Možnosti výkonových jističů pro 21. století

Pohyb a vývoj je jedním z hlavních rysů lidstva. Nevyhýbají se ani elektrotechnice a systémům rozvodů elektrické energie. Jistič již dávno není jen ochrana. Je to ucelený balíček řešení pro ochranu, monitorování a řízení elektrické instalace. Jeho další poslání je zajistit vyšší plynulost napájení, spolehlivost a její vyhodnocení, řízení rozvodu a hospodaření s elektrickou energií. Následující příspěvek se zaobírá tématikou vývoje kompaktních jističů a požadavků na jejich funkci v 21. století.

Obr. 1: Jistič Compact NSX250 s elektronickou jednotkou pro měření elektrické energie a zobrazovacím displejem na rozvaděč.

Začátky a polovina 20. století: Fenomén zvaný pojistka
20. století bylo z pohledu vývoje konstrukce jisticích přístrojů ve znamení touhy po dosažení maximálních parametrů z pohledu výkonnosti, bezpečnosti a spolehlivosti. Jedním z prvních jisticích prvků, který podobně jako gramofonová deska, přežil do dnešní doby, je pojistka. Z pohledu silových rozvodů NN nás zajímá zejména klasická, v našich krajinách nožová, výkonová pojistka. Tento jisticí prvek se u nás stále poměrně značně používá. Trend a požadavky uživatelů jdou však směrem k většímu procentu nasazení jističe a to zejména ve sféře vysokých jmenovitých proudů, kde se používají vzduchové a kompaktní jističe od 630 do 6.300A. V koncových rozvodech se masivně rozšířilo používání modulových jističů. A v čem je pojistka tak unikátní? Dnes, zejména v určitém cenovém rozdílu při prvotní investici. Nicméně nákladnost na provoz (výměna pojistek po každém vybavení), nutnost předimenzovávat kabeláž, doba odstávky zařízení a doba potřebná pro opětovné obnovení napájení cenový rozdíl smazávají. Dříve pojistka dominovala v parametrech nad jističem zejména ve vysoké výkonnosti (vypínací schopnost až 120kA), rychlosti vypnutí při zkratu a především ve vlastnosti velmi silně omezovat zkratové proudy. To jističe s jednoduchým kontaktem skutečně neuměly až do 80. a zejména 90. let 20. století.

Kompaktní jističe: Revoluční devadesátá léta
90. léta 20. století byla skutečnou revolucí v oblasti vývoje výkonových jističů. Nejprve to bylo dosažení maximální variability a stavebnicové konstrukce, která umožňovala výměnu či doplnění příslušenství přímo v místě instalace (jednotky spouští, kontakty, cívky motorový pohon atd.). Dále to bylo sjednocení standardů v oblasti parametrů a zkoušek výkonových jističů NN, což krystalizovalo v podobu dnes platné normy ČSN EN 60947-2 ed.3 (Spínací a řídicí přístroje nn - Část 2: Jističe).

To co však bylo zásadní změnou byl nový spínací systém! Rotoaktivní hlavní kontakt. Byl vynalezen francouzskými inženýry společnosti Schneider Electric (dříve pod značkou Merlin Gerin) a poprvé použit na jističích řady Compact NS do 630A. To bylo v roce 1994. Dodnes nebyl tento koncept překonán a v podstatě se stal učebnicí pro ostatní výrobce.

A co bylo přínosem vynálezu rotačního hlavního kontaktu? Bylo to dosaženo velmi silné schopnosti omezovat zkratové proudy.

Výhody rotoaktivního systému jsou následující:

• vysoká vypínací schopnost až 150kA,
• vypínací čas v řádu jednotek ms (vypínání v první půl periodě),
• silné omezování zkratového proudu v porovnatelné úrovni energie omezené pojistkou,
• mez selektivity mezi jističi až do 150kA (dříve pouze do cca 15kA),
• kaskádování s přiřazenými jističi (úspora při volbě přiřazených jističů),
• nižší opotřebení jističe, kabeláže a rozvaděče při zkratu.

Tím se z hlediska parametrů jistič srovnal či předčil pojistku. Nabízí zároveň vyšší bezpečnost při manipulaci, dálkové ovládání a veškerý další komfort. Především pak možnost rychlé obnovy napájení po výpadku.

