Késes Biztosítékok Méretei és Szabványai

Számos olyan alkatrészt találhatunk egy mai autóban is, amely már régóta a részét képezi egy közúti járműnek, mégis megkerülhetetlennek tűnik a használata. A biztosíték egy olyan eszköz, amelynek a legfontosabb feladata az, hogy a különböző áramköri elemeket - úgymint vezetékek, elektromos motorok, stb. - megóvja az esetleges túláramok és zárlatok káros hatásától.

Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy az erre a célra méretezett vezető (például huzal) kiolvadásával oldja meg a biztosíték azt, hogy az áramkör túl nagy belépő áram eseték megszakadjon. Másodlagos célja természetesen a névleges áramerősségüknél kisebb, de legfeljebb ugyanakkora áramok üzembiztos vezetése. Jelenlegi ismereteink szerint először Louis François Clément Breguet francia fizikus használt vékony vezetéket a távíróvezetékek védelmére. Később üvegből vagy kerámiából készült szigetelő patronban helyezték el az apró, fém végződésű huzalt, hogy az áram megszakadásakor keletkező villamos ív és olvadt fémcseppek ne okozzanak további károkat.

Az autóbiztosítékok olyan tekintetben tökéletesen megegyeznek az alap definícióval, hogy ezek is olyan alkatrészek, amelyeket az autók és járművek elektromos vezetékeinek védelmére terveztek. A főbb típusokat tekintve azonban egyet mindenképp ki kell emelnünk; a legtöbb modern autóbiztosíték késes biztosíték. Rendszeres karbantartásra tehát nincs szükség, és a legtöbb esetben egy egyszerű szemrevételezés is elegendő annak megállapítására, hogy a biztosíték még mindig kielégítő állapotban van-e. A puszta tény, hogy nem működik az adott áramkör, rögtön a megfelelő biztosítékhoz irányít minket.

Vannak olyan esetek, amikor a szemrevételezés nem vagy csak nehezen valósítható meg. A késes biztosítékokat két paraméter határozza meg alapvetően: a méretük és a névleges áramerősségük. Kiemelten fontos, hogy figyeljünk arra, hogy ne változtassunk az új biztosíték névértékén, azaz ne helyezzünk be nagyobb vagy kisebb névértékű biztosítékot a korábbihoz képest. Előfordulhat, hogy a névleges érték mégsem látszik a biztosítékon. Ilyenkor is van lehetőségünk eligazodni.

Érdemes ellenőrizni a biztosíték diagramját a járműben, hogy megértsük, melyik biztosítéktípus található az egyes pozíciókban. Ezen kívül van még egy lehetőségünk, ugyanis a különböző névleges értékekhez különböző egyezményes színek is társulnak. Mint ahogy azt fentebb említettük, ahogy a névleges értékek változnak, úgy változhatnak a késes biztosítékok méretei is.

Késes biztosítékok: minden, amit tudni kell

Kismegszakítók Jelleggörbéi

A katalógusokban, műszaki kiadványokban tartalmazott jelleggörbék a teljes hibaáram kioldási időtartamot megmutatják, az áram függvényében.

A kismegszakítók jelleggörbéje két részből áll:

kioldás túlterhelés miatt (hőkioldó egység): minél magasabb az áram értéke, annál gyorsabb a kioldás. A hőkioldó fő eleme egy bimetál (ikerfém) szalag, amely melegedés hatására elkezd alakot változtatni. Mivel a melegedés mértéke árammal arányos, minél nagyobb az áram annál gyorsabb a deformálódás, tehát a reakció ideje fordítottan arányos az áramértékkel. Az ikerfém termikus tehetetlensége miatt a hőkioldó egység gyorsan reagál az egymást követő túlterhelési áramokra, ezzel védi a vezetékeket és kábeleket a túlmelegedés miatt keletkező károktól.
kioldás rövidzárlat miatt (elektromágneses egység): ha az áram értéke meghaladja a készülék védelmi határértékét, a kioldási idő kevesebb mint 10 milliszekundum, tehát gyakorlatilag nincs késleltetés. Ezt az alábbi jelleggörbék vízszintes, I/In tengelyén ábrázolják.

