Zaštita električnih instalacija niskog napona osiguračima

Električne instalacije važan su element područja zaštite na radu. Poslodavac je obavezan provesti ispitivanja objekata koji se koriste za rad kako bi se utvrdila njihova sigurnost, što znači da je potrebno utvrditi i ispravnost električnih instalacija.

Zaštita vodiča od nedozvoljenog opterećenja, bilo namjernog ili slučajnog ili kratkog spoja, riješena je upotrebom osigurača koji se stavljaju na početku vodiča u smjeru dolaska struje.

Slika 1. Osigurač se montira iza prekidača:
1- jednopolni, 2-dvopolno, 3-tropolno osiguranje

Ako se u instalaciji, neposredno pokraj osigurača, postavlja i prekidač, savjetuje se da se osigurač postavi iza prekidača jer se tada osigurač mijenja pri otvorenom prekidaču i nije pod naponom (Slika 1.). Kod korištenja automatskih prekidača osigurač se obavezno postavlja iza ovog prekidača. Zaštita se može izvesti za dvožičnu mrežu dvopolno ili jednopolno. Za trofazni sustav na nulti vodič se ne stavlja zaštita.
Osigurač obavlja funkciju zaštite vodiča prekidom strujnog kruga u kome je smješten. Ovaj prekid može se ostvariti taljenjem rastalnog umetka u osiguraču, elektromagnetnim djelovanjem ili termičkim djelovanjem kojim se savija bimetalna traka.

Prema načinu prekidanja strujnog kruga u osiguraču oni se dijele na rastalne i automatske.
Prema IEC i drugima važećim standardima osigurači u instalacijama moraju biti konstruirani tako da se prekid strujnog kruga vrši u zatvorenom prostoru, bez mogućnosti nastanka požara, sa vidljivim indikatorom prekida strujnog kruga i na način da je osigurana strujna nezamjenljivost, odnosno nemogućnost zatvaranja strujnog kruga mimo osigurača.

Osnovne nazivne karakteristike osigurača

Nazivni napon osigurača je najniža vrijednost nazivnog napona svih njegovih dijelova (tijelo osigurača, kalibarski prsten, kapa osigurača, rastalni umetak). To znači da nazivni napon rastalnog umetka može biti različit (veći) od nazivnog napona držača osigurača u kojem će rastalni umetak biti upotrijebljen. 

Standardne vrijednosti nazivnih napona osigurača su:

• za istosmjerni sustav napajanja: 110, 125, 220, 250, 440, 460, 500, 600, 750 V
• za izmjenični sustav napajanja: 120, 208, 220 (230), 240, 277, 380 (400), 415, 480, 500, 600, 660(690) V

Nazivne struje osigurača su: 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000 i 1250 A. 

Nazivna struja držača osigurača mora biti izabrana iz niza nazivnih struja rastalnih umetaka ako nije drugačije navedeno posebnim standardima za određenu vrstu osigurača. 
Karakteristike vrijeme-struja daju se za trajanje taljenja duže od 0,1 s. Struja se predstavlja na apscisi, a vrijeme na ordinati. Za obje koordinate koristi se logaritamska podjela. Karakteristike vrijeme-struja rastalnog umetka ovisi o konstrukciji, kao i, za određeni rastalni umetak, o temperaturi okolnog zraka i uvjeta hlađenja. Ukoliko nije navedeno, podrazumijeva se da se karakteristike odnose na temperaturu okolnog zraka od 20° C. U vezi sa djelovanjem rastalnog umetka definiraju se nazivno vrijeme i nazivna struja. Pri tome razlikuju se:

• nazivna struja netaljenja ( I nf ) - utvrđena vrijednost struje, koju rastalni umetak može podnijeti tokom utvrđenog (nazivnog) vremena bez taljenja, i
• nazivna struja taljenja ( I f ) - utvrđena vrijednost struje koja izaziva djelovanje rastalnog umetka tokom utvrđenog (nazivnog) vremena.

