43

2.3 Liinikaitselüliti

2.3.1 Otstarve

Liinikaitselüliti on elektromehaaniline aparaat kaablite ja juhtmete kaitseks liigkoormuse ja lühise eest. Liigkoormuskaitseks on termovabasti, lühisekaitseks elektromagnetvabasti. Enamasti on võimalik juurde komplekteerida ka alapingevabasti.

Elektromagnetvabasti rakendumisvoolu järgi eristatakse B, C ja D rakendumistunnusjoonega liinikaitselüliteid.

B-tunnusjoonega kaitselülitid on mõeldud peamiselt elamusiseste liinide kaitseks, kus tarvititeks on valgustid, mitmesugused küttekehad ja teised väikese sisselülitusvooluga seadmed. Lüliti peab viivitamatult rakenduma 3…5-kordse nimivoolu juures. Suurema väärtuse puhul peab rakendumisaeg olema alla 0,1 sekundi.

C-tunnusjoonega kaitselülitid on mõeldud toiteliinide kaitseks kui seal esineb normaaltöö olukorras suuri voolutõukeid (suurema sisselülitusvooluga tarviteid – luminofoorlampe, elektritööriistu jt.). Need peavad viivitamatult rakenduma 5…10-kordse nimivoolu juures.

D-tunnusjoonega kaitselülitid peavad taluma kuni 10-kordset nimivoolu, 20-kordne nimivool peab olema lahutatud 0,1 sekundiga.

Termovabasti rakendumistunnusjoon on kõigil ühesugune ning peab tagama liinide kõrge eluea. 1,13 nimivoolu peab taluma üks tund, 1,45 nimivoolu tuleb lahutada ühe tunniga.

2.3.2 Kaabli koormustaluvus

Probleemist ettekujutuse saamiseks vaatleme polüvinüülkloriid-isolatsiooniga (PVC) kaabli koormustaluvust.

On teada, et PVC-isolatsiooniga kaabli eluiga on 20 aastat, kui püsitemperatuur on 70 °C. Kui püsitemperatuur on 90 °C, on eluiga vaid 2,5 aastat. Veel on teada kaabli koormustaluvus t = f(I/Iz) (joonisel 2.3.1)

Joon. 2.3.1 PVC-isolatsiooniga kaabli koormustaluvus

44

Vaja on täita IEC 60898 nõuded:

Ib ≤ Iz ≤ In

Ib vooluahela arvutuslik vool Iz kaabli (juhi) lubatav kestevvool In kaitseaparaadi nimivool;

liinikaitselüliti rakendumisvool I2, mille puhul kaitselüliti peab ühe tunni vältel rakenduma on

I2 ≤ 1,45⋅Iz.

Kaitselüliti rakendumistunnusjoon peab olema joonisel 2.3.1 esitatud koormustaluvusjoonest vasakul ja allpool. Seda nõuet rahuldavad liinikaitselülitid, mille tunnusjooned on joonisel 2.3.2.

Joon. 2.3.2 Liinikaitselülitite rakendumistunnusjooned: vasakul B-, paremal C-tunnusjoonega

Üldistatud kujul avaldatakse tunnusjooned, nii nagu näha joonisel 2.3.3.

Joon. 2.3.3 Liinikaitselülitite rakendumistunnusjooned

45

2.3.3 Liigvoolu tuvastamine ja voolu väljalülitamine

Kõik lülitusseadmed neelavad oma töö ajal vooluahelast energiat. Isegi lihtne mehaaniline lüliti neelab lahutamise ajal energiat elektrikaarest nii kaua kui kaar on olemas. Kui palju energiat suudab lüliti neelata ja ikka veel endiselt edasi talitleda, see sõltub lahutusvõimest (nimilahutusvoolust). Lüliti nimivool antakse sõltuvalt liinipingest. Lihtne lüliti pole muidugi arvestatud suure liigvoolu väljalülitamiseks ja ilmselt seetõttu väljalülitamine nurjub ning lüliti hävib. Kaitselüliti kontaktid on ette nähtud liigvoolu lahutamiseks. Järelikult peab tavalisel lihtlülitiga jadamisi ühendatud kaitselülitil olema suurem lahutusvõime kui lihtlülitil.

