Automatyczne przełączniki faz. Jak uniknąć przeciążenia instalacji?

Czego dowiesz się z artykułu?

Z tego artykułu dowiesz się:

• jak działają automatyczne przełączniki faz EPF,
• w jaki sposób wykorzystać funkcję fazy priorytetowej do bardziej równomiernego rozłożenia obciążeń pomiędzy fazami,
• dlaczego automatyczne przełączniki faz mogą wpływać nie tylko na ciągłość zasilania, ale również na pracę całej instalacji,
• jaki błąd jest najczęściej popełniany podczas projektowania układów z automatycznymi przełącznikami faz,
• dlaczego po przełączeniu wielu odbiorników na jedną fazę może dojść do znacznego wzrostu prądu w wspólnych częściach toru fazowego i neutralnego,
• które elementy instalacji należy zweryfikować pod kątem obciążalności prądowej,
• dlaczego analiza instalacji nie może ograniczać się wyłącznie do doboru zabezpieczeń nadprądowych.

Dla kogo jest ten artykuł?

Artykuł skierowany jest przede wszystkim do:

• elektryków wykonujących instalacje w budynkach mieszkalnych, usługowych i przemysłowych,
• projektantów instalacji elektrycznych,
• integratorów systemów automatyki budynkowej,
• osób odpowiedzialnych za utrzymanie ruchu i eksploatację obiektów,
• wszystkich, którzy stosują lub planują stosować automatyczne przełączniki faz w celu zwiększenia niezawodności zasilania.

Materiał może być szczególnie przydatny dla osób, które koncentrują się na doborze zabezpieczeń nadprądowych, a chcą lepiej zrozumieć konsekwencje pracy instalacji w stanach awaryjnych, gdy wiele odbiorników zostaje przełączonych na jedną fazę.

Automatyczne przełączniki faz ETI serii EPF kojarzą się przede wszystkim z zapewnieniem ciągłości zasilania odbiorników jednofazowych, jednak ze względu na czas przełączenia wynoszący około 100 ms nie należy traktować ich jako urządzeń zapewniających zasilanie bezprzerwowe. Gdy na aktualnie wykorzystywanej fazie wystąpi zanik napięcia lub jego parametry przekroczą dopuszczalne wartości, urządzenie automatycznie przełącza odbiornik jednofazowy na inną dostępną fazę, która aktualnie spełnia wymagania napięciowe.

W praktyce możliwości automatycznych przełączników faz są jednak znacznie szersze. Odpowiedni dobór modelu EPF, oraz właściwe zaprojektowanie instalacji mogą wpływać nie tylko na niezawodność zasilania, ale również na sposób rozkładania obciążeń pomiędzy fazami.

Jak działa automatyczny przełącznik faz?

Do automatycznego przełącznika faz można podłączyć jedną, dwie lub trzy fazy. Urządzenie stale monitoruje napięcie na wszystkich dostępnych fazach i zasila odbiornik napięciem fazowym 230 V z fazy, która spełnia zadane parametry pracy. Jeżeli napięcie na aktualnie wykorzystywanej fazie spadnie poniżej dopuszczalnej wartości lub wzrośnie powyżej ustawionego progu, urządzenie automatycznie przełączy zasilanie na inną fazę o prawidłowych parametrach. Dzięki temu zasilany napięciem 230 V odbiornik może pracować nadal mimo zaniku lub uszkodzenia jednej z faz.

Jeżeli napięcie na wszystkich fazach doprowadzonych do automatycznego przełącznika faz znajduje się poza ustawionym zakresem wartości, EPF odłączy zasilanie odbiornika jednofazowego. Ponowne załączenie nastąpi automatycznie po pojawieniu się przynajmniej jednej fazy o prawidłowych parametrach napięciowych.

Automatyczny przełącznik faz działa prawidłowo wyłącznie w instalacjach, w których wszystkie monitorowane fazy mają wspólną żyłę neutralną. Wynika to z faktu, że urządzenie przełącza jedynie tor fazowy, natomiast tor neutralny pozostaje nieprzerwany i wspólny dla wszystkich możliwych źródeł zasilania. Z tego powodu wszystkie fazy doprowadzone do automatycznego przełącznika faz muszą pochodzić z tego samego układu sieci i być powiązane z tą samą żyłą neutralną.

Oferowane przez ETI automatyczne przełączniki faz EPF pracują w trybie priorytetu jednej fazy. Oznacza to, że dopóki faza priorytetowa (zacisk oznaczony L1) jest dostępna i ma prawidłowe napięcie, będzie ona wykorzystywana do zasilania odbiornika. Dopiero po utracie właściwych parametrów EPF przełączy zasilanie na kolejną dostępną fazę której parametry mieszczą się w ustalonych parametrach.

Po powrocie prawidłowych parametrów napięcia na fazie priorytetowej następuje automatyczny powrót zasilania na fazę oznaczoną jako priorytetowa (w urządzeniach EPF zacisk oznaczony jako L1).

Warto pamiętać, że nowoczesne przełączniki faz ETI serii EPF wykonują pomiar napięcia metodą TRMS, dzięki czemu prawidłowo oceniają wartość skuteczną napięcia na wszystkich podłączonych fazach, także w instalacjach, w których występują odkształcenia przebiegu spowodowane przez zasilacze impulsowe, oświetlenie LED lub inne nieliniowe odbiorniki.

