076_097

7/28/2019 076_097

http://slidepdf.com/reader/full/076097 1/22

76Škare, J., Mesić, M., Zaštitni uređaji i selektivnost …., Energija, god. 58(2009), br. 1., str. 76-95Škare, J., Mesić, M., Protection Devices and Selectivity …, Energija, vol. 58(2009), No. 1, pp. 76-95

ZAŠTITNI UREĐAJII SELEKTIVNOST U

PODSUSTAVIMA ISTOSMJERNOGRAZVODA I NAPAJANJA

PROTECTION DEVICES AND

SELECTIVITY IN DC POWERDISTRIBUTION SUB-SYSTEMS

Javor Škare – Miroslav Mesić, Zagreb, HrvatskaPodsustavi istosmjernog razvoda i napajanja bitne su sastavnice elektroenergetskih

postrojenja budući da omogućavaju izvršavanje vitalnih funkcija postrojenja u nor-

malnom pogonu i u slučaju nestanka mrežnog napona te stoga trebaju biti pouzdan isiguran izvor napajanja električnom energijom.

S obzirom da se način prekidanja istosmjerne struje znatno razlikuje od prekidanjaizmjenične struje, važno je da se prilikom projektiranja podsustava istosmjernog raz-

voda i napajanja u elektroenergetskim postrojenjima vodi briga o njihovoj specičnosti.Dobrim odabirom zaštitnih uređaja (niskonaponskih rastalnih osigurača i prekidača) i

njihovim pravilnim rasporedom po zaštitnim razinama razvoda postiže se selektivnostzaštite. U ovom radu su prezentirani osnovni tipovi zaštitnih uređaja i mogućnost nji-hove upotrebe u podsustavima istosmjernog razvoda i napajanja te načini postizanja

selektivnosti zaštite.DC power distribution sub-systems are essential components of electrical power facili-ties since they allow the carrying out of vital facility functions in normal operation evenin the event of a collapse in grid voltage. Therefore, such systems should be a reliable

and safe source of electrical power. When taking into consideration that the mannerof terminating DC current is signicantly different from terminating AC current, it is

important that, when designing DC power distribution sub-systems in electrical powerfacilities, care be taken concerning their characteristics. A proper selection of protec-

tion devices (low-voltage fuses and circuit breakers) and their proper allocation accord-ing to distribution protection levels achieves protection selectivity. This paper presents

the basic types of protection devices and their possible uses in DC power distributionsub-systems and the manner of achieving protection selectivity.

Ključne riječi: elektroenergetsko postrojenje; niskonaponski prekidač;niskonaponski rastalni osigurač; podsustav istosmjernog razvoda i napajanja;

selektivnost zaštitnih uređajaKey words: DC power distribution sub-system; electrical power facility; low-

voltage circuit breaker; low-voltage fuses; protection device selectivity

7/28/2019 076_097


7/28/2019 076_097



1 UVOD

Vitalni dijelovi i komponente elektroenergetskihpostrojenja koji trebaju funkcionirati u normalnompogonu te u slučaju kvara ili poremećaja pogonaelektroenergetskog sustava trebaju imati kontinu-irano i pouzdano napajanje električnom energijom

u svim pogonskim režimima, a to omogućuje pod-sustav istosmjernog razvoda i napajanja.

Zbog postizanja dovoljne raspoloživosti sustavaistosmjernih napajanja nije prihvatljivo da svi za-štitni uređaji kroz koje se zatvara struja kratkogspoja u isto vrijeme prekinu struju kratkog spo-

ja. Zaštitni uređaji koji se nalaze najbliže mjestukvara trebali bi prekinuti prvi, a zaštitni uređajisvih prethodnih razina trebaju ostati uključeni. Nataj način se postiže brza izolacija mjesta kvara iomogućuje da sva ostala instalacija koja se napajapreko niskonaponskih prekidača prethodnih razi-

na razvoda ostane uključena te da vitalne funkcijepostrojenja ostanu sačuvane.

Odabirom pravilne vrste i rasporeda zaštitnih ure-đaja po zaštitnim razinama razvoda postiže se se-lektivnost zaštite.

Selektivnost između dva zaštitna uređaja može bitipotpuna (područje od struja malih preopterećenjapa do struje koja odgovara graničnoj prekidnojmoći prekidača) i djelomična (područje od strujamalih preopterećenja do granične vrijednosti pre-kidne struje kratkog spoja).

U podsustavima istosmjernog razvoda i napajanjaelektroenergetskih postrojenja kao zaštitni uređajinajčešće se koriste niskonaponski rastalni osigu-rači i niskonaponski prekidači.

2 ELEKTRIČNI ZAŠTITNIUREĐAJI U ISTOSMJERNIMRAZVODIMA

2.1 Niskonaponski rastalni osigurači

Niskonaponski rastalni osigurači (u daljem tek-stu NN osigurači) električki su zaštitni uređaji kojiprekidaju strujni krug taljenjem svojih rastalnihelemenata u slučaju kada kroz njih prolazi kvadratstruje tereta u dovoljno dugom vremenskom in-tervalu (Joulov integral ∫i2d t ) (slika 1).

Rastalni elementi najčešće su bakar, ili srebro.Osigurači malih nazivnih struja imaju često samo

jedan rastalni element, a oni većih nazivnih strujamogu imati i više od sto rastalnih paralelno spoje-

nih elemenata unutar jednog osigurača. Radi nad-ziranja mjesta na kojemu se prekida kratki spoj,

1 INTRODUCTION

The vital parts and components of the electricalpower facility that should function during normaloperation and in the event of a fault or anomaly inthe operation of the electrical power system sho-uld have a continual and reliable power supply in

all operational modes. This is enabled by the DCpower distribution sub-system.

Due to gaining adequate availability of the DCpower supply system, it is unacceptable that allprotection devices, through which the short circuitcurrent closes, terminate the short circuit currentat the same time. The protection devices that arefound closest to the fault location should be termi-nated rst, while the protection devices at all pre-vious levels should remain connected. In this ma-nner, a rapid isolation of the fault location is achi-eved allowing the remaining installation powered

through the low-voltage circuit breaker at the pre-vious distribution levels to remain connected andvital functions of the facility to remain intact.In choosing the correct type and positioning ofprotection devices at the distribution protectionlevels, protection selectivity is achieved.

Selectivity between two protection devices can becomplete (from small current overloads to cu-rrents that meet the maximum terminating abilityof the circuit breaker) and partial (small currentoverloads to the maximum values for terminationof the short circuit current).

In direct current distribution and power supply forelectrical power facilities, protection devices mostoften use low-voltage fuses and low-voltage cir-cuit breakers.

2 ELECTRICAL PROTECTIONDEVICES IN DIRECT CURRENT

DISTRIBUTION SYSTEMS

2.1 Low-voltage Fuses

Low-voltage fuses (hereinafter: LV fuses) are elec-trical protection devices that terminate a shortcircuit by melting its fusible elements when aload current square passes through them for anadequately long time interval (Joul’s integral ∫i2d t )

(Figure 1).

The fusible elements are most often copper orsilver. Fuses with small rated currents often haveonly one melting component, while the larger ra-ted current types may have more than a hundredmelting elements connected in parallel within a

single fuse. In order to supervise the location whe-re the short circuit is to be terminated, each fusi-

7/28/2019 076_097


79 Škare, J., Mesić, M., Zaštitni uređaji i selektivnost …., Energija, god. 58(2009), br. 1., str. 76-97Škare, J., Mesić, M., Protection Devices and Selectivity …, Energija, vol. 58(2009), No. 1, pp. 76-97

Slika 1 — Poprečni presjek NN osiguračaFigure 1 — Perpendicular cross-section of the LV fuse

Slika 2 — Pregaranje NN osigurača zbog malog preopterećenjaFigure 2 — Burning a LV fuse due to a small overload

svaki rastalni element ima nekoliko mostića− mjesta suženja vodljivog puta. Budući da mo-stići imaju veći otpor od ostalog dijela rastalnogelementa, oko njih se stvara i viša temperaturanego oko ostalih dijelova.

U vremenu dok je struja koja prolazi kroz osigu-

rač niža od njegove nazivne struje osigurač seponaša kao vodič i na njemu se zbog unutrašnjegotpora osigurača stvara mali pad napona (neko-liko mV). Kada, zbog preopterećenja ili kratkogspoja, dođe do pregaranja jednog ili više mosti-ća, kroz njih se zatvori električni luk (slika 2). Pad

napona na osiguraču je tada približno jednakzbroju napona električnih lukova koji se stvarajuna mostićima. Nakon što osigurač prekine stru-

ju na njemu se pojavi nazivni napon podsustavaistosmjernog razvoda i napajanja.

Broj mostića spojenih u seriju unutar jednog ra-

stalnog elementa obično se odabire tako da padnapona tijekom prekidanja struje kratkog spojana jednom mostiću ne bude veći od 150 V kod

osigurača namijenjenih za primjenu pri izmje-ničnom napajanju, te od 100 V kod osigurača zaistosmjerna napajanja [1].

ble element has a number of bridges – places witha narrower conduction path. Since the bridges havea greater resistance than other parts of the fusibleelement, higher temperatures are created aroundthe bridges than in other parts.