Osa energiat neeldub lülitis juba liigvoolu tuvastamise vältel. Kuivõrd liigvoolu tuvastamine on tegelikult protsess, kus otsustatakse, kas juba lülitada välja või veel mitte, siis peab olema teada seadmes neelduda võiva energia lävi, mille juures aparaat veel suudab vallandada väljalülitusprotsessi.

Termovabastiga lüliti puhul jõuab see lävi kätte siis kui termoelemendis on salvestunud mingi kindel soojushulk. Elektromagnetilise vabastiga lülitis jõutakse selle läveni kui liikuv ankur on magnetiliselt viidud teatavasse piirasendisse.

Tähistame energia rakendumislävi (detection threshold) Wrak ja selle tuvastamisaja tt. siis kogu tuvastamisaja vältel neeldunud energia

,0�= tt

t uidtW

kus u on pingelang aparaadis ja i – vool.

Kadude tõttu aparaadis endas on igal juhul

,rakt WW >

Seda põhjustavad kaod kontaktüleminekul ja ühendusjuhtmetes ning soojuse eraldumine termoanduris.

Niipea, kui eraldunud energia on ületanud rakendumisläve, algab tegelik väljalülitusprotsess. Kontaktid eralduvad ja tekib elektrikaar. Väljalülitusprotsessi vältel eralduv energiahulk

,�Σ=

t

tvlt

uidtW

kus t� on väljalülitamise koguaeg, mis tegelikult on liigvoolu tuvastamisaja tt ja kaare kustumisaja tk summa:

vlkkt ttttt ≤+=Σ sest, .

Kaare kustumise vältel neeldunud energia hulk

,�Σ

Σ −=

t

tt kkvl

idtuW

kus uk on pingelang elektrikaarel. Kaitselülitis tekib kaarepingelang, mis on praktiliselt võrdne allikapingega:

.uuk ≅

Seega väljalülitusprotsessi vältel eralduv energia hajutatakse elektrikaarega ja võib lugeda, et

vlk WW ≅

ning aparaadis tuvastus- ja väljalülitusajal neeldunud energiahulk

.vlt WWW +=Σ

46

Kõik kaitselülitid on ehitatud pidades silmas seda väärtust, mille universaalse mõõduna kasutatakse hoopis soojusimpulsi mõistet, mida kirjanduses sagedamini nimetatakse Joule’i integraaliks või ka läbilaskeenergiaks (let-through energy) I2t. Viimane nimetus pole päris korrektne, sest sel pole energia mõõtu. Tegelikult on see erienergia ehk energia 1 oomi kohta.

See on energia takistusühiku kohta, mida kaitselüliti peab taluma ja seejuures tõrketult talitlema.

.0

22�

Σ=t

dtitI

See on energia, mis muutub soojuseks kogu väljalülitamiseks kuluva aja vältel (liigvoolu tuvastamise aeg kaasa arvatud). Sellest avaldisest ongi määratav ruutkeskmine vool.

Kaitselülitit võib lisaks liigsele soojusele kahjustada ka voolu mehaaniline toime, kuigi vähemal määral. Mõlemad on võrdelised voolu ruuduga. Seejuures soojusenergia on võrdeline ruutkeskmise ehk efektiivvoolu ruuduga, elektromagnetiline jõud aga maksimaal- ehk tippvoolu ruuduga. Mõlemal juhul on parimaks kaitseks läbilaskeenergia järsk piiramine. Sel juhul

• tekib lühisekohas vähem kahjustusi • lahutatakse rikkis seade kiiremini toiteallikast • kulub vähem kaitselüliti ressurssi • on paremini kaitstud kõik lühisvooluahela osad • on lihtsam tagada selektiivsust, et vältida teiste tarvitite asjatut väljalülitamist.