Obr. 2: Řez hlavním kontaktem jističe Compact NS a NSX do 630A

Princip funkce rotoaktivního kontaktu
Každý hlavní pól jističe je tvořen komorou s rotačním kontaktem, ve které se při průchodu zkratového proudu vytváří dva elektrické oblouky v sérii (důsledek elektromagnetického odpuzování pevného a pohyblivého kontaktu). Rotační kontakt nadprůměrně rychle "ořízne" zkratový proud na mnohonásobně nižší hodnotu (např. jistič 250A: 70kA omezí na 24kA).

Pokud zkratový proud přesáhne prahovou hodnotu nastavení vypínacího systému, píst a pružinový mechanismus využijí tlak vzniklý při hoření oblouku k vypnutí jističe. Proudy, které nedosáhnou prahové hodnoty jsou nedostatečné pro aktivaci systému a zkratový proud je omezován impedancí el. oblouku. Při překročení prahové hodnoty je reakce velmi rychlá (1ms) a omezuje rozvíjející se zkratový proud. Rozdíl energie prošlé při zkratu kompaktním jističem s jednoduchým kontaktem a rotoaktivním kontaktem je přibližně desetinásobný. Při malých poruchách a zejména přetížení zajišťuje vypnutí standardní elektronická či termo-magnetická jednotka spouští.

Obr. 3 : Model konstrukce jističe Compact NSX

Vývoj a nároky na jisticí přístroje v 21. století
20. století je garantem dosažení vysokých elektrických parametrů jisticích přístrojů. Na tento komfort a souhrn vlastností definující moderní jistič jsme si snadno zvykli a kladli další nároky vyplývající z potřeby zlepšit komfort a snížit náklady na provoz elektroinstalace nízkého napájení. Do popředí se dostávají požadavky na možnosti diagnostiky poruch a tím i jejich prevence, měření el. energie s vysokou přesností, monitorování prostřednictvím datové sběrnice, zasílání alarmů a opět i požadavky na vyšší selektivitu zejména s miniaturními modulovými jističi v obchodních a kancelářských budovách. Všechny tyto prostředky vedou k lepšímu vytěžování elektroinstalace, její spolehlivosti, minimalizaci výpadků a samozřejmě i k úsporám energie a provozních nákladů. V popředí zájmu je kromě bezchybné spolehlivé ochrany také spolehlivost provozu a hospodaření s energií.

Měření energie a diagnostika provozu s jednotkami Micrologic
Elektronické jednotky spouští moderních jističů řady Compact NSX (kompaktní jističe 16 až 630A), Compact NS (kompaktní jističe 630 až 1.600A), Masterpact (vzduchové jističe 630 až 6.300A), kromě spolehlivé ochrany proti nadproudům a zemním poruchám, umí měřit elektrické veličiny. Nespornou výhodou je to, že nepotřebují vnější měřicí transformátory proudu. Systém využívá měřicích transformátorů, které jsou uvnitř jističe. Usnadnění konstrukce rozvaděče díky úspoře místa a rychlejší montáž bez potřeby externích měničů patří k mnohým výhodám tohoto prefabrikovaného systému.

Měřené parametry:

• napětí,
• proud(včetně čtvrthodinového maxima),
• výkon (včetně čtvrthodinového maxima,
• energie (včetně rozlišení směru toku),
• frekvence,
• účinek,
• harmonické zkreslení proudu a napětí.

Obr. 4: Čelní panel jednotky Micrologic s displejem

Hodnoty jsou v základní konfiguraci zobrazovány přímo na displeji jednotky Micrologic. Přesnost měření kompletního měřicího řetězce (proudový měnič + měřicí přístroj) je díky použité technice proudových měničů velmi vysoká: měření proudu – třída 1 a měření energie třída 2. Měření splňuje požadavky normy ČSN EN 61557-12 (Elektrická bezpečnost v nízkonapěťových rozvodných sítích se střídavým napětím do 1.000V a se stejnosměrným napětím do 1.500V - Zařízení ke zkoušení, měření nebo sledování činnosti prostředků ochrany - Část 12: Zařízení pro měření a monitorování elektrických parametrů).

