. Różnica dotyczy sposobu uzyskania informacji o przeciążeniu oraz sposobu przekazywania energii cieplnej do elementu odpowiedzialnego za wyzwolenie mechanizmu wyłącznika.

Jak działa wyzwalacz przeciążeniowy w wyłączniku nadprądowym MCB? Najważniejsze informacje

• wyzwalacz przeciążeniowy reaguje na skutki przepływu prądu, czyli wzrost temperatury,
• przeciążenie wymaga innego sposobu detekcji niż zwarcie,
• termobimetal jest najczęściej stosowanym elementem członu przeciążeniowego,
• różne konstrukcje wyzwalaczy mogą prowadzić do realizacji tej samej funkcji ochronnej.

Czym jest termobimetal i dlaczego wygina się pod wpływem temperatury?

Skoro wiemy już, że wyzwalacz przeciążeniowy wykorzystuje zjawiska cieplne, warto przyjrzeć się elementowi, który od wielu lat stanowi podstawę działania większości zabezpieczeń przeciążeniowych stosowanych w wyłącznikach nadprądowych.

Takim elementem jest termobimetal, nazywany również bimetalem lub elementem bimetalicznym.

W najprostszym ujęciu termobimetal składa się z dwóch różnych metali trwale połączonych ze sobą na całej długości. Kluczową cechą obu materiałów jest różny współczynnik rozszerzalności cieplnej. Oznacza to, że podczas wzrostu temperatury każdy z nich zwiększa swoje wymiary w innym stopniu.

Gdyby oba metale były oddzielnymi elementami, różnica ich wydłużeń nie miałaby większego znaczenia. Jednak po trwałym połączeniu tworzą one jeden wspólny element, który podczas nagrzewania nie może odkształcać się swobodnie. Efektem jest wygięcie całego termobimetalu.

To właśnie ta pozornie niewielka zmiana kształtu wykorzystywana jest do uruchomienia mechanizmu wyzwalającego wyłącznik nadprądowy.

Na rysunku przedstawiono uproszczoną zasadę działania termobimetalu. W temperaturze początkowej element pozostaje prosty. Wraz ze wzrostem temperatury jedna warstwa wydłuża się bardziej od drugiej, co powoduje wygięcie całego elementu.

Choć odkształcenia są stosunkowo niewielkie, są one wystarczające do uruchomienia odpowiednio zaprojektowanego mechanizmu wyzwalacza przeciążeniowego.

Termobimetal w wyłączniku nadprądowym, najważniejsze zasady działania

• termobimetal składa się z dwóch różnych metali trwale połączonych ze sobą,
• oba metale inaczej reagują na wzrost temperatury,
• różnica rozszerzalności cieplnej powoduje wygięcie elementu,
• zmiana kształtu termobimetalu może zostać wykorzystana do uruchomienia mechanizmu wyzwalającego,
• termobimetal reaguje na temperaturę, a nie bezpośrednio na wartość prądu.

Dlaczego wyłącznik nadprądowy nie reaguje wyłącznie na wartość prądu?

Dla instalatora najważniejszy jest fakt, że człon przeciążeniowy nie mierzy prądu w taki sposób, jak robi to miernik cęgowy lub analizator parametrów sieci. Wyzwalacz przeciążeniowy obserwuje skutki przepływu prądu, czyli powstające ciepło.

Dlatego czas zadziałania wyłącznika zależy nie tylko od wartości prądu, ale również od wielu czynników wpływających na proces nagrzewania i chłodzenia elementów znajdujących się wewnątrz aparatu.

Termobimetal paskowy i termobimetal krążkowy. Dwie drogi do realizacji wyzwalacza przeciążeniowego

Po zrozumieniu zasady działania termobimetalu łatwiej wyjaśnić różnice pomiędzy dwoma rozwiązaniami stosowanymi w wyłącznikach nadprądowych MCB.

W obu przypadkach zadanie jest identyczne. Należy wykryć przeciążenie obwodu i po odpowiednim czasie uruchomić mechanizm wyłączający. Różny jest natomiast sposób doprowadzenia energii cieplnej do elementu bimetalicznego.

W rozwiązaniu wykorzystującym termobimetal paskowy element bimetaliczny znajduje się bezpośrednio w torze prądowym. Oznacza to, że cały prąd obciążenia przepływa przez termobimetal, powodując jego bezpośrednie nagrzewanie.

Można powiedzieć, że element odpowiedzialny za pomiar skutków przeciążenia jest jednocześnie elementem, w którym powstaje ciepło.