During the time a current passes through the fuse

which is lower than the rated current value, the fusebehaves as a conductor and it experiences, due tothe internal resistance of the fuse, a small reducti-on in voltage (a few mV). When, due to overloadingor a short circuit, there occurs a burn-out of oneof more of the small bridges, an electric arc closesover them (Figure 2). A voltage reduction at the fuseis then approximately equal to the sum of voltagesof the electric arcs created at the bridges. Once thefuse terminates the current, a rated voltage occursat the fuse of the DC power distribution system.

The number of bridges connected in series within

a single fusible element is ordinarily chosen so thata fall in voltage during termination of short circuitcurrent on one bridge will not be greater than 150 V

for fuses intended for use during AC powering, and100 V for fuses used in DC powering [1].

Pri prekidanju struje malog preopterećenja čestose dogodi da pregori samo jedan mostić. Na nje-mu se tada razvije električni luk koji poveća padnapona na osiguraču i smanji struju preoptereće-nja. Kada kroz osigurač prolazi izmjenična struja,ona u intervalima od jedne poluperiode (10 ms)

prolazi kroz nulu pa se u tom trenutku ugasi i

električni luk koji se stvorio na pregorjelom mo-stiću i osigurač prekine struju preopterećenja.

When interrupting the current at small overloads,it often occurs that only a single bridge burns out.An electrical arc occurs on the bridge which furt-her decreases in voltage at the fuse and reducesthe load current. When AC current passes throu-gh the fuse, it passes in intervals of a half-period(10 ms) zero state and at that moment it extingu-

ishes, while the electric arc formed at the burnt-outbridge and the fuse terminates the current load.

7/28/2019 076_097



Kada, međutim, kroz osigurač prolazi istosmjer-na struja, ona, za razliku od izmjenične struje, nemijenja periodički iznos i ne prolazi kroz nulu pa

je električni luk potrebno ugasiti za vrijeme dokkroz njega prolazi struja vrijednosti različite odnule. Energija električnog luka je proporcionalnanaponu luka, induktivitetu strujnog kruga i kva-

dratu trenutačne vrijednosti struje E a ≈ U a L i

2

.Što je energija električnog luka veća, to će sposob-nost osigurača da prekine istosmjernu struju bitimanja. Stoga je potrebno uvesti pojam vremen-ske konstante istosmjernog kruga T = L / R, ms,

koja karakterizira brzinu porasta istosmjernestruje.

Povećanjem induktiviteta L, H proporcionalnoraste i vremenska konstanta istosmjernog kru-ga T kao i energija električnog luka E

a, W. Na

temelju navedenoga može se zaključiti da će seu tom slučaju smanjiti i sposobnost osigurača da

prekine istosmjernu struju, odnosno da je spo-sobnost prekidanja istosmjerne struje obrnutoproporcionalna veličini vremenske konstanteistosmjernog kruga T .

Kod istosmjerne struje može se također pretpo-staviti da napon izvora ima približno konstantnuvrijednost te da će prekidanje istosmjerne strujekratkog spoja približno započeti tek nakon štonapon električnog luka U

aporaste do vrijednosti

više od napona izvora. Zbog toga dolazi do po-većanja dužine električnog luka na pregorjelommostiću, što dodatno poveća pad napona i sniža-

va struju, tako da ostali mostići ne mogu pregor- jeti. Ako se taj električni luk ne uspije dovoljnobrzo ugasiti, doći će do eksplozije osigurača.

Važno je također naglasiti da su malo preoptere-ćenje i velika vremenska konstanta istosmjernogkruga vrlo kritični za osigurače koji se primje-njuju u istosmjernim razvodima, posebno ako seza tu namjenu koriste osigurači za izmjeničnustruju.

Prekidanje velikih struja kratkog spoja kod NNosigurača nije kritično kao prekidanje malih

struja kratkog spoja, budući da je u tom sluča- ju zagrijavanje rastalnog elementa tako brzo daviše mostića pregori u istom trenutku stvarajućipritom više serijskih električnih lukova koji dije-le ukupni pad napona na osiguraču. Kada je padnapona na osiguraču jednak ili veći od nazivnognapona podsustava istosmjernog razvoda i na-pajanja, dolazi do gašenja električnih lukova ipregaranja osigurača.

Pri velikim strujama kratkog spoja pregaranjeNN osigurača najčešće se dogodi prije nego štostruja kratkog spoja dostigne maksimalan iznos,

pa se smatra da osigurači ograničavaju strujukratkog spoja.

When, however, the DC current passes through thefuse, contrary to the AC current, it does not changethe periodic value and does not pass the zero state,hence the electric arc should be extinguished whenthe current with values not equal to zero passesthrough it. The energy of an electric arc is proportio-nal to the voltage arc, to the inductivity of the circuit

and to the square of the momentary current value E a≈

U

aL i2.The greater the energy of the electric

arc, the smaller the ability of the fuse to interruptthe AC current. Therefore, it is necessary to intro-duce the concept of time constants for AC circuitsT = L / R, ms, characterising the rate of increasingthe AC current.

By increasing inductivity L, H, the time constant T

for the DC circuit increases proportionally as doesthe power of the electrical arc E

a, W. Based on what

has been mentioned, it can be concluded that inthis case the ability of the fuse to interrupt the DC

current will be reduced, and that the ability to in-terrupt the DC current is inversely proportional tothe size of the DC circuit time constant T .

For the DC current, it can also be assumed that thesource voltage has approximately the same con-stant value and that interrupting the short circuitDC current will begin only approximately after thevoltage of the electric arc U

aincreases to a value

greater than the source voltage. Consequently, the-re occurs an increase in the length of the electricarc on the burned bridge, further increasing the fallin voltage and reducing the current, so that the ot-

her bridges cannot melt. If this electric arc is notextinguished quickly enough, the fuse will explode.

It is also important to emphasise that a small loadand a large time constant for the DC circuit are verycritical for fuses that are used in DC distributionsystems, especially if an AC fuse is used for thispurpose.

Interruption of large short circuit currents for low-voltage fuses is not as critical as when interruptingsmall short circuit currents, since in this case he-ating of the disintegrating element is so rapid that

a number of bridges will burn out at the same timecreating subsequently a multiple series of electricarcs that share the total voltage reduction in thefuse. When the voltage reduction in the fuse in theequal or greater than the rated voltage of the DCpower distribution sub-system, the electrical arc isextinguished and the fuse burns out.

For large short circuit currents, burning out of thelow-voltage fuse most often occurs before the shortcircuit current reaches the maximum value, hencewe say the fuse limits the short circuit current.

Besides unreliability when interrupting small over-loads and large inductive loads, low-voltage fuses

7/28/2019 076_097



Pored nepouzdanosti kod prekidanja malih pre-opterećenja i velikih induktivnih tereta, NN osi-gurači imaju i druge nedostatke:

— točka prekidanja se mijenja u ovisnosti otemperaturi okoline, a tolerancija isklopamože biti i preko 50 %,

— potrebno je zamijeniti rastalni element na-kon svakog pregaranja,— daljinska signalizacija pregaranja osigurača

je znatno složenija i nepouzdanija nego kodprekidača te se često i ne ugrađuje,

— prekidna moć osigurača za domaćinstvo (tip

D i DO) je samo 8 kA pri250 V, što nije dovolj-no za većinu istosmjernih razvoda u velikimelektroenergetskim postrojenjima,

— prilikom povremenih preopterećenja postojimogućnost da osigurač ne prekine struju,ali da mu rastalni element djelomično izgorite da, nakon što bude ponovo opterećen,

potpuno pregori i tada pri manjoj struji odočekivane izazove neselektivan isklop u raz-vodu,

— u pogonskim uvjetima čest je slučaj da se na-kon pregaranja rastalni elementi osiguračazamijene neodgovarajućim, što takođermože izazvati neselektivan isklop i gubitakpouzdanosti istosmjernog razvoda, a projek-tantski to nije moguće spriječiti.

Navedeni nedostatci glavni su razlozi zbog kojih se u modernim podsustavima istosmjernograzvoda i napajanja u elektroenergetskim po-

strojenjima NN osigurači, kao električni zaštitniuređaji, rijetko koriste.

Zbog specičnosti istosmjernih strujnih krugovadanas se za primjenu u istosmjernim razvodimaproizvode i specijalni osigurači punjeni materija-lima za brzo gašenje električnog luka i rastalnimelementima s povećanim brojem serijski spoje-nih mostića. Međutim, njihova primjena je ipaknajčešća u električnim transportnim postrojenji-ma, gdje su nazivni istosmjerni naponi vrijedno-sti i do 1 200 V.

2.2 Niskonaponski prekidači

Niskonaponski prekidači električki su zaštitniuređaji koji u normalnim pogonskim prilikamauklapaju, vode i isklapaju električnu struju, amogu i pouzdano uklopiti i (ili) prekinuti strujnikrug pri preopterećenju i kratkom spoju [2].