Soojusimpulsi iseloomustab I²t väärtuste diagramm, mille näide on joonisel 2.3.4.

Joon. 2.3.4 Moodulkaitselülitite ja sulavkaitsme I²t väärtusi

2.3.4 Liinikaitselüliti valik

Enamasti valitakse kaitselüliti nimivool vastavalt juhile kestvalt lubatavale voolule. Oluline on, et kaitselüliti taluks arvutuslikku lühisvoolu.

47

2.4 Mootorikaitselüliti ja jõuelektroonika kaitselüliti

2.4.1 Mootori kaitse probleemid Mootorite kaitset tuleb vaadelda kahes kategoorias: 1. Kaitse mootoriväliste kahjustuste vastu 2. Kaitse mootorisiseste rikete edasise laienemise vastu mootori sees või/ja elektrisüsteemis.

Tavaliselt kaitse pole kõikehõlmav. Enamus soovimatutest välismõjudest põhjustab mootori temperatuuri tõusu. Niisuguseks välismõjuks võib olla • liigkoormus töö või käivituse ajal • liiga sage käivitamine • ebaõige või mittesümmeetriline pinge • puudulik jahutus või halvenenud ventilatsioon. Ülemäärane temperatuur vähendab isolatsiooni iga. Ea vähenemist mõjutavad nii temperatuuri väärtus kui ka kestvus. Paraku pole mootori ressurss täpselt defineeritav. Rusikareeglina arvatakse, et töötemperatuuri tõus 8...10 °C võrra üle sellele isolatsiooni-klassile lubatud piiri vähendab mootori iga kahekordselt. Ja muidugi vastupidi: 8...10 °C võrra jahedama mootori isolatsiooni ressurss pikeneb kaks korda.

2.4.2 Mootorikaitselüliti K-rakendumistunnusjoonega mootorikaitselüliti on mõeldud otse võrku lülitatava lühis-rootoriga asünkroonmootori kaitseks. Mootorikaitselülitil on kaks ülesannet: 1) avastada ohtlikud olukorrad nagu liigkoormus või lühis, 2) katkestada toiteahel

Käivitus Lühisrootoriga asünkroonmootori otsekäivitusel (vahetul võrku lülitamisel) on käivitusvool sõltuvalt mootori suurusest, kiirusest ja tüübist enamasti vahemikus 4…8 nimivoolu. See tähendab, et käivituse vältel eraldub sama aja vältel soojust 16…64 korda rohkem kui nimivooluga töötamise ajal. Käivitusaeg on suhteliselt lühike. Selle aja vältel ei tohi ükski kaitse rakenduda. Mootori käivitusvool on ettemääratud tema ehitusega. Kiirendusaeg sõltub ühendatud koormusest, täpsemini selle inertsmassist. Kui kiirendusaeg ja käivitusvool on võrdne või ületab alljärgnevad tüüpsuurused, siis räägitakse tavaliselt raskest käivitusest:

Käivitusvoolu kordsus 4 6 8 Käivitusaeg, s 10 6 3

Reeglina on tavalise mootorikaitselüliti rakendumistunnusjooned sellised, et neil tingimustel toimub väljalülitamine.

Mootorikaitselüliti termovabasti rakendumisaeg on liigitatud rakendumisklassidesse (ingl tripping classes) nagu seda tehakse teistegi mootorikaitsevahenditega. IEC 947-4-1 defineerib rakendumisklassid 7,2-kordse nimivoolu järgi. IEC 947-4-1 vastavad rakendumisklassid ning vastavad termovabasti viiteajad

Rakendumisklass Rakendumisaeg tp, s 10 A 10 20 30

2 < tp < 10 4 < tp < 10 6 < tp < 20 9 < tp < 30

48

Lühis

Lühisvoolu korral, mis ületab 8 nimivoolu, peab elektromagnetiline vabasti reageerima viivituseta. Seejuures peab kaitselüliti võimaldama mootori käivitamist ning vältima mähise riknemist. Probleemi ja selle lahendust mootorikaitselülitiga illustreerib joonis 2.4.1