W przypadku termobimetalu krążkowego podejście konstrukcyjne jest inne. Element bimetaliczny nie znajduje się bezpośrednio w głównym torze przepływu prądu obciążenia. Ciepło odpowiedzialne za jego działanie jest przekazywane pośrednio z innych elementów wyzwalacza. W praktyce energia cieplna powstaje między innymi w elementach współpracujących z cewką wyzwalacza elektromagnetycznego. Przepływający prąd powoduje tam wydzielanie ciepła, które następnie przekazywane jest do termobimetalu krążkowego i doprowadza do jego zadziałania.

W efekcie obie konstrukcje wykorzystują te same prawa fizyki, ale realizują funkcję przeciążeniową w inny sposób.

Czy wcześniejsze nagrzanie wyłącznika ma znaczenie?

Tak. Na działanie członu przeciążeniowego wpływa nie tylko aktualna wartość prądu, ale również stopień nagrzania elementów znajdujących się wewnątrz aparatu.

Jeżeli wyłącznik przez dłuższy czas pracował pod dużym obciążeniem, część energii cieplnej pozostaje w jego elementach jeszcze przez pewien czas po ustąpieniu przeciążenia. Zjawisko to określane jest jako pamięć cieplna.

W praktyce oznacza to, że wyłącznik po wcześniejszym nagrzaniu może zachowywać się nieco inaczej niż identyczny aparat znajdujący się całkowicie w temperaturze otoczenia. Z tego powodu producenci podczas projektowania i badań analizują nie tylko działanie wyłącznika po „zimnym starcie”, ale również jego zachowanie po wcześniejszych cyklach nagrzewania i chłodzenia.

Termobimetal paskowy i krążkowy, porównanie najważniejszych cech

Z punktu widzenia użytkownika najważniejszy jest nie rodzaj zastosowanego termobimetalu, lecz to, czy cały wyłącznik spełnia wymagania odpowiednich norm i zachowuje deklarowane parametry działania.

Termobimetal paskowy i krążkowy, najważniejsze różnice konstrukcyjne

• termobimetal paskowy jest nagrzewany bezpośrednio przez przepływający prąd,
• termobimetal krążkowy otrzymuje energię cieplną pośrednio,
• oba rozwiązania mają ten sam cel, czyli wykrycie przeciążenia,
• różnice konstrukcyjne nie oznaczają automatycznie różnic w poziomie bezpieczeństwa,
• niezależnie od konstrukcji aparat musi spełnić wymagania odpowiednich norm.

Czy jedno rozwiązanie jest lepsze od drugiego?

To jedno z najczęściej zadawanych pytań przy analizie budowy wyłączników nadprądowych.

Z technicznego punktu widzenia takie porównanie jest zbyt dużym uproszczeniem. O jakości i skuteczności wyłącznika nie decyduje pojedynczy element konstrukcyjny, lecz cały aparat oraz wyniki badań potwierdzających zgodność z wymaganiami norm.

Dlatego sama obecność termobimetalu paskowego lub krążkowego nie pozwala ocenić, który wyłącznik jest „lepszy”. Znacznie ważniejsze są parametry użytkowe gotowego wyrobu, jakość procesu produkcyjnego oraz zdolność producenta do zapewnienia powtarzalności parametrów wszystkich produkowanych aparatów.

Skąd bierze się ciepło powodujące zadziałanie wyzwalacza przeciążeniowego?

Aby lepiej zrozumieć działanie obu rozwiązań, warto przeanalizować proces powstawania i przepływu ciepła wewnątrz wyłącznika nadprądowego.

Każdy element przewodzący prąd elektryczny posiada określoną rezystancję. Jeżeli przez taki element płynie prąd, część energii elektrycznej zostaje zamieniona na ciepło. Zjawisko to jest powszechnie wykorzystywane w urządzeniach grzewczych, takich jak czajniki elektryczne, piece akumulacyjne czy grzałki.

Podobny proces zachodzi również w wyłącznikach nadprądowych. Różnica polega na tym, że w tym przypadku celem nie jest produkcja ciepła, lecz wykorzystanie jego powstawania do wykrywania przeciążenia obwodu.

W konstrukcjach wykorzystujących termobimetal paskowy źródłem ciepła jest sam element bimetaliczny znajdujący się w torze prądowym. Przepływający prąd powoduje jego nagrzewanie, a wzrost temperatury prowadzi do stopniowego odkształcania termobimetalu.