Nazivna vremena taljenja su:

Napomena: *) vrijednosti za nazivne struje manje od 16 A nisu utvrđene
 

Nazivna moć prekidanja rastalnog umetka je vrijednost (efektivna za izmjeničnu struju) očekivane struje koje osigurač može prekinuti za određeni napon pod određenim uvjetima. Nazivnu moć prekidanja daje proizvođač u odnosu na nazivni napon. Vrijednost najmanje nazivne moći prekidanja utvrđene su u posebnim standardima za određenu vrstu osigurača.

Ugradnja osigurača

Osigurač se ne smije postavljati u krug neutralnog vodiča jednofaznih ili višefaznih strujnih krugova. 
U TN sistemima napajanja, osigurač kao zaštitni uređaj od prekomjerne struje koji služi kao zaštita od indirektnog dodira automatskim isključivanjem napajanja, mora se postavljati na početku svakog strujnog kruga kao i na svim mjestima na kojim se smanjuje presjek vodiča. 
U IT sistemima napajanja, osigurač kao uređaj za zaštitu od preopterećenja, kad su izloženi dijelovi međusobno povezani pri pojavi druge greške, mora se postavljati na početku svakog strujnog kruga, kao i na svim mjestima na kojima se smanjuje presjek vodiča.
Ogranci od kabelskih i nadzemnih niskonaponskih mreža osiguravaju se pri ulasku u mrežu.

Klasifikacija osigurača

Prema načinu prekidanja strujnog kruga u osiguraču oni se dijele na: rastalne i automatske.

Klasifikacija rastalnih umetaka osigurača

Rastalni umetak (element koji se zamjenjuje poslije djelovanja osigurača) je dio osigurača koji se mora rastaliti kada osigurač proradi. U praksi se još uvijek masovno koriste stare oznake osigurača sa rastalnim umetkom (skraćeno: osigurači). Prema IEC i drugima važećim standardima osigurači se, u općem slučaju, dijele prema:

• konstrukciji, i
• karakteristikama djelovanja.

 

Podjela osigurača prema konstrukciji (rastalni instalacijski osigurači)
 

Zaštita vodiča od preopterećenja tj. struja kratkog spoja načelno se izvodi na način da se izabrano mjesto vodiča namjerno oslabi ubacivanjem komada tanke žice. Ova se tanka žica istopi prije nego što zaštićen vodič dobije nedozvoljenu temperaturu.
Ova žica je od srebra, cinka ili drugog metala ili legure. Pri opterećenju ova se žica zagrije i istopi, zbog čega se ovakav osigurač naziva rastalnim osiguračem. 
U konstrukcijskom pogledu rastalni osigurači izrađuju se u sljedećim vrijednostima:

• instalacijski rastalni osigurači tipa D, koji se nazivaju instalacijskim osiguračima s vijkom,
• instalacijski osigurači tipa B, koji se nazivaju i osiguračima sa lamelom,
• minijaturni osigurači, koji se neposredno ugrađuju na neke prijemnike, i
• niskonaponski rastalni osigurači velike prekidne moći, koji se nazivaju i instalacijskim visokoučinskim osiguračima ili NV-osiguračima.

Osigurači tipa D
 

Osigurači tipa D upotrebljavaju se u kućnim električnim instalacijama i napravama za napone 220, 240, 380 i 415 V (prema IEC standardu) isključivo za istosmjerne ili isključivo izmjenične ili obje vrste struja, a za jačine struje do 100 A.
Često se nazivaju instalacijskim osiguračima. Izrađuju se u dva osnovna oblika za priključak sa prednje i sa zadnje strane. Svaki od ovih oblika ima četiri osnovna dijela: podnožje, kalibracijski prsten, umetak i kapu. Prema IEC standardu i drugim važećim standardima izrađuju se četiri veličine podnožja osigurača za četiri vrijednosti nazivnih struja, i to:

• D II,
• D III,
• D IV, i
• D V.