A kioldási karakterisztikákat - hogy az elektromágneses kioldó az In névleges áram hányszorosainak milyen határai között van beállítva - a gyártó adja meg, ezeket feltünteti a terméken és annak műszaki adataiban. A kismegszakítók karakterisztikáit a fogyasztó jellegének megfelelően kell kiválasztani. A kioldási karakterisztikákat a jobb átláthatóság érdekében betűkkel jelölik, legjobban elterjedtek az B, C, D, K, Z jelölésűek.

B kioldási karakterisztika (MSZ EN 60898 szabvány értelmében): a névleges áram 3-5 szeresére van állítva. Ipari alkalmazásnál generátorok, hosszú kábelszakaszok, lakossági alkalmazásnál jellemzően ohmos jellegű fogyasztók túláram védelmére használják.
C kioldási karakterisztika (MSZ EN 60898 szabvány értelmében): a névleges áram érték 5-10 szeresére van állítva. Induktív jellegű és kapcsoló üzemű tápegységekkel rendelkező fogyasztók vezeték védelmére. Induktív jellegű fogyasztók például a villamos motorok amelyeket tartalmaznak különböző ipari berendezések vagy háztartási készülékek. Kapcsoló üzemű tápegységek azok az AC/DC elektronikus tápegységek amelyek eltérően a hagyományos váltakozóáramú tápegységektől egy meghatározott DC feszültségű áram előállításához nagyfrekvenciájú kapcsolójelet használnak. Első sorban ipari felhasználása a jellemző, elektronikai eszközöket tartalmazó áramkörök védelme.
MA kioldási karakterisztika (MSZ EN 60947-2 szabvány értelmében): a névleges áramérték 12 szeresére van állítva. Első sorban ipari felhasználása a jellemző, motorindítók túláram védelme.

Szabványok

A kismegszakítók karakterisztikáit két eltérő szabvány szerint adják meg, MSZ EN 60898 és MSZ EN 60947-2 szabvány.

Mire jó a késes biztosíték?

Olvadóbiztosítók

Harmadik alkalommal van találkozásunk a védelmi eszközök „cápájával”, az elektrotechnika hőskorában kialakult és látszólag máig változatlan, igen sikeres egyedével: az olvadóbiztosítóval. Talán sikerült a közismert tények felelevenítésén túl néhány műszaki és technikatörténeti érdekességre is felhívni az Olvasó figyelmét. Az eddigiekben eljutottunk a kezdetektől a ma használatos kis- és középfeszültségű olvadóbiztosítók áttekintéséig.

Egy olvadóbiztosító tervezésekor el kell dönteni, hogy mi az adott esetben a legfontosabb szempont, amiben bajnoknak kell lennie. A mérete legyen a lehető legkisebb, vagy a működési sebessége a legnagyobb? A hőveszteségét minimalizáljuk, vagy a zárlati megszakítóképességét tornásszuk föl a lehető legnagyobb értékre? Persze lehet, hogy több is fontos ezek közül, de - műszaki szakembereknek ezt nem kell bizonygatni - egyszerre minden tekintetben nem lehet a maximumot hozni. Mindig kompromisszumokra kényszerülünk, mert a felsorolt kívánságok gyakran ellentétes intézkedésekkel valósíthatók meg. És persze kőkemény pénzkérdés is, hogy mennyi és milyen drága anyagot, munkát fektetünk be egy biztosító elkészítésébe.