Kluczowe znaczenie ma przy tym zależność pomiędzy wartością prądu a ilością wydzielanego ciepła. Nie jest ona liniowa, co oznacza, że dwukrotny wzrost prądu nie powoduje dwukrotnie większego nagrzewania.

Jak pokazano na wykresie, ilość wydzielanej energii cieplnej rośnie proporcjonalnie do kwadratu prądu. Oznacza to, że nawet pozornie niewielki wzrost prądu może spowodować bardzo wyraźny wzrost temperatury elementów przewodzących.

Dla przykładu wzrost prądu do dwukrotności wartości znamionowej powoduje około czterokrotny wzrost mocy strat cieplnych. Przy trzykrotności prądu znamionowego ilość wydzielanego ciepła jest już około dziewięć razy większa niż podczas normalnej pracy.

To właśnie dzięki tej zależności możliwe jest skuteczne wykrywanie przeciążeń. Im większy prąd płynie przez aparat, tym szybciej rośnie temperatura elementów odpowiedzialnych za realizację funkcji przeciążeniowej.

Jak prąd wpływa na nagrzewanie wyłącznika nadprądowego? Kluczowe zależności

• przepływ prądu przez element o określonej rezystancji powoduje wydzielanie ciepła,
• ilość wydzielanego ciepła rośnie proporcjonalnie do kwadratu prądu,
• nawet stosunkowo niewielkie przeciążenie może znacząco zwiększyć tempo nagrzewania elementów wyłącznika,
• wzrost temperatury jest podstawą działania wyzwalacza przeciążeniowego.

Dlaczego wyłącznik nadprądowy wyłącza obwód z opóźnieniem?

Instalatorzy często spotykają się z sytuacją, w której wyłącznik nie wyłącza obwodu natychmiast po przekroczeniu prądu znamionowego. Jest to zachowanie całkowicie prawidłowe i wynika z fizyki procesu nagrzewania.

Człon przeciążeniowy potrzebuje czasu na zgromadzenie odpowiedniej ilości energii cieplnej. Im większe przeciążenie, tym szybciej wzrasta temperatura termobimetalu i tym krótszy jest czas potrzebny do zadziałania zabezpieczenia.

To właśnie dlatego charakterystyki czasowo-prądowe przedstawiane są jako zależność czasu wyłączenia od wartości płynącego prądu.

Dlaczego temperatura wpływa na działanie wyłącznika nadprądowego?

W praktyce analiza zjawisk cieplnych nie kończy się na zależności pomiędzy prądem a wydzielaną mocą. Równie istotny jest wpływ temperatury na właściwości materiałów wykorzystanych do budowy aparatu.

Większość metali stosowanych w aparatach elektrycznych zwiększa swoją rezystancję wraz ze wzrostem temperatury. Oznacza to, że ten sam element przewodzący może wykazywać inną rezystancję w temperaturze 20°C, a inną po znacznym nagrzaniu podczas pracy.

Przedstawiona zależność pokazuje, że wraz ze wzrostem temperatury wzrasta również rezystancja materiału przewodzącego. Zjawisko to jest jednym z elementów wpływających na sposób nagrzewania się aparatu podczas pracy.

Dla konstruktora wyłącznika oznacza to konieczność uwzględnienia nie tylko wartości płynącego prądu, ale również zmian właściwości materiałów wynikających z temperatury pracy.

W przypadku wyzwalaczy przeciążeniowych zagadnienie to ma szczególne znaczenie, ponieważ ich działanie jest bezpośrednio związane z procesami cieplnymi zachodzącymi wewnątrz aparatu.

Wpływ temperatury na pracę wyłącznika nadprądowego MCB

• rezystancja większości metali wzrasta wraz z temperaturą,
• proces nagrzewania wyłącznika zależy zarówno od wartości prądu, jak i temperatury elementów przewodzących,
• zjawiska cieplne mają istotny wpływ na działanie wyzwalacza przeciążeniowego,
• podczas projektowania wyłączników konieczne jest uwzględnienie zmian parametrów materiałów w różnych temperaturach pracy.

Jak opisać przepływ ciepła w wyłączniku nadprądowym?

Samo powstawanie ciepła nie wyjaśnia jeszcze w pełni działania wyzwalacza przeciążeniowego. Równie ważne jest zrozumienie, w jaki sposób energia cieplna przemieszcza się pomiędzy poszczególnymi elementami aparatu.

W praktyce część ciepła pozostaje w miejscu jego powstania, a część jest przekazywana do sąsiednich elementów. Proces ten wpływa na szybkość nagrzewania termobimetalu oraz czas zadziałania zabezpieczenia.