Jistič s tímto typem elektronické jednotky umožňuje nahradit analogové měření nebo analyzátor sítě (multimetr) s externími proudovými transformátory. Díky diagnostice je možné sledovat důležité provozní hodnoty jističe jako je počet mechanických sepnutí, úroveň opotřebení hlavních kontaktů, teplotu, provozní dobu aj. Mezi praktické a velmi užitečné vlastnosti diagnostiky patří i historie poruch a událostí nebo tzv. profil zátěže dle denního vytěžování rozvodu. Tyto funkce lze využít u důležitých a citlivých spotřebičů či technologických celků. Jednotka spouští je schopna zobrazit typ a dobu vypnutí poruchy či události a navíc zobrazit i změřenou kritickou veličinu (např. přerušený zkratový proud). Tyto údaje jsou důležité pro detailní znalost chování rozvodu, prevenci poruch a plánování údržby a oprav.

Velikost displeje na jednotce spouští je limitována fyzickými rozměry jističe a jednotky spouští. Mnozí uživatelé preferují instalaci měřicího přístroje na dveře rozvaděče. K tomu slouží doplňkový zobrazovací modul, jehož propojení s jističem zabere přibližně 5 minut. Lze tak nahradit analogové měření nebo digitální multimetr (analyzátor) a navíc získat informace o diagnostice stavu jističe a historií výpadků. Displej umožňuje číselné i ručičkové zobrazení měřených veličin. Stejný systém je k dispozici i pro jističe nad 630A.

Obr. 5: Čelní a zadní pohled na externí displej FDM121

Komunikace s řídicím systémem
Dalším z výrazných posunů směrem ke splnění požadavků moderních instalací současných i budoucích je velice přátelský a snadno doplnitelný systém komunikace
po datové sběrnici. Výstižný je v tomto případě výraz používaný u domácích herních videokonzol – "plug and play" neboli zapoj a používej. Nemusíme využívat pouze displej na jednotce spouští. Pomocí univerzálních prefabrikovaných propojovacích kabelů s "telefonními" konektory RJ45 je možné převést hodnoty měření a diagnostiky na externí displej FDM121 umístěný na panelu rozvaděče. Další možnost je komunikace stejně snadným způsobem a systémem přímo přes RS-485 (protokol Modbus) nebo ethernetu či jiných protokolech. Máme tak kompletní přehled o stavu jističe, měření a diagnostice přímo v našem počítači nebo vzdáleném webovém serveru.

Obr. 6: Zobrazení parametrů pomocí displeje na rozvaděči a komunikace s nadřazeným řídicím nebo monitorovacím systémem

Programovatelné alarmy a systém ochrany motorů
Moderní jednotky spouští s měřením umožňují hlídat měřené veličiny a některé provozní stavy jističe pomocí programovatelných alarmů. Ty lze chápat jako programovatelná relé s možností nastavení hodnoty sepnutí a odepnutí relé včetně časových zpoždění (hystereze). Jejich stav je přenášen prostřednictvím datové komunikace nebo na doplňkový reléový modul. Systém ochrany jedním inteligentním přístrojem, tak dostává novou dimenzi. Lze hlídat některé kritické stavy a zajistit regulaci provozu či odepnutí ohrožených zařízení.

Z praxe se ukazují jako nejvíce hlídané následující stavy:

• podpětí/přepětí,
• překročení maxima výkonu/proudu (odhazování zátěže),
• zpětná wattová ochrana,
• hlídání proudové nesymetrie (vodní elektrárny, generátorové či motorové aplikace).

U motorových ochran jsou navíc i alarmy událostí, jako je zadření motoru, podproud, příliš dlouhý rozběh nebo fázová nesymetrie.

Martin Dostál

Tato přednáška je ukázkou  sborníku přednášek č.45

Cena sborníku je 350,-Kč, pro členy Clusteru 300,-Kč. K ceně sborníku bude připočten expediční poplatek 130,-Kč (zahrnuje poštovné i balné!)

Pokud máte o sborník zájem, můžete si ho objednat níže uvedeným formulářem!