Niskonaponski prekidači (NN prekidači) moguse razvrstati prema različitim kriterijima. Tako ihse prema načinu mehaničke izvedbe može po-dijeliti na zračne, kompaktne i male prekidače.Osim toga postoje podjele i prema ugrađenim

isklopnim jedinicama, načinu ugradnje u ormarerazvoda, načinu gašenja električnog luka, i dr.

have other inadequacies:

— the interruption point changes depending onthe temperature of the surroundings, while thede-energization tolerance can be over 50 %,

— it is necessary to replace the fusible elementfollowing each burn-out,

— remote signalisation of a burnt-out fuse is sig-nicantly more complex and less reliable thanat a circuit breaker and is often not installed,

— the fuse interruption capacity for households(type D or DO) is only 8 kA at 250 V, which isinadequate for most DC distribution systems inlarge electrical power facilities,

— during temporary overloading, there exists thepossibility that the fuse will not interrupt thecurrent, and that its fusible elements only par-tially burn out, and that after it is loaded again,it will completely burn out and then for currentssmaller than expected events a non-selective

de-energization in the distribution system,— in operational conditions, often the case is thatonce it has burned out, the fusible element isreplaced by an inappropriate fuse, which canalso lead to non-selective de-energization andloss of reliability in the DC distribution system,while in terms of design, this cannot be avoid-ed.

The stated inadequacies are the main reasons dueto which, in modern DC power distribution sub-sy-stems located in electrical power facilities, the low-voltage fuses acting as electrical protection devices

are rarely used!

Due to the specics of the DC circuit, today, specialfuses, lled with materials for quick extinguishingof the electric arc, are used in DC distribution pro-ducts, as well as fusible elements with an increa-sed number of serially connected bridges. Howe-ver, their use occurs most frequently in electricaltransport facilities, where the rated DC voltages areup to 1 200 V.

2.2 Low-Voltage Circuit Breakers

Low-voltage circuit breakers are electrical protec-tion devices which, in normal operating conditions,activate, manage and interrupt the electrical cu-rrent, and are able to reliably activate and (or) in-terrupt the circuit during loads and short circuits .

Low-voltage circuit breakers (LV circuit breakers)

can be categorised according to various criteria.Hence, they can be, based on their mechanical con-struction, divided into air, moulded case and mi-niature circuit breakers. Also, there exist divisionsaccording to installed trip units, the manner of in-

stallation into distribution cabinets, and the mannerof extinguishing the electrical arc, and so on.

7/28/2019 076_097



2.2.1 Zračni prekidači ili ACB (engl. Air Circuit

Breakers )

2.2.1 Air Circuit Breakers (ACB)

Slika 3 — Zračni NN prekidač namijenjen za prekidanje istosmjerne strujeFigure 3 — Low-voltage DC air circuit breaker

Slika 4 — Kompaktni NN prekidačFigure 4 — LV Moulded case circuit breaker

Zračni prekidači (slika 3) su NN prekidači koji seproizvode za velike nazivne struje, od 800 A do

6 300 A. Kako bi izdržali snažne mehaničke silei veliko zagrijavanje koje se javlja pri prekidanjuvelikih struja kvara izvedeni su mehanički vrlorobusno. Za razliku od manjih, malih i kompak-tnih prekidača, pogodni su za održavanje, budućida se sklapaju od više sastavnih dijelova koje jetijekom održavanja radi neispravnosti moguće

jednostavno zamijeniti. Osim skraćenice ACB(naziv prema IEC-u) za ovu vrstu NN prekidačaupotrebljavaju se i skraćenice ICCB (engl. Insu-

lated Case Circuit Breaker ) i PCB (engl. Power Circuit Breaker ).

2.2.2 Kompaktni prekidači ili MCCB (engl.Moulded Case Circuit Breakers )

Air circuit breakers (Figure 3) are low-voltage circuitbreakers that are manufactured for large rated cu-rrents, ranging from 800 A to 6 300 A. In order to wi-thstand the strong mechanical forces and extensiveheating occurring during interruption of large faultcurrents, they are mechanically constructed veryrobust. In comparison to the smaller circuit brea-kers, the smaller and module case circuit breakers,they are suitable for maintenance since they arecomprised of multiple integral parts that may besimply replaced during maintenance due to faults.Besides the abbreviations ACB (designation accor-ding to IEC) for this type of LV circuit breaker, theabbreviations ICCB (Insulated Case Circuit Breaker) and PCB (Power Circuit Breaker) are also used.

2.2.2 Moulded Case Circuit Breakers (MCCB)

Kompaktni prekidači (slika 4) su NN prekidačismješteni u kompaktna kućišta od izolacijskogmaterijala, nisu poput zračnih prekidača pogod-ni za održavanje i popravljanje te je u slučajuneispravnosti bilo kojeg dijela potrebno zamije-niti cijeli prekidač. Kućište onemogućuje nepo-sredan dodir dijelova pod naponom. Kompaktniprekidači imaju uklopnu ručicu s tri položaja(uklopljeno − isklopljeno zbog prorade zaštite −

isklopljeno), a proizvode se za nazivne struje od16 A do 3 200 A.

The moulded case circuit breakers (Figure 4) are

low-voltage circuit breakers located in a compacthousing made of insulation materials; they are notcompletely like air circuit breakers, are not suitablefor maintenance and repairs and in the event of afault in any part, it is necessary to replace the wholecircuit breaker. The housing does not permit directcontact with the parts under voltage. The mouldedcase circuit breakers have a switching handle with

three positions (switched – switched off due to acti-vation of protection – and deactivated/switched off).

7/28/2019 076_097



Slika 5 — Mali istosmjerni nn prekidačFigure 5 — LV DC miniature circuit breaker

Slika 6 — Presjek hidro-magnetskog okidačaFigure 6 — Cross section of a hydromagnetic trip unit

2.2.3 Mali niskonaponski prekidači ili MCB (engl.Miniature Circuit Breakers )

They are manufactured for rated currents rangingfrom 16 A to 3 200 A.

2.2.3 Miniature Circuit Breakers (MCB)

Mali niskonaponski prekidači (slika 5) su preki-dači malih dimenzija, za montažu na DIN-nosač,s TM-okidačima ugrađenim ksno u prekidaču(okidači nisu odvojivi od malih prekidača kao što

je najčešći slučaj kod ACB i MCCB). Mali preki-dači se proizvode za struje od 0,5 A do 100 A, u

potpunosti su bez održavanja i mogućnosti po-pravka.

2.2.4 Podjela niskonaponskih prekidača premaugrađenim isklopnim jedinicamaNiskonaponske prekidače prema ugrađenimisklopnim jedinicama može se podijeliti na hi-

dro-magnetske, termo-magnetske, magnetske(bez termičke zaštite) ili trenutačne i prekidačes mikroprocesorskim okidačima.

Miniature low-voltage circuit breakers (Figure 5) are small-dimensioned circuit breakers used forinstalling on DIN-carriers, with TM-trip units in-stalled in a xed manner in the circuit breaker (trip

units are not separable from small circuit breakersas is most often the case with ACBs and MCCBs).

Miniature circuit breakers are devices for currentsranging from 0,5 A to 100 A, with no possibility ofmaintainance or repair.

2.2.4 Categories of Low-Voltage Circuit breakersbased on Installed trip unitsLow-voltage circuit breakers based on installed trip

units may be divided into hydromagnetic, thermo-magnetic, magnetic (with no thermal protection) or

momentary and those with microprocessor trips.

Prekidači s hidro-magnetskim okidačima (slika 6)

se koriste kao posebna izvedba malih NN preki-dača. Kod ovog tipa prekidača magnetska se sila,koja se javlja zbog protjecanja struje kvara, ne ko-risti samo za isklapanje struje kratkog spoja već iza isklapanje pri preopterećenju. Prilikom preop-terećenja vrijeme prorade se regulira korištenjem

tekućine koja se nalazi unutar cijevi zajedno s ma-gnetskom jezgrom. Brzinu pomicanja magnetske

Circuit breakers with hydromagnetic trip units (Fi-gure 6) are used as special versions of miniatureLV circuit breakers. For this type of circuit breaker,the magnetic force, appearing due to the releaseof a fault current, is not used just for interruptingshort circuit current but also for interruption du-ring overloads. During overloads, the activation

time is regulated by the use of uid found withinthe tube together with the magnetic core. The

7/28/2019 076_097



jezgre unutar cijevi određuje viskozitet tekućine.Promjenom viskoziteta tekućine postižu se ra-zličite vremenske karakteristike prekidanja pripreopterećenju, prilagođene vrsti trošila koja senapajaju preko određenog NN prekidača. Kadanastupi kratki spoj (približno 6 I

n), prorada oki-

dača je neovisna o viskozitetu tekućine, budući

da okidač trenutačno privuče armaturu i izvršiisklop prekidača. Hidro-magnetski prekidači neomogućavaju postizanje selektivnosti u više oddvije razine razvoda i namijenjeni su za preki-danje struja u podsustavima niskih istosmjernihnapona te se najčešće koriste u podsustavimaistosmjernog razvoda i napajanja za telekomuni-kacije (nazivni istosmjerni naponi do 60

V).

speed of movement of the magnetic core withinthe tube is determined by the viscosity of the uid.With changes to the viscosity of the liquid, varioustime characteristics of interruption during overlo-ading are achieved, adapted to types of loads thatare supplied with power through a certain LV circuitbreaker. When a short circuit occurs (approximately

6 I n), activation of the trip unit is independent ofthe liquid viscosity, since the trip unit momentarilypulls the contact and completes the circuit breakerswitch. Hydromagnetic circuit breakers do not allowselectivity at more than two distribution levels andare intended for interrupting the current in low DCvoltage sub-systems and most often used in the DCpower distribution system for telecommunications(rated DC voltage up to 60

V).