Z tego powodu podczas projektowania wyłączników nadprądowych producenci analizują nie tylko wartość wydzielanej mocy cieplnej, ale również drogi przepływu energii pomiędzy poszczególnymi komponentami.

Przedstawione modele pokazują różnice pomiędzy dwoma sposobami realizacji funkcji przeciążeniowej.

W rozwiązaniu wykorzystującym termobimetal paskowy źródło ciepła znajduje się bezpośrednio w samym termobimetalu. Przepływający prąd powoduje jego nagrzewanie, a wzrost temperatury prowadzi do odkształcenia elementu i zadziałania mechanizmu wyzwalającego.

W takim przypadku źródło ciepła oraz element wykonawczy pełniący funkcję detektora przeciążenia są ze sobą bezpośrednio związane.

Inaczej wygląda sytuacja w przypadku termobimetalu krążkowego. Źródło ciepła znajduje się w innym miejscu układu, a energia cieplna musi zostać przekazana do elementu bimetalicznego. Oznacza to, że w procesie nagrzewania uczestniczy większa liczba elementów, a przepływ energii odbywa się wieloetapowo.

Nie oznacza to jednak, że jedno rozwiązanie musi być dokładniejsze lub skuteczniejsze od drugiego. Ostateczne parametry aparatu zależą od całej konstrukcji i jej dostrojenia przez producenta.

Jak przepływ ciepła wpływa na działanie wyzwalacza przeciążeniowego?

• w obu rozwiązaniach wyzwolenie następuje wskutek wzrostu temperatury,
• różnica dotyczy miejsca powstawania ciepła i sposobu jego przekazywania,
• w termobimetalu paskowym źródło ciepła znajduje się bezpośrednio w elemencie bimetalicznym,
• w termobimetalu krążkowym energia cieplna jest przekazywana z innych elementów układu,
• oba rozwiązania mogą zostać zaprojektowane tak, aby spełniały te same wymagania normowe.

Czy budowa wewnętrzna wyłącznika pozwala ocenić jego jakość?

Podczas oglądania wnętrza wyłącznika nadprądowego łatwo skupić się wyłącznie na pojedynczych elementach konstrukcyjnych. Tymczasem o działaniu zabezpieczenia decyduje cały układ cieplny aparatu.

Z tego powodu ocena jakości wyłącznika jedynie na podstawie zdjęcia wnętrza może prowadzić do błędnych wniosków. Aby prawidłowo ocenić aparat, należy uwzględnić wszystkie elementy wpływające na proces nagrzewania, chłodzenia oraz wyzwalania mechanizmu.

Wpływ temperatury otoczenia i sąsiednich aparatów

Rozważając działanie wyzwalacza przeciążeniowego, łatwo założyć, że wyłącznik pracuje w warunkach laboratoryjnych, w stałej temperaturze i bez wpływu otoczenia. W rzeczywistości sytuacja wygląda zupełnie inaczej.

Wyłączniki nadprądowe najczęściej pracują w rozdzielnicach zawierających wiele innych aparatów elektrycznych. Każdy z nich wydziela pewną ilość ciepła, które wpływa na temperaturę otoczenia oraz temperaturę sąsiednich urządzeń.

Temperatura otoczenia stanowi jeden z czynników wpływających na temperaturę początkową elementów wyłącznika. Jeżeli aparat pracuje w podwyższonej temperaturze, termobimetal już przed wystąpieniem przeciążenia może być częściowo nagrzany.

Dodatkowo w aparatach wielobiegunowych oraz w rozdzielnicach o dużym stopniu zabudowy występuje wzajemne oddziaływanie cieplne sąsiednich torów prądowych i aparatów zabezpieczających. Ciepło wydzielane przez jeden element może wpływać na temperaturę kolejnych znajdujących się obok elementów.

Zjawiska te są dobrze znane producentom aparatury modułowej i są uwzględniane podczas projektowania oraz badań wyłączników nadprądowych.

Wpływ temperatury otoczenia i rozdzielnicy na działanie wyłącznika MCB

• temperatura otoczenia wpływa na warunki pracy wyłącznika nadprądowego,
• termobimetal reaguje na temperaturę, dlatego znaczenie ma również temperatura początkowa aparatu,
• sąsiednie aparaty mogą wzajemnie oddziaływać na siebie cieplnie,
• rzeczywiste warunki pracy wyłącznika nadprądowego różnią się od warunków laboratoryjnych,
• wpływ temperatury jest jednym z czynników uwzględnianych podczas badań aparatów.