Prema veličini podnožja određuje se i veličina osigurača. 
Podnožje D II izrađuje se za struju od 25 A. Podnožje D III izrađuje se za struje do 63 A zbog čega ima nešto veće dimenzije. Podnožje D V izrađuje se za nominalne struje do 100 A.
Prema namjeni ili po obliku razlikuju se sljedeća podnožja osigurača:

• podnožje za priključivanje sa prednje strane (univerzalno podnožje ili UZ) - Upotrebljava se za razvodne ploče sa shemiranjem na prednjoj površini, ana ploči se buše otvori za dovodne vodiče.
• podnožje za priključivanje sa zadnje strane (TZ podnožje). Upotrebljava se za razvodne ploče kada se priključak izvodi iza table.
• podnožje za ugrađivanje npr. u razne aparate za domaćinstva, u razvodna postrojenja i sl.
• podnožje za nadzemni vod. Upotrebljava se za kućne priključke.

Kalibracijski prsten je zamjenljivi dio podnožja osigurača. Prema IEC standardima kalibracijski prsten je dio osigurača koji služi za sprečavanje zamjenljivosti. Kalibracijski prsten ima na gornjoj površini označenu visinu nazivnog napona i nazivne jačine struje. Ova je površina obojena propisanom bojom koja odgovara nazivnoj struji. 
Također se i rastalni umetci označavaju bojama, koje odgovaraju i boji kalibracijskog prstena. Boje trebaju onemogućiti umetanje rastalnih umetaka veće nazivne struje nego što odgovara prstenu montiranom u držaču (osnovi).

Standardne boje kojima se označavaju osigurači

 
 

Karakteristični podaci za osigurače tipa D
Strujna nezamjenljivost je konstrukcijska osobina osigurača tipa D, koja sprečava da se u podnožju osigurača uspostavi kontakt između umetka i kalibracijskog prstena ako je kalibracijski prsten namijenjen za manju struju od nazivne struje umetka. Ovo se postiže na način da rastalni umetci osigurača tipa D za veće struje imaju širi vrh i ne mogu se umetnuti u osigurač dimenzioniran za manju struju, čiji je kalibracijski prsten manjeg promjera od vrha umetka. No, moguće je umetnuti rastalni umetak manje nazivne struje u osigurač predviđen za veće struje. Ovakva zamjena ne predstavlja opasnost.
Oznaka D u nazivu instalacijskih osigurača pokazuje da je strujna nezamjenjivost postignuta upotrebom raznih dijametara, (D), kalibracijskog prstena i vrata umetka.
Selektivnost osigurača je svojstvo osigurača da pregori uvijek prije idućeg osigurača za naziv nu struju sljedećeg stupnja. Npr. umetak za 10 A mora pregorjeti prije umetka od 16 A.
Sigurnost protiv kratkog spoja je svojstvo osigurača da bez mehaničkog i termičkog razaranja elemenata osigurača izdrži struju kratkog spoja u krugu u kojem se nalazi osigurač. 
Snaga prekida je ona snaga sa najvećom strujom koju osigurač može prekinuti pod nazivnim naponom i to najvećom strujom, a da ne izazove mehaničko i termičko razaranje elemenata osigurača, kao i da se ne pojavi trajan luk i izbijanje plamena. Struja snage prekida je znatno manja od struje kratkog spoja. Ona iznosi od 4 do 16 kA, dok su struje kratkog spoja od 250 do 12 000 A.

Osigurač tipa B

Osigurači tipa B su kalibracijski osigurači, koji se sastoje od dvije cilindrične kapice i rastalnog umetka (sljedeća slika). Standardni nominalni napon ovih osigurača je 250 V, nominalne struje: 5; 10; 16; 31,5 i 63 A.
Na slici dolje nalazi se prikaz umetka osigurača tipa B.


Izrađuju se samo za izmjeničnu struju. Strujna nezamjenjivost je postignuta određenim dimenzijama kape za svaku vrijednost nazivne struje. 
Struja taljenja umetka za ove osigurače iznosi 2,5 × In, dok je vrijeme djelovanja od 16 do 28 sekundi u ovisnosti od vrijednosti nazivne struje umetka. 
Rastalni umetak određene nazivne struje ne može se zamijeniti rastalnim umetkom veće nazivne struje bez zamjene kape. Dijelovi pod naponom nisu pristupačni dodiru kada je osnova osigurača instalirana i priključena na normalnu upotrebu i snabdjevena rastalnim umetkom i kapom. 

