Jak standardowy wyłącznik reaguje na awarię elektryczną

Działanie wyłącznika w celu ochrony przed awarią

Standardowy wyłącznik to kluczowe urządzenie bezpieczeństwa zaprojektowane do przerwania przepływu prądu elektrycznego podczas awarii, takich jak przeciążenia lub zwarcia, co zapobiega uszkodzeniu systemu elektrycznego, przeżarciu się przewodów i zagrożeniom pożarowym. Jego działanie ochronne zapewnia bezpieczeństwo i niezawodność obwodu.

Ochrona przed zwarciami

• Co się dzieje: Zwarce występują, gdy powstaje ścieżka o niskim oporze (np. bezpośredni kontakt między przewodem fazowym i neutralnym), tworząc nagły skok prądu znacznie przekraczający dopuszczalną moc obwodu.

• Odpowiedź wyłącznika: Wyłącznik wykrywa natychmiastowy skok prądu i niemal natychmiastowo (w ciągu milisekund) przerywa jego przepływ, aby:

• Zapobiec nadmiernemu nagrzaniu się elementów, które mogłoby spowodować ich uszkodzenie.

• Zmniejszyć ryzyko pożaru lub łuków elektrycznych.

Ochrona przed przeciążeniem

• Co się dzieje: Przeciążenie występuje, gdy całkowity prąd pobierany przez podłączone urządzenia (np. wiele sprzętów lub urządzeń o wysokiej mocy) przekracza bezpieczną pojemność obwodu w czasie.

• Odpowiedź wyłącznika:

• Zapobiec przegrzaniu się przewodów i zniszczeniu izolacji.

• Uniknąć potencjalnych ryzyk pożarowych z powodu długotrwałego przepływu nadmiernego prądu.

• Wewnętrzny mechanizm termiczny wyłącznika wykrywa utrzymujący się nadmierny prąd.

• Gdy prąd trwa, grzejnik wyłącznika rozgrzewa się, powodując stopniowe wygięcie dwumetalowej taśmy.

• Gdy taśma wygina się wystarczająco, wyłącznik przerywa obwód, odłączając go od głównego źródła zasilania, aby:

Jak działa standardowy wyłącznik podczas awarii elektrycznych?

Typowy standardowy wyłącznik nie jest w stanie wykryć zwarcia z ziemią ani braku przewodu neutralnego. Oferuje on jedynie ochronę przed zwarciami i przeciążeniami. Dlatego Kodeks Elektryczny Narodowy (NEC) wymaga stosowania wyłączników GFCI (Ground Fault Circuit Interrupter) w celu zapewnienia odpowiedniej ochrony zarówno urządzeń, jak i osób.

Poniżej przedstawione są przykłady obwodów ilustrujące zachowanie standardowego wyłącznika w normalnych warunkach i podczas awarii:

Normalne warunki

Na poniższym schemacie obwód oświetleniowy jest kontrolowany i chroniony przez wyłącznik 15A, zasilany napięciem 120V z głównego panelu 120V/240V.

Ponieważ w obwodzie nie ma żadnej awarii, wszystkie komponenty działają normalnie, a światło świeci zgodnie z zamierzeniem.

Warunki zwarcia / przeciążenia

Rozważmy teraz scenariusz, w którym wystąpi zwarce lub przeciążenie - na przykład, jeśli przewód fazowy wejdzie w kontakt z metalową obudową urządzenia (takim jak trzymaciek żarówki). W tym przypadku powstaje prąd awaryjny, który płynie z powrotem do źródła zasilania poprzez przewód uziemienia. Przewód uziemienia jest połączony z przewodem neutralnym w głównym panelu, tworząc ścieżkę o niskim oporze, która zamyka obwód.

Ze względu na ekstremalnie niski opór przewodu uziemienia, w czasie awarii przez obwód przepływa duży prąd (do 600 A), tworząc poważne przeciążenie. Wewnętrzny mechanizm wyłącznika natychmiast wykrywa ten nadmierny prąd i uruchamia akcję przerywającą. Wyłącznik 15A szybko odłącza obwód od głównego źródła zasilania, zapewniając bezpieczeństwo zarówno urządzeniom elektrycznym, jak i osobom, chroniąc je przed potencjalnymi zagrożeniami, takimi jak przegrzanie, łuki elektryczne lub porażenie prądem.

Wykrywanie awarii i przerywanie

Jak pokazano na poniższym schemacie, wyłącznik 15A natychmiast przerywa pracę po wykryciu prądu awaryjnego przekraczającego jego nominalną moc. Ta akcja odłącza obwód od głównego źródła zasilania, zapewniając solidną ochronę przed przeciążeniami i zwarciami.

Standardowe wyłączniki i zwarcia z ziemią

Jak wcześniej omówiono, standardowe wyłączniki nie chronią przed zwarciami z ziemią - sytuacjami, w których prąd elektryczny płynie niezamierzenie do ziemi - ani przed uszkodzeniem przewodu neutralnego, oba te stanowią istotne zagrożenia bezpieczeństwa. W takich przypadkach:

• Zwarce z ziemią: Prąd odchodzi od zamierzonej ścieżki obwodu i płynie do ziemi (np. przez osobę lub uszkodzone urządzenie), tworząc niebezpieczne ryzyko porażenia prądem.

• Uszkodzony przewód neutralny: Odłączony przewód neutralny może powodować nierównowagi napięcia, zmuszając prąd do poszukiwania alternatywnych ścieżek (np. przez obudowy urządzeń lub przewody uziemienia), co może prowadzić do przegrzania się lub porażenia prądem.

W obu przypadkach, prąd awaryjny może zamykać obwód poprzez niezamierzone ścieżki, omijając mechanizm ochrony przeciwko przeciążeniom i zwarciom standardowego wyłącznika. Dlatego wymagane są specjalistyczne urządzenia, takie jak wyłączniki GFCI (Ground Fault Circuit Interrupters) lub AFCI (Arc Fault Circuit Interrupters) dla tych konkretnych zagrożeń.

To może prowadzić do przepływu prądu przez niezamierzone ścieżki, w tym przewody neutralne i uziemiające. Ponadto, wszelkie odsłonięte elementy metalowe w obwodzie mogą być zenergetyzowane, niosąc potencjalnie niebezpieczne napięcia 72V lub 120V - co stwarza poważne ryzyko porażenia prądem lub pożaru.

Aby rozwiązać ten problem, należy używać wyłącznika GFCI zamiast standardowego wyłącznika, aby zapewnić bezpieczeństwo w przypadku zwarcia z ziemią.