Slika 7 — Mikroprocesorski okidačFigure 7 — Microprocessor trip unit

Slika 8 — Termo-magnetski okidačFigure 8 — Thermomagnetic trip unit

S obzirom na činjenicu da imaju velike mogućno-sti podešavanja zaštite, upravljanja i prijenosa po-dataka, danas se vrlo često primjenjuju NN zračnii kompaktni prekidači opremljeni mikroproce-sorskim (elektroničkim) okidačima (slika 7). Me-đutim, mikroprocesorski okidači za nadzor strujenajčešće koriste strujne transformatore. Budućida strujni transformatori nisu primjenjivi u isto-smjernim razvodima, mikroprocesorski okidači dosada najčešće nisu bili namijenjeni za upotrebu uistosmjernim strujnim krugovima. Tek odnedavnosu se na tržištu pojavili prvi prekidači s mikropro-cesorskim okidačima namijenjeni za upotrebu uistosmjernim razvodima (slika 3).

Considering the fact that they have great possi-bilities to congure the protection, managementand data transfer, today LV air and moulded casecircuit breakers are very often equipped with mi-croprocessor (electronic) trip units (Figure 7).

However, the microprocessor trip unit for moni-toring the current is mostly used by current tran-sformers. Since current transformers are notapplicable in DC distribution systems, micropro-cessor trip units up until now were most often notintended for use in DC circuits. Only recently havethe rst circuit breakers with microprocessor tripunits intended for used in DC circuits appeared onthe market (Figure 3).

U istosmjernim razvodima se najčešće koriste NNkompaktni i mali prekidači s termo-magnetskim(TM) okidačima (slike 8 i 9) čija je tipična krivulja

prekidanja struje predočena na slici 10. Danasproizvođači prekidača s TM okidačima najčešće

In DC distribution systems, most often the LV mo-ulded case and miniature circuit breakers withthermomagnetic (M) trip units are used (Figure

8 and 9), the typical current termination curve ofwhich is shown in Figure 10. Today, manufactu-

7/28/2019 076_097



Slika 9 — Princip okidanja termo-magnetskih okidačaFigure 9 — The triggering principle in thermomagnetic trip unit

u katalozima prilažu krivulje prekidanja za izmje-ničnu struju, a za ugradnju u istosmjerne strujnekrugove deniraju faktore pomaka krivulje u od-nosu na izmjeničnu struju.

Zbog toga je potrebno usporediti ponašanje preki-dača s TM okidačima pri prekidanju izmjenične i

istosmjerne struje (slika 9).

rers of the circuit breaker with TM trip units mostoften show in catalogues the termination curvefor the AC current, whereas a curve displacementfactor is dened with respect to the AC current forinstallation into DC circuits.

Consequently, it becomes necessary to compare

the behaviour of circuit breakers with TM trip unitswhen terminating AC and DC currents (Figure 9).

Iz slike 10 je vidljivo da se isklopna karakteri-

stika prekidača s TM okidačima može podijelitiu tri dijela. Područje djelovanja termičke zaštitepočinje od nazivne struje prekidača ( I

n) do struja

vrijednosti približno 3 I ndo 12 I

n. U tom dije-

lu karakteristike na isklop prekidača djelujebimetal smješten u termičkom okidaču (slika

9B). Dok struja prolazi kroz bimetal on se grijei rasteže. Kada se bimetal dovoljno zagrije, me-hanički će djelovati na isklopnu polugu, koja ćezatim izvršiti otvaranje kontakata i isklop pre-kidača. Prorada termičkog okidača proporcio-nalna je s integralom kvadrata struje (∫i2d t ), tj.s kvadratom struje i trajanjem vremena kvara.Budući da je nazivna vrijednost izmjenične stru-

je denirana kao struja koja na otporniku stvaraisto zagrijavanje kao odgovarajuća istosmjernastruja, isklopna karakteristika u području pro-rade termičke zaštite identična je za izmjeničnu(nazivna vrijednost struje) i istosmjernu struju[3].

In Figure 10 it is evident that the de-energization

characteristic of the circuit breaker with the TM tripunit can be divided into three parts. The area of ac-tivity by the thermal protection begins from the cir-cuit breaker rated current ( I

n) to the current value

being approximately 3 I nto 12 I

n. In this part of the

characteristics, the bimetal situated in the thermaltrip unit (Figure 9b) impacts the circuit breaker de-energization. While the current passes through thebimetal, it heats up and expands. When the bimetalheats up enough, it mechanically impacts the swit-ch leverage, which will thereafter open the contactand de-energize the circuit breaker. Activation of thethermal trip unit is proportional to the integral of thecurrent squared (∫i2d t ), i.e. with the current squaredand the length period of the fault. Since the rated va-lue of the AC current is dened as the current whichcreates the same heat at the resistor as the respec-tive DC current, the de-energization characteristic inthe area of thermal protection activation is identicalto the AC (rated current value) and DC current.

7/28/2019 076_097



U dijelu krivulje gdje završava djelovanje termič-ke zaštite i počinje djelovanje magnetske zaštitenalazi se prijelazno područje. Vrijeme isklopa utom području nije moguće točno odrediti budućida je tolerancija prorade magnetskog okidača

± 20 % oko srednje vrijednosti struje prorade.Magnetska sila koja nastaje kada kroz zavojnicuprolazi struja izaziva proradu magnetske zašti-te (slika 9C). Magnetska sila je proporcionalnakvadratu trenutačne vrijednosti struje. Budućida je maksimalna vrijednost izmjenične strujesinusnog oblika za 1,41 puta veća od njezinenazivne vrijednosti, a maksimalna vrijednostistosmjerne struje identična nazivnoj vrijedno-sti, kod primjene prekidača s TM okidačima priprekidanju istosmjerne struje dolazi do pomakastruje prorade magnetske zaštite, odnosno doproduljenja područja djelovanja termičke zašti-

te. Taj pomak kod malih prekidača iznosi otprili-ke1,4 I

m (najviša vrijednost sinusne funkcije, pri

čemu je I m

nazivna izmjenična struja kod kojedolazi do prorade magnetske zaštite). Za razlikuod malih prekidača, robusniji kompaktni i zračniprekidači, nakon što struja kvara stvori graničnumagnetsku silu isklapanja, ne mogu trenutačnoizvršiti proradu magnetskog okidača. Zbog toga

je kod njih pomak krivulje prorade magnetskogokidača manji i iznosi između 1,1 I

mdo 1,4 I

m.

U trećem dijelu krivulje predočene na slici10 nalazi se područje djelovanja magnetske

zaštite. U tom području struja ima dovoljnovisoku vrijednost da sila koja djeluje na elek-

The curve section where activation of thermal pro-tection ceases and magnetic protection begins isthe transitional area. The de-energization period inthis area cannot be exactly determined since the to-lerance for activation of the magnetic trip unit is ±

20 % of the median activation current. The magneticforce occurring when current passes through thecoil causes the activation of magnetic protection (Fi-gure 9c). The magnetic force is proportional to thesquare of the momentary current value. Since themaximum value of the AC current for the sinusoidalshape is 1,41 times greater than its declared value,and the maximum AC current value is identical tothe rated value, when using a circuit breaker withTM trip units during interruption of the DC current,there occurs a movement of the activation current inthe magnetic protection, and a larger area of ope-ration for thermal protection. This shift for small

circuit breakers amounts to around 1,4 I m (highestvalue of the sinusoidal function, whereby I

mis the

rated AC current causing activation of magnetic pro-tection). In comparison to small circuit breakers, inthe more robust compact and air circuit breakers,once the fault current produces maximum termina-tion magnetic force, these circuit breakers are notable to momentarily activate the magnetic trip unit.Consequently, the activation curve for the magnetictrip unit shifts less and amounts to between 1,1 I

m

and 1,4 I m.

In the third section of the curve shown in Figure 10,

there are operational areas for magnetic protection.In this area, the current has a suitably high value so

Slika 10 — Tipična krivulja prekidanja TM prekidačaFigure 10 — Typical TM circuit breaker termination curve

7/28/2019 076_097



tromagnet isklopi prekidač u vrlo kratkomvremenu, nedovoljno dugom da se bimetalznačajnije zagrije. Ukoliko vremenska kon-stanta istosmjernog kruga nije veća od 10 ms,

nema bitne razlike u vremenu prekidanja isto-smjerne struje u odnosu na izmjeničnu struju utom dijelu I-t krivulje.