A megoldás tehát az, hogy különböző eszközök védelmére, különböző környezetbe, eltérő igényekhez más-más olvadóbiztosítót kínálnak a gyártók. Minden feladathoz meg lehet találni az optimális megoldást, de ehhez el kell tudni igazodni a gazdag választékban. Csúnyán melléfoghat egy dilettáns, aki fél-vállról veszi a dolgot: védelem helyett akár időzített bombát is telepíthet. Szerencsére nem nagy ördöngösségről van szó, az alapok ismeretében egy villanyszerelő mester biztos kézzel választ.

Vegyünk kézbe például egy késes olvadóbetétet, és nézzük meg, mi olvasható le róla (1. ábra)! A gyártó azonosítója mellett biztos megtaláljuk a típus- és méretjelzését (például NH2). Az 1-es, 2-es, 3-as, 4-es, majd a 4a-s méretszám jelöli az egyre nagyobb áramerősség-sorokhoz tartozó egyre nagyobb szabványos geometriai méreteket. Persze a technológia fejlődésével megindult a méretcsökkentés irányába is a törekvés. A korábbiakhoz hasonló, sőt, akár jobb képességű betétek váltak elkészíthetővé egyre kisebb térfogatban.

Késes biztosítékok alkalmazása

Méretek és Jelölések

A titkosügynökök között a dupla nullások számítanak a legvagányabbaknak (ugye mindenki ismeri James Bondot, a 007-est?), a késes betétek világában azonban már megjelentek a tripla nullások is. Egyes gyártók ezt 00C-vel jelölik („C”, mint Compact), ami arra utal, hogy ezek igazából nem jelentenek újabb méretkategóriát, „csupán” szélességi méretük csökkentett a 00-áshoz képest. A 000-ás (vagy 00C-s) betétek tehát csereszabatosak a 00-ásokkal (ugyanabba a foglalatba illeszkednek, mint a 00-ások,) de keskenyebbek (azaz kompaktabbak) náluk.

A névleges áram - amelynek vezetésére korlátlan ideig képes a biztosítóbetét - általában az egyik legszembetűnőbben jelzett érték. Ugyanaz a névleges áramérték sokszor több geometriai méretben is megtalálható. Ezeknek az átfedéseknek az oka lehet például a visszamenőleges csereszabatosság. Persze a helyigény mellett az árban és egyéb tulajdonságokban (például veszteségi teljesítmény) is van köztük különbség.

Mindjárt itt következik a névleges feszültség. Ez (kisfeszültség esetén) jellemzően 400, 500, 690 V vagy 1000 V váltakozó áramú hálózaton. Természetesen a beépítési hely maximális hálózati feszültsége a meghatározó kiválasztáskor. De érdemes figyelmesnek lenni, mert néha a kevesebb a drágább: egyes gyártóknál nem igaz, hogy a nagyobb tudású betétért kell többet fizetni. Esetenként például a nagyobb számban gyártott 500 V-os betét olcsóbb lehet, mint a kisebb darabszámú 400 V-os.

Fontos észrevenni, hogy példánkban váltakozó áramú betétről beszélünk. Az adott feszültségszinten tehát csak AC hálózatba építhető be ez a betét. DC alkalmazásra más típus való. A DC-s biztosítók, bár ránézésre nem látunk a feliraton (meg a drágább árcédulán) kívül különbséget, belső felépítésben mások. Ez tehát nem kereskedelmi, hanem kőkemény műszaki kérdés. Tudvalevő, hogy az egyenáramú ív sokkal stabilabban, makacsabbul ég, kioltása drasztikusabb eszközöket igényel. Egy egyenáramú körbe beépített váltakozó áramú betét, azon túl, hogy hamis biztonságérzetet kelt, több kárt okozhat, mint hasznot. Egyenáramú körbe mindig DC-s olvadóbetétet válasszunk!

Persze valamekkora megszakítóképessége egyenáramon is van a váltakozó áramú betéteknek. Szerencsére a biztosító foglalatok terén nincs ilyen probléma. A tartók „csak” az áram termikus, illetve dinamikus igénybevételét (mechanikai erőhatását) kell, hogy elviseljék, az ívoltás nehézségeiből ők mit sem érzékelnek.