Jak wiele czynników wpływa na charakterystykę czasowo-prądową wyłącznika nadprądowego?

Analizując zasadę działania wyzwalacza przeciążeniowego można odnieść wrażenie, że o zachowaniu wyłącznika nadprądowego decyduje wyłącznie termobimetal. W rzeczywistości jest on jedynie jednym z elementów całego układu odpowiedzialnego za wykrywanie przeciążenia.

Na czas zadziałania zabezpieczenia wpływają nie tylko właściwości samego termobimetalu, ale również sposób odprowadzania ciepła, konstrukcja aparatu, temperatura otoczenia, wzajemne oddziaływanie sąsiednich elementów oraz dokładność wykonania poszczególnych części.

Dla konstruktora wyłącznika oznacza to konieczność uwzględnienia wielu zjawisk występujących jednocześnie. Dopiero ich łączne oddziaływanie pozwala uzyskać wymaganą charakterystykę czasowo-prądową.

Czynniki wpływające na charakterystykę wyłącznika z termobimetalem paskowym

W konstrukcjach wykorzystujących termobimetal umieszczony bezpośrednio w torze prądowym szczególne znaczenie mają parametry elementów odpowiedzialnych za generowanie, przewodzenie i odprowadzanie ciepła.

Jak pokazano na grafice, na charakterystykę czasowo-prądową wpływać mogą między innymi:

• geometria termobimetalu,
• właściwości zastosowanych materiałów,
• rezystancja toru prądowego,
• jakość połączeń elektrycznych,
• temperatura otoczenia,
• warunki chłodzenia,
• wzajemne oddziaływanie sąsiednich biegunów,
• tolerancje produkcyjne,
• proces kalibracji aparatu.

Łatwo zauważyć, że część tych parametrów związana jest z elektryką, część z termiką, a część z mechaniką. Właśnie dlatego charakterystyki wyłączników nie są wynikiem działania pojedynczego elementu, lecz efektem współpracy całego układu.

Dlaczego nie można oceniać wyłącznika nadprądowego po jednym elemencie?

Często można spotkać się z próbami oceniania jakości wyłącznika nadprądowego wyłącznie na podstawie zdjęcia jego wnętrza lub wyglądu pojedynczych komponentów.

Takie podejście może prowadzić do błędnych wniosków. Nawet pozornie niewielkie różnice konstrukcyjne mogą być częścią świadomie zaprojektowanego rozwiązania, które po przeprowadzeniu wymaganych badań pozwala osiągnąć prawidłową charakterystykę działania.

Dlatego podczas oceny wyłącznika należy brać pod uwagę cały aparat, a nie tylko pojedynczy element jego konstrukcji.

Od czego zależy charakterystyka czasowo-prądowa wyłącznika nadprądowego?

• termobimetal jest ważnym, ale nie jedynym elementem wpływającym na działanie wyłącznika,
• na charakterystykę czasowo-prądową wpływają zarówno zjawiska elektryczne, cieplne, jak i mechaniczne,
• o właściwościach aparatu decyduje cała konstrukcja wyłącznika,
• podobny efekt ochronny można uzyskać różnymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi.

Czynniki wpływające na charakterystykę wyłącznika nadprądowego z termobimetalem krążkowym

Podobna sytuacja występuje w konstrukcjach wykorzystujących termobimetal krążkowy. Również tutaj ostateczna charakterystyka aparatu jest wynikiem współpracy wielu elementów.

Ze względu na odmienny sposób doprowadzania energii cieplnej pojawiają się jednak dodatkowe parametry związane z generowaniem, transportem i przekazywaniem ciepła do elementu bimetalicznego.

W takim rozwiązaniu istotne znaczenie mogą mieć między innymi:

• parametry cewki wyzwalacza,
• właściwości materiałów przewodzących i magnetycznych,
• odległość pomiędzy źródłem ciepła a termobimetalem,
• skuteczność przekazywania energii cieplnej,
• masa i geometria elementów uczestniczących w procesie nagrzewania,
• warunki chłodzenia aparatu,
• temperatura otoczenia.

W praktyce oznacza to, że wykonywany przez producenta proces projektowania i strojenia charakterystyki przeciążeniowej wymaga uwzględnienia wielu wzajemnie powiązanych czynników.

Jakie czynniki wpływają na wyłącznik z termobimetalem krążkowym?