Osim izmjeničnih prekidača s TM okidačima,koji se mogu koristiti i za prekidanje istosmjer-nih struja, danas se proizvode i prekidači s TMokidačima predviđeni isključivo za prekidanjaistosmjernih struja. Kod njih su karakteristikeprekidanja već denirane za istosmjerne strujei nije potrebno provoditi korekciju krivulja zbogpomicanja mjesta prorade magnetske zaštite.

Posebno su zanimljivi mali prekidači deklarira-ni samo za istosmjernu struju. Naime, svi maliprekidači ograničavaju struje kratkog spoja, pa

su u stanju i prekinuti istosmjernu struju. Me-đutim, pri višim naponima za prekidanje isto-smjernih struja potrebno je u seriju povezati ve-liki broj polova prekidača (oko 60 V/polu). Zbog

toga se izrađuju posebni prekidači za istosmjer-ne struje s dodatnim permanentnim magnetomkoji je tako polariziran da pri kratkom spoju iza-ziva produljenje električnog luka, te na taj načinpospješuje njegovo gašenje. Takvi prekidači suu stanju prekinuti istosmjernu struju s napo-nima 120 V/polu do 250 V/polu. Mali prekidačideklarirani za istosmjerne struje trebaju se kodugradnje u istosmjerni razvod priključiti tako da

kroz njih struja prolazi propisanim smjerom. Uslučaju priključka na razvod na pogrešni smjeristosmjerne struje permanentni magnet preki-dača će se pogrešno polarizirati i umjesto pro-duljenja izazvat će skraćenje električnog luka.Na taj način, umjesto pospješivanja prekidanja,dogodit će se sprječavanje prekidanja električ-nog luka i uništenje NN prekidača.

NN prekidači s magnetskim ili trenutačnimokidačima imaju magnetsku isklopnu jedinicuidentičnu kao TM okidači, samo što ne sadržebimetal. Ti prekidači štite krugove istosmjernog

razvoda i napajanja samo od kratkog spoja tezaštitu od preopterećenja treba riješiti nekimdrugim zaštitnim uređajem u strujnom krugu.Ovi prekidači se, također, ponekad koriste uistosmjernim razvodima.

2.2.5 Ostale podjele niskonaponskih prekidačaOsim do sada navedenih postoje i druge podjeleniskonaponskih prekidača. Tako na primjer po-stoji podjela na izvlačive, utične (engl. plug-in) i

ksne prekidače, prema načinu njihove ugrad-nje u ormare razvoda. Također postoji i podjelana prekidače za zaštitu kabela, prekidače za

zaštitu motora, prekidače za zaštitu transfor-matora, prekidače za zaštitu kondenzatorskih

that the force acts on the electromagnetic de-ener-gization of the circuit breaker in a very short interval,not long enough for the bimetal to signicantly heatup. Insomuch as the time constant for the DC circuitis not greater than 10 ms, there are no signicant di-fferences in the interruption time for the DC currentwith respect to the AC current in that I-t area of the

curve.

Besides the AC circuit breakers with TM trip units,which can be used also for interrupting the DC cu-rrent, today’s circuit breakers with TM trip units areproduced exclusively for interrupting the DC current.For there circuit breakers the interruption characte-ristics are already dened for the DC current and itis not necessary to carry out curve corrections due tothe shift in activation points of magnetic protection.

Especially interesting are the miniature circuit bre-akers declared only for DC currents. Namely, all

small circuit breakers limit short circuit currents,hence they are capable of interrupting the DC cu-rrent. However, at higher voltages, interrupting theDC current requires linking in series a large numberof circuit breaker poles (around 60 V/polu). Therefo-re, a special circuit breaker is constructed for the DCcurrent with an additional permanent magnet whichis polarised so that during short circuits it causes anextension to the electric arc, and in this way impro-ves its extinguishing. These circuit breakers are ableto interrupt the DC current at voltages of 120 V/polu

to 250 V/polu. Miniature circuit breakers declared foruse with DC currents should, when installed into DC

distribution systems, be connected so that currentows through them in the prescribed direction. Inthe event that the connection to the distribution isin the wrong DC current direction, the permanentmagnet circuit breaker will be incorrectly polarizedand instead of extending the electrical arc it will ca-use the electrical arc to be shortened. In this way,instead of improving interruption, what will happenis prevention of the electrical arc terminating anddestruction of the LV circuit breaker.

LV circuit breakers with magnetic or instantaneoustrip units possess a magnetic trip unit identical to

the TM trip unit, only without bimetal. These circu-it breakers protect circuits in DC power distributionsystems only against short circuiting and protecti-on against overloading should be resolved by otherprotection devices in the circuit. These breakers arealso sometimes used in DC distribution systems.

2.2.5 Other Divisions of Low-Voltage Circuit Brea-kers

Besides the above stated there exist other categori-es of low-voltage circuit breakers. Hence for exam-ple, there is the division on withdrawable, plug-inand xed circuit breakers, according to the manner

of their installation in the distribution cabinet. Also,there are categories of circuit breakers for cable pro-

7/28/2019 076_097



baterija, prekidače za ugradnju u brodovima tepodjela na prekidače za zaštitu poluvodiča, pre-ma namjeni za koju su proizvedeni.

Zanimljiva je također i podjela na NN prekida-če koji velike struje kratkog spoja prekidaju priprolazu struje kroz nulu i prekidače koji ogra-

ničavaju struju kratkog spoja [4]. Karakteristika je NN prekidača koji struje kratkog spoja preki-daju pri prolazu struje kroz nulu da pri kratkomspoju gašenje električnog luka nastupi nakonšto NN prekidač propusti vršnu vrijednost stru-

je kratkog spoja. U izmjeničnim mrežama se zaprekidanje struje koristi trenutak prolaska stru-

je sinusnog oblika kroz nulu, pa se za njih koristii engleski naziv (engl. current-zero cut off brea-

ker ). Nedostaci ovih prekidača su sljedeći:

— niska prekidna moć, što je posebice izraženopri prekidanju istosmjerne struje zbog znat-

no složenijeg principa gašenja luka (izuzetaksu zračni NN prekidači robusne mehaničkeizvedbe),

— otežano postizanje selektivnosti s nekolikoprekidača klasične izvedbe u seriji.

Danas se još kao current-zero cut off breakerproizvode najčešće zračni NN prekidači kojispadaju u tzv. kategoriju B prekidača. Takviprekidači mogu osigurati vremensku selek-tivnost pri velikim strujama kratkog spoja, jermogu određeno vrijeme (podesivo do nekolikostotina milisekundi) voditi struju kratkog spoja,

te je potpuno prekinuti tek nakon isteka togavremena.

Moderni kompaktni i mali prekidači ograniča-vaju struju kratkog spoja, tj. prekidaju strujukratkog spoja prije nego što ona postigne vršnuvrijednost. Ograničavanjem struje skraćuje se itrajanje kratkog spoja, te kratki spoj traje kraćenego u slučaju primjene prekidača kod kojih nepostoji ograničavanje.

Prednosti ograničavanja struja kratkog spoja:

— znatno manje dimenzije prekidača i većaprekidna moć,— sličan princip prekidanja struja kratkog

spoja za istosmjernu i izmjeničnu struju,— smanjenje elektromagnetskih i termičkih

utjecaja koji se javljaju prilikom kratkogspoja na opremi koju štite, te opremi koja senalazi u njihovoj neposrednoj blizini,

— smanjenje mehaničkih sila koje se javljajupri kratkom spoju na štićenim uređajima.

Navedene prednosti imale su za posljedicu či-njenicu da se u najnovijim podsustavima isto-

smjernih razvoda i napajanja uglavnom koristiova vrsta niskonaponskih prekidača.

tection, motor protection, transformer protection,protection of shunt capacitors, circuit breakers forinstalling in boats and categories of circuit breakersfor semiconductor protection, based on the uses forwhich they are manufactured.

What is also interesting is the category of LV circuitbreakers which interrupt large short circuit currentsduring the passing of currents through zero stateand circuit breakers that limit short circuit currentconnections [4]. A characteristic of LV circuit bre-akers interrupting short circuit currents when cu-rrent passes through zero is that during short circu-its, extinguishing the electric arc occurs after the LVcircuit breaker releases the peak value of the shortcircuit current. In AC grids, interruption of current isperformed using the momentary passing of a sinu-soidal current wave through zero, hence the Englishterm is used current-zero cut off circuit breaker.The inadequacies of these circuit breakers are the

following:— low interrupting capacity, which is especially

present during the interruption of the DC currentdue to the signicantly more complex principleof extinguishing the arc (exceptions are the LV aircircuit breakers incorporating a robust mechani-cal construction),

— difculties in achieving selectivity with a numberof circuit breakers classically constructed in aseries.