Osigurači tipa N
To je osigurač koji se sastoji od dvije osnove i rastalnog umetka sa ?nožastim? kontaktima. Pripadaju kategoriji osigurača kojima rukuju stručno osposobljene osobe (osigurači za primjenu u industriji), jer su rastalni umetci pristupačni i mogu biti zamijenjeni samo od strane stručnih osoba. Međusobna nezamjenjivost i zaštita od slučajnog dodira dijelova pod naponom ne moraju biti osigurani konstrukcijom. 
Podjela osigurača po karakteristikama djelovanja:

A. Normalni (brzi) osigurači 
Prema IEC standardima vrijeme djelovanja normalnih rastalnih umetaka mora biti kraće od vrijednosti navedenih ispod: 

Također, vrijeme djelovanja normalnih rastalnih umetaka ne smije biti manje od 10 s, sa strujom ispitivanja 1,75 puta većom od nazivne struje. Pri uključivanju električnih motora struja pri pokretanju asinkronih motora sa kratko spojenim rotorom dostiže 4 do 8 puta veću vrijednost od nazivne struje. 
Sa povećanjem brzine okretanja struja opada u prvo vrijeme postepeno, zatim naglo. Vrijeme za koje motor dostigne punu brzinu okretanja, odnosno vrijeme za koje struja uključivanja dostigne nazivnu vrijednost, ovisi od konstrukcije i vrste motora. Ono izn osi za neopterećen motor oko 0,35 s, a za normalno opterećen motor povećava se na ok o 0,5 s dok za motore sa većom masom, koju treba dovesti na nazivnu brzinu okretanja, vrijeme da se dostigne puna brzina iznosi znatno duže, oko 1 s. 
Iz ovog razmatranja uočava se da će brzi osigurač, čija nazivna struja ima blisku vrijednost nazivnoj struji motora, neizostavno pregorjeti prije nego što struja pokretanja opadne na vrijednost nazivne struje, zbog čega se mora birati jači osigurač ili pribjeći drugim sredstvima da bi osigurač izdržao struju pokretanja, npr. izborom osigurača za puštanje motora u rad. Jači osigurač povlači zamjenu vodiča većeg presjeka, što opet vodi k nedovoljnom iskorištavanju vodiča. 
Iz gornjeg se može zaključiti da brzi umetci imaju manu što ne dozvoljavaju dobro iskorištenje presjeka vodiča. Bolje iskorištavanje vodiča postiže se izborom tromih i inertnih umetaka. 

B. Tromi osigurači
Prema IEC standardu vrijeme djelovanja tromih rastalnih umetaka mora biti duže od vrijednosti danih u prethodnoj tabeli. Također, vrijeme djelovanja rastalnih umetaka ne smije biti duže od 6 s, sa strujom ispitivanja 5 puta većom od nazivne. 
Upotreba tromih umetaka dolazi u obzir zbog sljedećih pojava: uključi li se veće rasvjetno opterećenje ili električni motor dolazi do pojave strujnog udara. U prvom slučaju strujni udar nastupa zbog manjeg otpora koji ima žarna nit u hladnom stanju. Ova razlika otpora postiže i desetorostruke vrijednosti, zbog čega pri uključivanju sijalice pojavljuje se struja deset puta veća od nazivne vrijednosti, a sa isijavanjem vlakna naglo opada na nazivnu vrijednost. Vrijeme trajanja ove udarne struje iznosi ispod desetog dijela sekunde, ali je dovoljno da se rastali žica brzog osigurača. Ovo znači da brzi umetak ne može osigurati rasvjetni strujni krug ako njegovo nazivno opterećenje odgovara nazivnoj struji osigurača. Zbog ovoga se mora birati umetak za jaču struju, a samim tim mora se povećati i presjek vodiča, koji je imao već dovoljnu dimenziju, a sada je povećan samo zbog umetka za jaču struju. Iz ovog se zaključuje da je vodič neiskorišten, jer je uzet veći presjek zbog većeg osigurača, a ovaj je uzet u većoj dimenziji da osigura istovremeno uključivanje većeg rasvjetnog.