• również w przypadku termobimetalu krążkowego o działaniu zabezpieczenia nie decyduje pojedynczy element,
• istotną rolę odgrywa sposób przekazywania energii cieplnej,
• charakterystyka czasowo-prądowa jest wynikiem działania całego układu,
• różnice konstrukcyjne nie przesądzają o jakości aparatu.

Dlaczego norma nie narzuca jednej konstrukcji wyzwalacza?

Po analizie obu rozwiązań naturalnie pojawia się pytanie, dlaczego producenci stosują różne konstrukcje zamiast jednego, identycznego rozwiązania.

Odpowiedź wynika z filozofii tworzenia norm dotyczących aparatury elektrycznej.

Normy definiują przede wszystkim wymagane parametry działania wyrobu oraz zakres badań, które musi on przejść. Producent powinien wykazać, że aparat prawidłowo reaguje na przeciążenia, zwarcia oraz inne narażenia przewidziane dla danej grupy wyrobów.

Norma nie wymaga natomiast stosowania konkretnego rodzaju termobimetalu, określonego kształtu elementów czy jednej, narzuconej konstrukcji wyzwalacza przeciążeniowego.

Takie podejście umożliwia rozwój nowych rozwiązań konstrukcyjnych, zachowując jednocześnie wymagany poziom bezpieczeństwa i funkcjonalności.

Na co zwracać uwagę przy wyborze wyłącznika nadprądowego MCB?

Dla użytkownika oraz instalatora najważniejsze znaczenie ma zgodność aparatu z wymaganiami odpowiednich norm oraz jakość procesu projektowania i produkcji.

Dlatego dwa wyłączniki nadprądowe mogą wyglądać całkowicie inaczej po rozebraniu obudowy, a jednocześnie prawidłowo realizować tę samą funkcję ochronną.

To właśnie wyniki badań, zgodność z wymaganiami normowymi oraz powtarzalność parametrów produkcyjnych powinny być podstawowym kryterium oceny aparatu, a nie wygląd pojedynczego elementu konstrukcyjnego.

Termobimetal paskowy czy krążkowy? Podsumowanie najważniejszych wniosków

Przedstawione w artykule rozwiązania pokazują, że realizacja funkcji przeciążeniowej w wyłącznikach nadprądowych MCB może odbywać się na różne sposoby. Mimo istotnych różnic konstrukcyjnych oba podejścia wykorzystują te same prawa fizyki związane z wydzielaniem i przepływem ciepła oraz zmianą kształtu elementów bimetalicznych pod wpływem temperatury.

W konstrukcji wykorzystującej termobimetal paskowy element bimetaliczny jest integralną częścią toru prądowego i nagrzewa się bezpośrednio wskutek przepływu prądu. W rozwiązaniu opartym na termobimetalu krążkowym energia cieplna jest przekazywana do elementu bimetalicznego pośrednio. Oznacza to odmienne modele cieplne, jednak cel działania obu konstrukcji pozostaje taki sam, czyli wykrycie przeciążenia i wyzwolenie mechanizmu wyłącznika we właściwym czasie.

Warto również pamiętać, że charakterystyka czasowo-prądowa wyłącznika nadprądowego nie zależy wyłącznie od rodzaju zastosowanego termobimetalu. Istotny wpływ mają także właściwości materiałów, geometria elementów, sposób odprowadzania ciepła, temperatura otoczenia, wzajemne oddziaływanie sąsiednich aparatów oraz wiele innych czynników uwzględnianych podczas projektowania i procesu badań.

Z tego powodu ocena jakości aparatu wyłącznie na podstawie zdjęcia jego wnętrza lub obecności określonego rozwiązania konstrukcyjnego może prowadzić do błędnych wniosków. Ostatecznie to zgodność z wymaganiami normowymi, wyniki badań oraz powtarzalność parametrów produkcyjnych decydują o skuteczności działania wyłącznika nadprądowego.

Serie wyłączników nadprądowych ETIMAT 10 oraz ETIMAT P10 stanowią interesujący przykład dwóch różnych podejść konstrukcyjnych do realizacji wyzwalacza przeciążeniowego. Pomimo odmiennych rozwiązań technicznych oba aparaty realizują tę samą funkcję ochronną i pokazują, że ten sam efekt można osiągnąć różnymi drogami konstrukcyjnymi.