Joon. 2.4.1 Otsekäivitatava lühisrootoriga asünkroonmootori kaitse probleemide selgituseks Mootorikaitselüliti oluline erinevus liinikaitselülitiga võrreldes on palju täpsem reageerimine liigkoormuse korral. 1,05 nimivoolu peab taluma vähemalt üks tund. 1,2 nimivoolu peab olema lahutatud enne ühe tunni möödumist. Rakendumistunnusjooned on joonisel 2.4.2.

Joon. 2.4.2 Mootorikaitselüliti tunnusjooned Joon. 2.4.3 K ja C tunnusjoonte võrdlus

2.4.3 K ja C tunnusjoontega kaitselülitite võrdlus

Mootorikaitselüliti (K tunnusjoonega) täidab kaks vastakat nõuet: rakendub kiiresti lühise korral, kuid on võimeline taluma suuri voolutõukeid, eelkõige käivitusvoolu. Seetõttu sobib ta lisaks lühisrootoriga asünkroonmootoritele ka teiste voolutõugetega seadmete kaitseks, näiteks trafole ja akupatareile. Sõltuvalt kaitselüliti sarjast on valida kas 8, 10 või 12 nimivoolu kordset voolutõuget taluv aparaat. Joonisel 2.4.3 esitatud võrdlusest nähtub, et C

49

tunnusjoonega liinikaitselüliti talub vaid kuni 5 nimivoolu kordset voolutõuget, mis ei võimalda mootori käivitamist. Veel olulisem erinevus on liigkoormuse lahutamise puhul.

10-amprine mootorikaitselüliti (K) lülitub 1,45-kordse voolu puhul välja 8 minutiga.

sA000101480)1045,1( 222 =⋅⋅=tI .

Samasugune liinikaitselüliti (B, C või D) talub 1,45-kordset nimivoolu terve tunni.

sA0007573600)1045,1( 222 =⋅⋅=tI . Järelikult on mootorikaitselülitit kasutades potentsiaalselt võimalik juhtide ja mähise isolatsioonile mõjuvat soojuskoormust vähendada 7,5 korda.

2.4.4 Elektroonikaseadmete kaitselülitid

Ahelate kaitseks, kus on jõupooljuhtseadmed, arvutid ja muud tarvitid, millel on suur takistus ja puuduvad suured voolutõuked, kasutatakse Z tunnusjoonega kaitselüliteid. Tunnusjoon, nagu näha joonistel 2.4.2, erineb selle poolest, et viivitamatu väljalülitamine toimub juba 2...3 nimivoolu juures. Väikese liigkoormuse puhul rakendub Z-tunnusjoonega aparaat aga palju varem kui liinikaitselüliti.

Z tunnusjoonega kaitselüliteid toodetakse 0,5 A nimivoolust ülespoole.

Niisugune kaitseaparaat sobib enamasti ka sujuvkäivitiga või sagedusjuhtimisega asünkroon-mootoritele, kus suured voolutõuked on välistatud.

2.4.5 Kaitselülitite paigaldamine

Väiksemad kaitselülitid valmistatakse moodulaparaatidena. Mooduli laius on ühe firma piires ühesugune, enamasti 17...18 mm. Iga moodul mahutab näiteks ühe faasi. Mõned aparaadid hõivavad kaks või kolm moodulit. Eraldi moodulina on lisatavad näiteks abi- ja signaal-kontaktid (joon. 2.4.4).

Joon. 2.4.4 Kaitselüliti põhimoodul ning lisatavad abi- ja signaalkontaktimoodulid

Moodulaparaadid on mõeldud paigaldamiseks paigaldusliistule. Paigaldamine toimub ilma kruvikinnituseta. Põhimõte selgub jooniselt 2.4.5.

Joon. 2.4.5 Kaitselüliti paigaldamine paigaldusliistule ja sealt vabastamine