Today, the most frequently manufactured LV air cir-

cuit breaker is the current-zero cut off circuit bre-aker which belongs to the so called B category ofcircuit breakers. These circuit breakers can ensuretime selectivity during large short circuit currents,because, during a certain time, they can (congura-ble up to a few hundreds of a millisecond) manageshort circuit currents, and completely interrupt cu-rrents only after the expiration of this time.

Modern compact and miniature circuit breakers li-mit short circuit current, i.e. interrupt short circuitcurrent before it reaches the peak value. In limitingthe current, the time period of the short circuit is

reduced, and the short circuit lasts less than in thecase of using a circuit breaker without limitation.

The advantages of limiting short circuit current are:

— signicantly smaller size circuit breakers andgreater interrupting capacity,

— similar principle for interrupting short circuitcurrent for DC and AC currents,

— reduction of electromagnetic and thermal in-uences that appear during short circuits onequipment that is protected, and equipment thatis located in their direct vicinity,

— reduction in mechanical forces that appear dur-ing short circuits on protected devices.

7/28/2019 076_097



3 SELEKTIVNOST ISKLOPAZAŠTITNIH UREĐAJA

3.1 Općenito

Analizu selektivnosti u istosmjernim razvodimaotežava činjenica što isklopne karakteristike ( I-t )

zaštitnih uređaja, koje se obično deniraju za iz-mjenični napon i frekvenciju 50 Hz ne odgova-raju u potpunosti i za istosmjerne razvode. Što-više, one se pri velikim strujama kratkog spojameđusobno bitno razlikuju, i trebaju se poseb-no preračunavati za svaku različitu vremenskukonstantu (T = L / R) istosmjernog kruga [3], [5]i [6].

Postoji više različitih načina ostvarivanja selek-tivnosti između dvaju zaštitnih uređaja u nisko-naponskim istosmjernim i izmjeničnim razvodi-ma. Najčešće se koriste:

— vremenska selektivnost,— blokiranje isklopa prethodne razine ili zon-

ska selektivnost,— strujna selektivnost,— energetska selektivnost i selektivno

ograničenje ili SELLIM i dr.

3.2 Vremenska selektivnost

Vremenska selektivnost se provjerava uspo-redbom I-t krivulja prekidanja zaštitnih uređaja

smještenih u raznim razinama zaštite [3].Najčešće se koristi kod međusobne provjerepotpune selektivnosti između glavnih prekidača(zračnih, kategorija B) kao i između tih prekida-ča i kompaktnih ili malih prekidača (prekidačakategorije A), te NN osigurača smještenih uistosmjernim razvodima. Prekidači kategorijeA i NN osigurači prekidaju struje kratkog spojau vremenu manjem od 10 ms, a vrijeme isklopastruja kratkog spoja glavnih prekidača je pode-sivo i može se postaviti na vrijednost i do nekoli-ko stotina milisekunda.

Uspoređuju se pripadajuće isklopne I-t krivulje,koje su predočene na slici 10, a zaštitni uređajsljedeće razine, uzimajući u obzir i propisimadenirana moguća odstupanja krivulja, u cije-lom opsegu struja od 0 do I

kstreba brže isklopiti

od prekidača prethodne razine (slika 11).

The stated advantages result in the fact that thesetypes of LV circuit breakers are used in the newestDC power distribution sub-systems.

3 DE-ENERGIZATION SELECTIV-

ITY IN PROTECTION DEVICES3.1 In General

Analysis of selectivity in DC distribution systems ishindered by the fact that de-energization characte-ristics ( I-t ) which are ordinarily dened for AC volta-ges at a frequency of 50 Hz are not fully suitable forDC distribution. Furthermore, for larger short circuitcurrents these greatly differ from one another, andshould be specially calculated for each different DCcircuit time constant (T = L / R) [3], [5] and [6].

There are various ways to achieve selectivity betweentwo protection devices in LV DC and AC distributionsystems. Those most frequently used are:

— time selectivity,— blocking de-energization at the previous level or

zone selectivity,— current selectivity,— power selectivity and selective limitation of

SELLIM and so on.

3.2 Time Selectivity

Time selectivity is veried by comparing the I-t curve

for terminating a protection device located in variousprotection levels [3].

It is most frequently used for comparisons of fullselectivity between the main circuit breaker (air,

category B) and between these circuit breakers andcompact or miniature circuit breakers (category Acircuit breakers), and LV fuses located in DC distri-bution systems. Category A circuit breakers and LVfuses terminate short circuit currents in time perio-ds of less than 10 ms, while the de-energization peri-

od for short circuit currents in main circuit breakersis congurable and can be set to values up to a fewhundred milliseconds.

Respective de-energization I-t curves are compa-red, shown in Figure 10, while the protection devicefor the next level, taking into account also possibledeviations of the curves prescribed by regulations inthe whole current range from 0 to I

ks, should be de-

energized more quickly than the circuit breaker atthe previous level (Figure 11).

7/28/2019 076_097



Ovaj način provjere koristi se i u kombinaciji s ne-kim drugim načinima provjere selektivnosti za NNprekidače kategorije A, tako da se vremenskomselektivnošću potvrđuje postojanje selektivnostisamo do struja koje predstavljaju malo preoptere-ćenje za prekidače više razine, a za veće struje radiprovjere selektivnosti koriste se druge metode.

3.3 Zonska selektivnost

Zonska selektivnost, ili blokiranje isklopa prethod-

ne razine, ostvaruje se modernim NN prekidači-ma opremljenim mikroprocesorskim okidačima.Ovaj način postizanja selektivnosti razvijen je sciljem da se ograniče termički gubici u kratkomspoju koji se događaju kada se u glavnom razvodukoriste prekidači s ksno podešenim vremenskimkašnjenjem [7].

Okidači prekidača, čim prepoznaju struju kratkogspoja, šalju signal prekidačima smještenim naprethodnim razinama, te blokiraju proradu njiho-vih okidača. Vrijeme prekidanja glavnih prekidača,ako se kvar dogodi u području njihovog djelovanja,

bit će značajno kraće nego ako se koristi vremen-ska selektivnost s ugrađenim ksnim zatezanjemprekidanja prekidača pri velikim strujama kratkogspoja, kako je opisano u točki 3.2, te se na taj na-čin ograničavaju termička naprezanja u kratkomspoju.

Korištenje zonske selektivnosti uglavnom je ogra-ničeno na glavne izmjenične razvode opremljenevelikim zračnim NN prekidačima s mikroproce-sorskim okidačima i najčešće je neprimjenjivo zaistosmjerne sustave, budući da su se tek odne-davno na tržištu pojavili prvi zračni prekidači opre-

mljeni mikroprocesorskim okidačima pogodnima iza korištenje u istosmjernim strujnim krugovima.

This verication method is also used in combina-tion with other forms of selectivity verication forcategory A LV circuit breakers, so that time selec-tivity conrms the existence of selectivity only forcurrents that represent small loads for higher-level circuit breakers, while for larger currents inverifying selectivity other methods are used.

3.3 Zone Selectivity

Zone selectivity or blocking de-energization at the

previous level, is achieved using modern LV circuitbreakers equipped with microprocessor trip units.This manner of achieving selectivity was develo-ped for the purpose of limiting thermal losses inshort circuits which occur when circuit breakerswith xed time delay settings are used in the maindistribution system.

Breaker trip units, having recognised a short cir-cuit current, send a signal to the circuit breakerslocated at the previous level, and block the activa-tion of the trip units. The interruption time of themain circuit breakers, if the fault occurs within

their operational area, will be signicantly shorterthan if time selectivity with in-built xed tensioncircuit breaker interruption is used during largeshort circuit currents, as described in point 3.2,and in this way thermal tension is limited in theshort circuit.

Use of zone selectivity is mainly limited to mainAC distributions equipped with large LV air circuitbreakers containing microprocessor trip units andis most often unusable for DC systems, since re-cently on the market the rst air circuit breakersequipped with microprocessor trip units suitable

for use in DC circuits have appeared.

Slika 11 — Isklopna I-t krivulja dvaju međusobno selektivnih prekidačaFigure 11 — Termination I-t curve of two mutually selective breakers

7/28/2019 076_097



Slika 12 — Strujna i pseudo (prividno)-strujna selektivnostFigure 12 — Current and pseudo (apparent) – current selectivity

3.4 Strujna selektivnost

Strujna selektivnost koristi se isključivo za pro-vjeru selektivnosti između NN prekidača i to upodručju malih preopterećenja koje je ograniče-no strujama prorade magnetskih okidača dvajuprekidača. Provjera se obavlja usporedbom I-t

krivulja prekidanja prikazanih na slici 12 [7], [8]i [9].

3.4 Current Selectivity

Current selectivity is used exclusively for vericationof selectivity between LV circuit breakers and in thearea of small overloads which is limited by activati-on currents in the magnetic trip units of two circuitbreakers. Verication is performed by comparing

the I-t

termination curve as shown in Figure 12 [7],[8] i [9].