Wyzwalacz przeciążeniowy MCB w 60 sekund, najważniejsze informacje dla ucznia i instalatora

Jeżeli po przeczytaniu artykułu miałbyś zapamiętać tylko kilka najważniejszych informacji, powinny być to następujące wnioski:

• wyłącznik nadprądowy wykrywa przeciążenie dzięki zjawiskom cieplnym zachodzącym wewnątrz aparatu,
• podstawowym elementem realizującym tę funkcję jest termobimetal,
• termobimetal może być nagrzewany bezpośrednio przez przepływający prąd lub pośrednio przez inne elementy wyzwalacza,
• różne rozwiązania konstrukcyjne mogą prowadzić do realizacji tej samej funkcji ochronnej,
• o działaniu wyłącznika decyduje cały układ, a nie pojedynczy element jego konstrukcji,
• zgodność z wymaganiami normowymi jest ważniejsza niż sam wygląd wnętrza aparatu.

Słownik pojęć

MCB (Miniature Circuit Breaker)

Wyłącznik nadprądowy stosowany do ochrony instalacji elektrycznych przed skutkami przeciążeń i zwarć.

Termobimetal

Element wykonany z dwóch trwale połączonych metali o różnych współczynnikach rozszerzalności cieplnej. Wzrost temperatury powoduje jego wygięcie, które może zostać wykorzystane do uruchomienia mechanizmu wyzwalającego.

Termobimetal paskowy

Termobimetal umieszczony bezpośrednio w torze prądowym, przez który przepływa prąd obciążenia. Nagrzewanie następuje bezpośrednio wskutek wydzielania strat cieplnych w samym elemencie.

Termobimetal krążkowy

Termobimetal o konstrukcji krążkowej, do którego energia cieplna dostarczana jest pośrednio z innych elementów wyzwalacza.

Wyzwalacz przeciążeniowy

Część wyłącznika nadprądowego odpowiedzialna za wykrywanie długotrwałych przeciążeń i uruchomienie mechanizmu wyłączenia obwodu.

Przeciążenie

Stan pracy instalacji, w którym prąd przekracza wartość przewidzianą dla normalnej eksploatacji obwodu przez określony czas.

Zwarcie

Niepożądane połączenie punktów o różnych potencjałach elektrycznych, powodujące przepływ bardzo dużego prądu.

Charakterystyka czasowo-prądowa

Zależność określająca czas zadziałania wyłącznika w funkcji wartości płynącego prądu.

Efekt Joule’a

Zjawisko polegające na zamianie części energii elektrycznej na ciepło podczas przepływu prądu przez element posiadający rezystancję.

Temperatura otoczenia

Temperatura środowiska pracy wyłącznika, która wpływa na warunki nagrzewania i chłodzenia elementów aparatu.

Najczęściej zadawane pytania (FAQ)

1. Czym różni się termobimetal paskowy od termobimetalu krążkowego?
   Najważniejsza różnica dotyczy sposobu doprowadzania energii cieplnej do elementu bimetalicznego. Termobimetal paskowy jest nagrzewany bezpośrednio przez przepływający prąd, natomiast termobimetal krążkowy otrzymuje energię cieplną pośrednio z innych elementów wyzwalacza.
2. Czy wyłącznik z termobimetalem krążkowym działa inaczej niż wyłącznik z termobimetalem paskowym?
   Z punktu widzenia użytkownika oba rozwiązania realizują tę samą funkcję ochronną, czyli wykrywają przeciążenie i wyłączają obwód. Różnice dotyczą przede wszystkim budowy wewnętrznej oraz modelu przepływu energii cieplnej.
3. Dlaczego wyłącznik nadprądowy nie wyłącza obwodu natychmiast po niewielkim przeciążeniu?
   Wyzwalacz przeciążeniowy działa w oparciu o zjawiska cieplne. Element bimetaliczny potrzebuje czasu, aby osiągnąć temperaturę powodującą zadziałanie mechanizmu wyłączającego. Im większe przeciążenie, tym szybciej następuje wyłączenie obwodu.
4. Czy temperatura otoczenia wpływa na działanie wyłącznika nadprądowego?
   Tak. Ponieważ działanie członu przeciążeniowego jest związane z temperaturą, warunki otoczenia mogą wpływać na proces nagrzewania elementów aparatu. Zjawisko to jest uwzględniane podczas projektowania i badań wyłączników.
5. Czy można ocenić jakość wyłącznika nadprądowego po zdjęciu jego wnętrza?
   Nie zawsze. Wygląd pojedynczych elementów konstrukcyjnych nie pozwala ocenić wszystkich parametrów aparatu. O jakości wyłącznika decyduje cała konstrukcja, zastosowane materiały, proces produkcji oraz wyniki badań potwierdzających spełnienie wymagań normowych.
6. Czy norma określa, jaki rodzaj termobimetalu musi być zastosowany?
   Nie. Normy definiują wymagane parametry działania i zakres badań wyrobu, natomiast nie narzucają producentom jednej konkretnej konstrukcji wyzwalacza przeciążeniowego. Dzięki temu możliwe jest stosowanie różnych rozwiązań technicznych spełniających te same wymagania.