Biztosan megtaláljuk a betéten a névleges zárlati megszakítóképességét kA-ben kifejezve. Ez azt a legnagyobb áramot jelzi, amit kötelessége minden körülmények között megszakítani. Késes betéteknél 100-120 kA ez az érték, de még a háztartásokban használt D-rendszerű biztosítóknál is eléri az 50 kA-t.

Feltüntetik a betéten a vonatkozó szabványokat (IEC, EN, DIN vagy VDE) és a vizsgálatra utaló jelet, a gyártót, esetleg az országot.

Átugrottunk egy fontos dolgot, amit többnyire a névleges áramérték mellett tüntetnek föl: az alkalmazási kategóriát (karakterisztikát) leíró jelet. Ez két vagy három egymást követő betű. Mindig egy kisbetű áll elől, majd egy nagybetű, vagy nagybetűvel kezdődő betűpár követi. Az elöl álló „g” arra utal, hogy „teljes tartományú”, az „a” pedig arra, hogy „résztartományú” biztosítóról van szó. Előbbi alkalmas a teljes túláramtartományban a működésre, utóbbi csak a nagyobb, a zárlati áramok megszakítására. Az „a” jelű olvadóbetéteket tehát csak olyan helyre szabad beépíteni, ahol a kisebb túlterheléseket más eszköz időben hárítja.

Hogy is van ez? Létezik olyan olvadóbetét, amelyik vígan elbánik a nagy zárlati áramokkal, de egy kisebb túlterhelés, mondjuk a névleges áram másfélszerese kifog rajta? Bizony igen, és ha pontosan tudjuk, milyen harc és miképp zajlik le a betét kerámiatestén belül egy túláram leküzdése során, akkor érthetővé is válik.

Nem nehéz az alkalmazási kategória hátul álló, nagybetűs részének megfejtése. A „G” az általános célú („G”, mint generális) felhasználásra utal. Ez a legnagyobb számban használatos, legelterjedtebb típus. Korábban ehelyett „L”-et írtak, arra utalva, hogy főleg kábelek, vezetékek („L”, mint Line) védelmére szolgálnak. Az „M” a motorok, az „S” a félvezetők (Semiconductor), a „Tr” a transzformátorok, a „PV” a napelemes (Photo Voltaic) rendszerek védelmére kifejlesztett karakterisztikával rendelkező betéteket jelöli. A „B” a bányászati alkalmazásra szánt betétek jele, az „R” pedig szintén főleg félvezetők védelmét látja el az „S” jelűeknél is gyorsabb (rapid) működésével.

A jelenleg leginkább használatos, szabványos jelöléseket leírásukkal a 1. 1. Az egyes alkalmazások mögött különböző kiolvadási karakterisztikák, különböző környezetállósági képességek, eltérő típusú vizsgálati követelmények húzódnak meg - ezekről még szót ejtünk a későbbiekben.

Itt jegyezzük meg, hogy bizonyos esetekben a névleges áram érték helyett más névleges paramétert adnak meg a gyártók. Beszéltünk már arról, hogy a D-rendszerű betéteknél a felhasználót színjelölések segítik: a kiolvadásjelző szem színe utal a betét névleges áramerősségére. Hasonlóképpen vannak színkonvenciók a késes betéteknél is: például a gG és aM jelűeknél normál fekete, illetve zöld karakterekkel jelölik az 500 V-os értéket, és inverz fekete, illetve zöld nyomtatással a 400 és a 690 V-osat. A barna a gTr betétek színjele, a piros pedig a gB alkalmazási osztályé.

Természetesen egyéb jelek is szerepelnek, szerepelhetnek még az olvadóbetéten. Késes betéteknél nyomtatásban piktogrammal is jelölni szokták, ha a kiemelő fül szigetelt.