C. Ultrabrzi osigurači
Prema IEC standardu u elektronskim uređajima za zaštitu od kratkih spojeva upotrebljavaju se ultrabrzi osigurači koji se najčešće stavljaju redno (serijski) sa diodama i tiristorima.

D. Osigurači velike prekidne moći (tzv. NVO osigurači ili visokoučinski osigurači) 
Razvojem razvodnih mreža dolazi se do mreža velikih snaga u raznovrsnim industrijskim pogonima. U tim instalacijama javlja se potreba da osigurači budu znatno iznad 200 A, kao i da snage prekida budu veće.
Ove dimenzije uvjetuju drugu konstrukciju rastalnih osigurača od one koja je razrađena za instalacijske rastalne osigurače. Ovom se zahtjevu udovoljilo razvojem rastalnih osigurača velike prekidne moći. Njihov rastalni umetak ima oblik cijevi, obično pravokutnog oblika pa se nazivaju i ?cjevastim osiguračima?. Zbog velike prekidne moći ovi se osigurači nazivaju i ?visokoučinskim osiguračima?, označavaju se sa ?NV? ? niskonaponski visokoučinski. Prema IEC i drugim standardima ovi se osigurači upotrebljavaju za napone 220, 380, 500, 600 i 900 V a za struje u granicama od 2 do 1250 A, prema tablici ispod. 

Automatski osigurači
Mana rastalnih osigurača u kućnim i tvorničkim instalacijama je ta što se umetak, kada pregori, mora mijenjati. Nov umetak košta i zahtijeva vrijeme za promjenu, a pored toga i držanje rezervnog umetka.
Instalacijski automatski osigurači su elementi koji prekidaju strujni krug pri određenom opterećenju, a da se ne vrši uništavanje materijala. Ovi se osigurači izrađuju za struje: 6, 10, 16, 20 i 25 A i napone 220 i 380 V. Automatski osigurač izdržava strujne udare i opterećenja sve dok oni ne postanu opasni po zaštićeni vodič, čime omogućava dobro iskorištenje vodiča.
Pri upotrebi osigurača mora se vrijeme njegovog isključenja podesiti tako da osigurač ne isključi strujni krug pri pokretanju potrošača. Vrijeme isključenja osigurača mora biti takvo da osigurač izdrži odgovarajuću struju pokretanja potrošača.
Pogrešan izbor osigurača izaziva sljedeće probleme

• onemogućuje zaštitne mjere od previsokog napona dodira,
• preopterećenjem vodiča, a time prekomjernim zagrijavanjem, može nastati požar.

Ako se ne primjeni princip selektivnosti, dogodit će se da zbog male greške na perifernom potrošaču jači osigurač izbaci veći dio objekta. 

Izbor osigurača u niskonaponskim instalacijama
Struja vodiča pri normalnom radu električne instalacije ( I_B ) mora biti manja od nazivne struje osigurača ili nazivne vrijednosti struje djelovanja uređaja za zaštitu od preopterećenja strujnog kruga vodiča ( In ), a ta vrijednost mora biti manja od trajno dozvoljene struje vodiča ( Iz ). Radna karakteristika nadstrujnog zaštitnog uređaja (osigurača), koji štiti vod od preopterećenja, mora ispuniti dva uvjeta:

• I_B <= In <= Iz , i
• I2 <= 1.45 Iz ,

gdje su I_B pogonska struja strujnog kruga,
In nazivna struja zaštitnog uređaja,
Iz trajno podnosiva struja vodiča, i
I2 struja koja osigurava pouzdano djelovanje zaštitnog uređaja (veća ispitna struja).