Kod NN prekidača koji ograničavaju struju kratkogspoja strujna selektivnost se može proširiti i donajviših struja kratkog spoja i u tom slučaju se na-ziva prividna ili pseudo-strujna selektivnost. Pri-tom je potrebno odgovoriti na pitanje koliko trebaprekidač ograničiti struju kratkog spoja i u kojemvremenu struju treba u potpunosti prekinuti da nebi isklopio prekidač prethodne razine, odnosno dabi se postigla prividna-strujna selektivnost?

Ukupno vrijeme prekidanja struje kratkog spojaNN prekidača sastoji se od:

— vremena trajanja naloga potrebnog za početakprocesa prekidanja po isteku kojega se preki-danje više ne može zaustaviti,

— vremena potrebnog za okidanje magnetskogokidača, tj. za oslobađanje energije pohran-

jene u opružnom mehanizmu,— vremena razvijanja električnog luka nakon ot-

varanja kontakata,— vremena gašenja električnog luka.

Prividna-strujna selektivnost će postojati samoako je ukupno vrijeme prekidanja prekidača odre-đene razine manje od vremena trajanja naloga

prekidača prethodne razine.

For LV circuit breakers that limit short circuit cu-rrents, current selectivity can be extended to thelarger short circuit currents and in this instanceis called pseudo-current selectivity. Additionally, itis necessary to answer the question as to the de-gree to which the circuit breaker should limit theshort circuit current and in what period should itbe completely terminated in order not to de-ener-gize the circuit breaker at the previous level, thatis, to achieve pseudo-current selectivity.

The total time to interrupt a short circuit connecti-on in a LV circuit breaker comprises:

— necessary activation time period for initiat-ing the interruption process upon expirationwhich interruption cannot be halted,

— time required for triggering the magnetic tripunit, i.e. for releasing the energy in the springmechanism,

— time to create the electric arc after openingthe contact,

— time to extinguish the electric arc.

Pseudo-current selectivity will occur only if the to-tal circuit breaker interruption period for a certain

level is less than the time duration for initiating thecircuit breaker at the previous level.

7/28/2019 076_097



Potrebno vrijeme trajanja naloga (eng. unlatching

time, delatching time, pulse tripping ili command

time ) ovisno je o struji kratkog spoja.

Na slikama 13 i 14 može se očitati njegova vrijed-nost za primjer jednog kompaktnog 400 A preki-dača te jednog malog prekidača 20 A (C-karakte-

ristika prema IEC).

The necessary time duration for initiation (unlatc-hing time, delatching time, pulse tripping or com-mand time) depends on the short circuit current.

In Figures 13 and 14, the values can be read for theexample of a single compact 400 A circuit breaker

and a small 20 A circuit breaker (C-characteristics

according to IEC).

Slika 14 — Vrijeme trajanja naloga malog prekidača 20 A (C-karakteristika)

Figure 14 — Unlatching time period for a small 20A breaker (C-characteristics)

Slika 13 — I-t krivulja kompaktnog 400 A prekidača i vrijeme trajanja nalogaFigure 12 — I-t curve for a 400A compact breaker and the unlatching time period

7/28/2019 076_097



Slika 15 — Karakteristike I 2t NN rastalnih osigurača tip gG prema IEC 60269Figure 15 — Characteristics I 2t of LV fuse type gG based on IEC 60269

Međutim, funkcija vremena trajanja naloga u ovi-snosti o struji kratkog spoja najčešće nije dostu-pna u standardnim podacima NN proizvođača te

je treba posebno zatražiti od proizvođača.

Tijekom korištenja ove metode javlja se problemtrajanja naloga ovisno o visini struje, a struja ne-

posredno nakon nastajanja kratkog spoja naglo,eksponencijalno raste, pa iz krivulja predočenihna slikama 13 i 14 nije moguće jednostavno oči-tati potrebno vrijeme trajanja naloga.

Neki proizvođači, deniraju minimalno vrijeme trajanja naloga (engl. minimal command time ), a to jenajkraće vrijeme trajanja naloga koje vrijedi za vrlovelike struje kratkog spoja kod kojih dolazi do za-sićenja magnetske jezgre i armature magnetskogokidača, pa magnetska sila i trajanje naloga višene ovisi o daljnjem porastu struje kratkog spoja.

Ako je ukupno vrijeme isklopa prekidača 2, kodstruje čija je vrijednost jednaka struji prorademagnetskog okidača prekidača 1, kraće od mini-malnog vremena trajanja naloga prekidača 1 po-stojat će potpuna selektivnost između prekidača1 i prekidača 2 iz slike 12. Na ovaj način se, uzdosta sigurnosne zalihe, može jednostavno pro-vjeriti lažna-strujna selektivnost.

3.5 Energetska selektivnost i selektivnoograničenje (SELLIM)

Energetska selektivnost prvenstveno se koristi za

provjeru selektivnosti između NN osigurača [7],[10] i [11].

Selektivnost između NN osigurača se postižekada posljednji osigurač u nizu propusti ukupnomanji kvadrat struje tijekom pregaranja (∫i2d t

total)

od kvadrata stuje potrebnog za taljenje prethod-nih nn osigurača (∫i2d t

prearcing) (slika 15).

However, the command time function dependingon the short circuit current is most often not acce-ssible in standard data provided by LV manufactu-rers and most often it is necessary to seek suchinformation from the manufacturer.

During the use of this method, there appears the

problem of time duration depending on the currentvalue, while current directly following the occu-rrence of a short circuit spontaneously, exponen-tially grows, hence from the curves shown in Figu-res 13 and 14 it is not possible to simply identify thenecessary unlatching time period.

Some manufacturers dene the minimal com-mand time and this is the shortest command timethat is valid for large short circuit currents whe-re there occurs a saturation of the magnetic coreand magnetic trip unit contact, hence the magneticforce and command time no longer depends on a

further increase in the short circuit current.If the total de-energization period for circuit brea-ker 2, for current values equal to activation currentsin magnetic trip unit in circuit breaker 1, is shorterthan the minimum command time for circuit brea-ker 1, full selectivity will occur between circuit bre-aker 1 and circuit breaker 2 as shown in Figure 12.In this manner, with adequate safety reserves, thefalse current selectivity can be veried.

3.5 Energy Selectivity and Selective Limitation

Energy selectivity is primarily used for verifying se-lectivity between LV fuses [7], [10] and [11].

Selectivity between LV fuses can be achieved whenthe last fuses in series passes less current squa-red during blow-out (∫i2d t

total) than the current squ-

ared necessary for melting of the previous LV fuses(∫i2d t

prearcing) (Figure 15).

7/28/2019 076_097



Slika 16 — Usporedba I 2t dvaju NN prekidačaFigure 16 — Comparison of I 2t for two LV breakers

Ovaj način provjere se koristi i kada je u višoj ra-zini smješten NN osigurač, a u nižoj razini NNprekidači. Tada NN prekidači ne smiju propustititijekom prekidanja veći kvadrat struje pregaranjaod kvadrata struje potrebnog za taljenje prethod-nih NN osigurača.

Selektivno ograničenje ili SELLIM (engl.selecti

-ve limitation) nudi brojne prednosti pred ostalimvrstama selektivnosti i obično je konstrukcijskirazrađena od strane proizvođača NN prekida-ča sa ciljem da se postigne selektivnost izmeđurazličitih tipova NN prekidača, ali i da se osigurakaskadnost te smanje mehanička i termička na-prezanja u instalaciji.

Ovo je poseban oblik prividno-strujne selektivnosti(oba prekidača su ograničavači) i koristi se pri ve-likim strujama kratkog spoja. Pod pojmom velikestruje kratkog spoja podrazumijevaju se sve struje

kratkog spoja koje su veće od 2 I m, gdje je I m strujaprorade magnetskog okidača prekidača više razi-ne. Sve ostalo su male struje kratkog spoja.

Selektivno ograničenje se temelji na principuenergetske selektivnosti, tj. posljednji NN preki-dač u nizu propusti ukupno manji kvadrat strujetijekom prekidanja (∫i2d t

total) od kvadrata struje

potrebnog za aktiviranje prethodnih NN prekida-ča (∫i2d t

unlatchi).

Kod ove vrste selektivnosti NN prekidač 1 iz slike16 izveden je s produljenim vremenom trajanja na-

loga. Ako je u sljedećoj razini ugrađen obični pre-kidač-ograničavač, koji će prekinuti veliku strujukratkog spoja već u prvoj poluperiodi (< 10 ms)

i propustiti mali kvadrat struje (∫i2d t total

), selektiv-nost će se postići.

This manner of verication used when an LV fuse isinstalled at a higher level, while an LV circuit brea-ker is at a lower level. The LV circuit breaker mustnot allow the passing of larger blow-out currentsquared during interruption than the current squ-ared necessary for melting the previous LV fuse.

Selective limitation or SELLIM offers many advan-tages compared to the types of selectivity and or-dinarily is designed by the manufacturer of the LVcircuit breaker with the aim of achieving selectivitybetween two various types of LV circuit breakers,and also ensures cascading as well as smaller me-chanical and thermal tensions in the installation.

This is a special form of apparent current selec-tivity (both circuit breakers are limitators) and areused for large short circuit currents. The term oflarge short circuit currents include all short circuitcurrents greater than 2 I

m, where I

mis the activation

current for the magnetic trip unit in the circuit bre-aker at a higher level. Everything else is consideredto be smaller short circuit current.