A tankönyvek azt írják az olvadóbiztosítóról, hogy az a hálózat egy tudatosan meggyengített pontja, amely a túláramok hatására a védendő hálózatrésznél (vezetéknél, transzformátor- vagy motortekercselésnél stb.) hamarabb megy tönkre. Egészen pontosan a „gyenge láncszem” az olvadóelem kicsípéseinél levő keresztmetszet szűkület. Ezt láthatjuk egy késes betét esetében a 2. ábrán. Jól érzékelhető, milyen jelentős kicsípésekről van szó. A védendő vezeték keresztmetszetének alig 1-2%-át teszi ki itt az aktív keresztmetszet. Sőt, a félvezetővédő olvadóbetéteknél ez még az egy századrészt sem éri el!

Az egész dolog tehát egyszerűnek tűnik: ezek a hihetetlenül elvékonyított lemezkék hipp-hopp elolvadnak, például egy zárlat során, és meg is vagyunk. Javaslom azonban, gondoljuk végig rész-leteiben, hogy is működik ez! Kezdjük a vizsgálódást a névleges értékű vagy annál kisebb áramnál! Ilyenkor is működik az olvadóbiztosító. Egész pontosan azt teszi, hogy nem olvad ki. Ha a fentiekbe belegondolunk, ez nem is olyan egyszerű, hiszen az olvadóelem a kiolvadás határán kell, hogy biztonsággal vezesse az áramot elvileg végtelen ideig. Az óriási áramsűrűség nagy hőveszteséggel jár, ezt hatásosan el kell vezetni tőle, hogy ne sérüljön. Szerencsére a kvarchomok jó hővezető, segít a kerámiatest falához juttatni a hő nagy részét. A kések is részt vesznek a hűtésben, miközben az érintkezési pont miatt itt is többlethő keletkezi. Fontos, hogy az összes veszteség ne legyen túl nagy. Egyrészt a felhasználók szeretnének minél kevesebbet fizetni a védelemért (amit hónapról hónapra a villanyszámla részeként megtesznek). Másrészt szeretnék a lehető legkisebb méretű elosztószekrényben elhelyezni eszközeiket úgy, hogy azok ne melegítsék tönkre magukat és egymást.

Persze igazából akkor beszélünk az olvadóbiztosító működéséről, amikor a túláram hatására kiolvad. Az olvadóbiztosítóban összetett termikus, áramlási, mechanikai és kémiai folyamatok zajlanak le (3. ábra). Ezek összességén múlik, hogy a végeredmény sikeres zárlathárítás vagy katasztrófa lesz-e. A kvarchomoktöltet minősége (szemcseméret, tisztaság, a homokszemek méreteloszlása), mennyisége (tömörsége) alapvetően fontos a jó működés szempontjából. A villamos ív hőhatása gyors és nagy nyomásnövekedést okoz a kerámiatesten belül, amit annak el kell viselnie. A robbanásszerűen elpárolgó fémgőz bepréselődik a homokszemek közötti résekbe. Ha nincs elég hely - túl tömör a töltet, az apró porszemcsék kitöltik a hézagokat -, akkor túl nagy nyomás alakul ki, aminek végzetes következménye a betét felrobbanása lesz.

A kiolvadás után az olvadóelem helyén maradó, áramvezetésre már nem képes, megszilárdult fém-homok olvadékelegyet fulguritnak hívjuk. Az ókori rómaiak megfigyelték, hogy ha Jupiter villámait haragjában homokos területbe vágta, akkor annak helyén ágas-bogas olvadékmaradvány található. Ezt illették a latin villám (fulgur) szóval. Az olvadóbiztosítóban a több ezer fokos villamos ív hatására megolvadó kvarchomok is ilyen képződménnyé válik az olvadóelem mentén.