O autorze

Nazywam się dr inż. Michał Szulborski. Jestem naukowcem i inżynierem zajmującym się elektrotechniką, ze szczególnym naciskiem na teorię oraz projektowanie aparatów elektrycznych, a także analizę zjawisk fizycznych zachodzących w torach prądowych i układach łączeniowych.

Na co dzień pracuję z aparatami niskiego, średniego i wysokiego napięcia. Moje zainteresowania koncentrują się na analizie procesów łączeniowych, oddziaływań elektrodynamicznych oraz zaawansowanym modelowaniu numerycznym z wykorzystaniem metod FEM i FEA.

Stopień doktora nauk technicznych w dyscyplinie elektrotechnika uzyskałem na Politechnice Warszawskiej. W pracy doktorskiej zajmowałem się analizą sił elektrodynamicznych w torach prądowych i układach stykowych, wykorzystując sprzężone modele obliczeniowe pozwalające ocenić wpływ tych zjawisk na konstrukcję i trwałość aparatów elektrycznych.

W swojej pracy łączę analizę teoretyczną z podejściem inżynierskim ukierunkowanym na praktyczne zastosowania. Zajmuję się między innymi analizą pól elektromagnetycznych i zjawisk cieplnych, efektami naskórkowości i zbliżenia, modelowaniem łuku elektrycznego oraz procesów zwarciowych. W pracy wykorzystuję zaawansowane środowiska obliczeniowe do analiz trójwymiarowych.

Jestem autorem i współautorem publikacji naukowych oraz współpracuję z przemysłem elektroenergetycznym przy projektach badawczo-rozwojowych związanych z projektowaniem, analizą i rozwojem aparatów elektrycznych oraz systemów zabezpieczeń. Szczególną uwagę poświęcam zagadnieniom niezawodności, bezpieczeństwa oraz efektywności energetycznej urządzeń elektrycznych.

Wybrane materiały popularyzujące wiedzę techniczną publikuję także na kanale YouTube „Elektrotechnika bez cenzury”, gdzie w przystępnej formie omawiam zagadnienia związane z elektrotechniką.

Literatura i punkty odniesienia

1. PN-EN 60898-1:2019-02, Sprzęt elektroinstalacyjny — Wyłączniki do zabezpieczeń przetężeniowych instalacji domowych i podobnych — Część 1: Wyłączniki do obwodów prądu przemiennego.
2. PN-EN 60898-1:2019-02/A11:2025-03, Sprzęt elektroinstalacyjny — Wyłączniki do zabezpieczeń przetężeniowych instalacji domowych i podobnych — Część 1: Wyłączniki do obwodów prądu przemiennego.
3. PN-EN 60898-2:2022-03, Sprzęt elektroinstalacyjny — Wyłączniki do zabezpieczeń przetężeniowych instalacji domowych i podobnych — Część 2: Wyłączniki do obwodów prądu przemiennego i prądu stałego.
4. PN-EN IEC 60947-1:2021-07, Aparatura rozdzielcza i sterownicza niskonapięciowa — Część 1: Postanowienia ogólne.
5. PN-EN IEC 60947-2:2026-01, Aparatura rozdzielcza i sterownicza niskonapięciowa — Część 2: Wyłączniki.
6. Szulborski, M.; Łapczyński, S.; Kolimas, Ł.; Zalewski, D. Transient Thermal Analysis of the Circuit Breaker Current Path with the Use of FEA Simulation. Energies, 2021, 14(9), 2359. DOI: 10.3390/en14092359.
7. Szulborski, M.; Łapczyński, S.; Kolimas, Ł. Increasing Magnetic Blow-Out Force by Using Ferromagnetic Side Plates inside MCB. Energies, 2022, 15(8), 2776. DOI: 10.3390/en15082776.
8. Szulborski, M.; Strehar, L.; Majdič, U.; Vrabič, G. The Analysis of Electrodynamic Forces in Residual Current Circuit Breakers Primary Current Paths During Short-Circuit Tests. Energies, 2024, 17(23), 5993. DOI: 10.3390/en17235993.

Dodatkowe materiały dla zainteresowanych