Selective limitation is based on the principle ofenergy selectivity, i.e. the last LV circuit breakerin series passes less total current squared duringinterruption (∫i2d t

total) than the current squared

necessary for activation of the previous LV circuitbreaker (∫i2d t

unlatchi).

For these types of selectivity, the LV circuit brea-ker 1 in Figure 16 is used with an extended com-

mand time. If, at the next level, a standard circuitbreaker-limitator is installed, which will terminatelarge short circuit currents already in the rst half-period (< 10 ms) and pass small currents squared(∫i2d t

total) selectivity will be achieved.

7/28/2019 076_097



Therefore, circuit breaker 1, regardless of not de-energizing, due to mechanical forces which, duringinterruption of large currents, appears between thecontacts, separates the main contacts for a shortperiod (the so-called repulsion or contact repellingoccurs), and this leads to additional limiting of shortcircuit currents. Additional limitation of large short cir-

cuit currents by circuit breaker 1 allows circuit breaker2 to possess a smaller interruption capacity than thecalculated short circuit current at the fault location.This property is called cascade protection and the cas-cade level between various types of circuit breakers(with selectivity) is dened by manufacturers.

4 CONCLUSION

DC power distribution sub-systems are important forthe operation of electrical power facilities in normal

conditions especially in the event of the failure of gridvoltage and therefore should be reliable and safe.

In preserving the vital functions of electrical powerfacilities, selectivity of protection devices in DC distri-bution systems plays a large role, and this selectivityenables the fault to be terminated by protection de-vices closest to the fault location, whereby the pro-tection device at the previous distribution level andthose connected to it remain operational.

In low-voltage DC and AC circuits, for interruptingthe current in the event of a fault, low-voltage circuit

breakers are most often used and according to va-rious criteria and purpose, may be categorised intohigher groups.

Due to the numerous advantages in modern DCpower distribution systems, most often the moul-ded case and miniature circuit breakers are usedwhich interrupt short circuit currents before reac-hing peak value.

Selectivity protection is achieved by correctly choo-sing the type and arrangement of protection devicesat various distribution levels. For achieving selecti-

vity between two protection devices in DC voltagecircuits, various ways of achieving selectivity areused. Hence for example, in order to verify selectivitybetween LV circuit breakers during small DC shortcircuit currents, the most appropriate application istime selectivity. In order to verify selectivity betweenmoulded case and miniature LV circuit breakers du-ring large short circuit currents, it is possible for DCsystems, as well as for AC distribution, to use veri-cation of apparent current or energy selectivity.

Today’s manufacturers in LV circuit breaker catalo-gues include tables that dene the selectivity limit

between various types of LV circuit breakers, butthese tables are most often intended for verifying

Pri tom prekidač 1, bez obzira što nije isklopio,zbog mehaničkih sila koja se tijekom prekidanjavelikih struja pojave među kontaktima, kratko-trajno odvaja glavne kontakte (dođe do tzv. re-pulzije ili odbijanja kontakata) te s tim dodatnoograniči struju kratkog spoja. Dodatno ograni-čenje velikih struja kratkog spoja od strane pre-

kidača 1 omogućuje da prekidač 2 ima i manjuprekidnu moć od proračunske struje kratkogspoja na mjestu kvara. To svojstvo se naziva ka-skadnost zaštite, a razinu kaskadnosti izmeđurazličith tipova prekidača (uz selektivnost) de-niraju proizvođači.

4 ZAKLJUČAK

Podsustavi istosmjernog razvoda i napajanjabitni su za pogon elektroenergetskih postroje-

nja u normalnim uvjetima i posebice u slučajunestanka mrežnog napona te stoga trebaju bitipouzdani i sigurni.

U očuvanju vitalnih funkcija elektroenergetskihpostrojenja veliku ulogu ima selektivnost zaštit-nih uređaja u istosmjernom razvodu, kojom sepostiže da kvar isključuju zaštitni uređaji najbližimjestu kvara, pri čemu zaštitni uređaji prethodnihrazina razvoda i na njih priključeni izvodi ostajuuključeni.

U niskonaponskim istosmjernim i izmjeničnim

strujnim krugovima za prekidanje struje u slu-čaju kvara najčešće se koriste niskonaponskiprekidači koje se prema različitim kriterijima inamjeni može razvrstati u više grupa.

Zbog brojnih prednosti u modernim podsusta-vima istosmjernog razvoda i napajanja najčešćese primjenjuju kompaktni i mali prekidači kojiprekidaju struju kratkog spoja prije nego ona do-segne vršnu vrijednost.

Selektivnost zaštite postiže se pravilnim oda-birom vrsta i rasporeda zaštitnih uređaja po

razinama razvoda. Za ostvarivanje selektivno-sti između dvaju zaštitnih uređaja u krugovimaistosmjernog napona koriste se različiti načinipostizanja selektivnosti. Tako je na primjer zaprovjeru selektivnosti između NN prekidača primalim istosmjernim strujama kratkog spoja naj-pogodnija primjena vremenske selektivnosti. Zaprovjeru selektivnosti između kompaktnih i malihNN prekidača pri velikim strujama kratkog spojamoguće je kod istosmjernih, kao i kod izmjenič-nih razvoda, koristiti provjeru prividno-strujne ilienergetske selektivnosti.

Današnji proizvođači u katalozima NN prekidačaprilažu tablice koje određuju granice selektivno-

7/28/2019 076_097



sti između različitih tipova NN prekidača, ali su tetablice, najčešće, namijenjene za provjeru selek-tivnosti u izmjeničnim razvodima. Tablice selektiv-nosti prekidača, koje vrijede za izmjenične strujekratkog spoja, primjenjive su za približnu račun-sku provjeru selektivnosti i u istosmjernim razvo-dima elektroenergetskih postrojenja za određene

kombinacije NN prekidača. Međutim, tablice se-lektivnosti ne smiju se, ni u tim slučajevima, kori-stiti kao sigurna potvrda postojanja selektivnosti,već je stvarno postojanje selektivnosti u realnimistosmjernim razvodima potrebno potvrditi pri-marnim ispitivanjima selektivnosti u elektroener-getskim postrojenjima.

selectivity in AC distribution systems. The circuitbreaker selectivity tables, applicable for AC shortcircuit currents, are used for approximate calcu-lation verication of selectivity also in AC powerdistribution facilities for certain combinations ofLV circuit breakers. However, the selectivity tablesmust not, even in these instances, be used as a

certain verication of the existence of selectivity,but the actual existence of selectivity in real DCdistribution systems is to be veried using primarytesting of selectivity in electrical power facilities.

7/28/2019 076_097


LITERATURA / REFERENCES

[1] MARTINČIČ et al., Short circuit Protection in DC[2] ŠKARE, J., LOVEI, A., Problemi zaštite od kratkog spoja u istosmjernim razvodima postrojenja za

prijenos i distribuciju, Energija, god. 49(2000), broj 2[3] ŠKARE, J., Analiza dinamike sustava istosmjernog napajanja u elektroenergetskim postroje-

njima, Sveučilište u Zagrebu, Fakultet elektrotehnike i računarstva, Magistarski rad, Zagreb,2006.[4] ŠTEFAN, S., Doprinos proračunu i analizi procesa prekidanja struje u ograničavačima, doktorska

disertacija, 1994.[5] SKOK, S., Selektivnost zaštita u sustavima istosmjernih razvoda, Sveučilište u Zagrebu, Fakultet

elektrotehnike i računarstva, Doktorska disertacija, Zagreb, 2004.[6] SKOK, S., Sustavi istosmjernih razvoda u elektroenergetskim postrojenjima, Kigen d.o.o., Za-

greb, 2007.[7] NEREAU, J.P., Discrimination with LV power circuit-breakers, E/CT 201, 2001.[8] MOREL, R., LV circuit-breaker breacking techniques, E/CT 164, 2000[9] BUSSMANN, Selective Coordination[10] RÉMOND, C., From current discrimination to energy discrimination, J3E Special Merlin Gerin,

1994

[11] SERPINET, M., MOREL, R., Energy-based discrimination for low-voltage protective devices, E/CT167, 1994

Authors’ Adresses:

Javor Škare, MSc [email protected]ČAR − Electronics and Informatics Inc.Fallerovo šetalište 2210000 ZagrebCroatiaMiroslav Mesić, dipl. ing.

[email protected] Transmission System Operator Ltd.Kupska 410000 ZagrebCroatia

Manuscript received on:2008-12-01

Accepted on:2009-03-03

Adrese autora:

Mr. sc. Javor Škare [email protected]

KONČAR-Elektronika i informatika d.d.Fallerovo šetalište 22

10000 ZagrebHrvatska

Miroslav Mesić, dipl.ing.

[email protected] Operator prijenosnog sustava d.o.o.Kupska 4

10000 ZagrebHrvatska

Uredništvo primilo rukopis:2008-12-01

Prihvaćeno:2009-03-03

076_097

Documents