Most térjünk vissza arra a korábbi, meglepő kijelentésre, miszerint vannak olyan olvadóbetétek, amelyek a nagy zárlati áramokat vígan megszakítják, ugyanakkor a kisebbek kifognak rajtuk! Egyes konstrukciókban a kisebb kiolvadási áramok esetén az történik, hogy a homoktöltetnek már igen nagy része megolvad, miközben az ív még nem aszik ki, és az olvadék eléri a belső falat. Ez biztos kudarc: a kerámia ennek nem áll ellen, és végeredményben elszabadul a pokol. Az ilyen, résztartományú (például aG vagy aM alkalmazási kategóriájú) biztosítóknál tehát meg van adva az a minimális megszakítási áram- érték (a szabvány jelölése szerint I3), amelyre még megbízhatóan működnek. A névleges áramtól a minimális megszakítási áramértékig terjedő tartományban tehát tilos ezeket túláramvédelemre használni.

De miért gyártanak egyáltalán ilyen olvadóbetéteket? Korábban a megszakítókról és az olvadóbiztosítókról, mint ugyanazon célra szolgáló, rivális védelmi eszközökről beszéltünk. De mi lenne, ha egymást kiegészítő társakként tekintenénk rájuk? Egy megszakító-biztosító párosból a legjobb hozható ki, ha az üzemi áramok kapcsolására, és a túlterhelések, kisebb zárlati áramok hárítására a megszakítót használjuk, míg a ritkán előforduló, igazán durva, nagy hibaáramok (kapocszárlat) esetén a biztosítóbetétet. Egy kisebb zárlati megszakító képességű megszakító, és egy résztartományú olvadóbetét együtt még mindig jóval olcsóbb és helytakarékosabb, mint egy, a feladatra önmagában alkalmas megszakító. Rengeteg helyet és pénzt spórolhatunk meg két „specialista” alkalmazásával egy „polihisztor” helyett, miközben a maximális biztonságot fönntartjuk.

Az olvadóbiztosítók és a megszakítók összevetésekor szó volt előnyeikről, hátrányaikról. Nyilvánvaló gondolat, hogy ügyes társításukkal, „keresztezéssel” létrehozható olyan eszköz, amely egyesíti előnyös tulajdonságaikat, és így műszakilag, gazdaságilag jobb megoldásra jutunk. Az olvadóbiztosítók verhetetlenek a zárlati áramok kioltásában (kis térfogatban, gyorsan, megbízhatóan elbánnak velük), a kapcsolók pedig a jól látható leválasztást, az üzemi áramok be- és kikapcsolását teszik lehetővé. Ha az áramkörnek ugyanazon a pontján minderre szükség van, akkor be kell építeni olvadóbiztosítót és kapcsolót is. Ebben az esetben pedig miért ne lehetnének mindjárt összeépítve? A biztosítós szakaszolók vagy biztosítós kapcsolók épp ilyenek: egy biztosítóbetéttartó és egy kapcsolókészülék soros összeépítéséből állnak. Ezt mutatja kapcsolási rajzuk is. Közös vázszerkezeten vagy közös házban vannak, és természetesen már gyárilag össze vannak kötve egymással.

Lehet-e ennél integráltabb kapcsolatba hozni egymással a biztosítót és a kapcsolót? Igen. Ha az olvadóbetét tartójában már úgyis vannak elváló érintkezők, miért ne lehetnének ezek egyben a kapcsolókészülék érintkezői is? Vagyis legyen az olvadóbetét maga a kapcsoló mozgóérintkezője: ez a kapcsoló-biztosító. A rajzjele is szemléletesen mutatja az elvi felépítését (5. ábra). Összevetve az előző ábrával, jól látható a köztük levő különbség.

Persze a kapcsolók és az olvadóbiztosítók harmonikus együttműködésének - akár „társbérletben” akár külön-külön beépítve őrködnek egy hálózatrészen - megvannak a maga szabályai. Hogy miként lehet párt választani?