Z punktu widzenia użytkownika działanie automatycznego przełącznika faz jest całkowicie automatyczne. Właśnie ta pozorna prostota sprawia, że w instalacjach, w których pracuje kilka automatycznych przełączników faz, łatwo przeoczyć skutki przełączenia wielu odbiorników na jedną fazę, a w konsekwencji możliwość przeciążenia wspólnych elementów instalacji, w tym odcinków żyły neutralnej. To zagadnienie omówię w dalszej części artykułu.

Jak działa faza priorytetowa w automatycznych przełącznikach faz EPF

W automatycznych przełącznikach faz wyposażonych w funkcję fazy priorytetowej np. EPF-43M1, EPF-44M1, EPF-43M2, z oferty ETI instalator może świadomie określić, która faza ma być wykorzystywana podczas normalnej pracy. Dzięki temu możliwe jest równomierne rozłożenie odbiorników pomiędzy wszystkie trzy fazy.

Przykładowo w budynku wyposażonym w kilka niezależnych automatycznych przełączników faz EPF, można przypisać każdemu z nich inną fazę priorytetową, niezależnie od tego, że we wszystkich omawianych w tym artykule automatycznych przełącznikach faz EPF ETI funkcję fazy priorytetowej pełni zacisk oznaczony jako L1.

Jak to możliwe?

Automatyczny przełącznik faz EPF nie kontroluje kolejności faz tak jak czujnik zaniku i kolejności faz. Oznaczenia L1, L2 i L3 są jedynie umownymi oznaczeniami wejść urządzenia. Za fazę priorytetową zawsze uznawana jest faza podłączona do zacisku L1, niezależnie od tego, czy jest to fizycznie faza: L1, L2 czy L3.

Dzięki temu podczas normalnej eksploatacji obciążenie instalacji może zostać bardziej równomiernie rozłożone pomiędzy wszystkie fazy, a przełączenie na inną fazę następuje dopiero w sytuacji awaryjnej.

Przykładowo w przypadku trzech przełączników faz pierwszy może mieć jako fazę priorytetową fizyczną fazę L1, drugi fazę L2, a trzeci fazę L3. W rezultacie podczas normalnej pracy instalacji i obecności trzech faz odbiorniki są równomiernie rozłożone pomiędzy wszystkie fazy L1, L2, L3, natomiast w przypadku zaniku lub pogorszenia parametrów napięcia przełącznik EPF automatycznie wybierze inną dostępną fazę spełniającą wymagane napięciowe kryteria pracy.

Takie rozwiązanie pozwala ograniczyć ryzyko trwałego przeciążenia jednej fazy i jednocześnie zachować podstawową funkcję automatycznego przełącznika faz, czyli zapewnienie ciągłości zasilania chronionego odbiornika.

Rozwiązanie takie znajduje zastosowanie między innymi przy zasilaniu elementów instalacji PPOŻ, serwerów, urządzeń sieciowych, systemów alarmowych, monitoringu CCTV, automatyki budynkowej, oświetlenia, kas fiskalnych, automatycznych drzwi, czy innych odbiorników wymagających wysokiej dostępności zasilania.

Najczęstszy błąd przy stosowaniu automatycznych przełączników faz, którego nie wykryją zabezpieczenia nadprądowe

Analizując układy z automatycznymi przełącznikami faz, wielu instalatorów i projektantów skupia się wyłącznie na obciążeniu poszczególnych faz oraz doborze zabezpieczeń nadprądowych. Tymczasem równie ważna jest analiza pracy instalacji w sytuacji awaryjnej, gdy dostępna pozostaje tylko jedna faza, a automatyczne przełączniki faz, zgodnie ze swoim przeznaczeniem, przełączają wszystkie chronione odbiorniki na jedyną, aktualnie dostępną fazę.

W omawianej sytuacji (normalnej z punktu widzenia zasady działania automatycznych przełączników faz) jednym z najczęściej popełnianych przez projektantów czy wykonawców błędów jest pomijanie obciążenia wspólnej części żyły fazowej i neutralnej po przełączeniu większej liczby odbiorników na jedną fazę.

Przykład przeciążenia wspólnego fragmentu żyły fazowej i neutralnej po dokonaniu przez EPF-y przełączenia odbiorników na jedną fazę

Aby lepiej zrozumieć ten problem, rozważmy trzy automatyczne przełączniki faz np. EPF-43M2 oraz trzy podłączone do nich rezystancyjne odbiorniki jednofazowe pobierające po 16 A każdy. W normalnych warunkach zasilania (mimo pracy EPF z priorytetem fazy L1) świadomie zastosowano równomierne rozłożenie obciążenia i pierwszy odbiornik jest zasilany z fazy L1, drugi z L2, a trzeci z L3. Każda faza jest więc obciążona prądem 16 A, a łączne obciążenie instalacji na wszystkich fazach wynosi 48 A.

Ponieważ prąd w żyle neutralnej jest sumą wektorową prądów płynących w poszczególnych fazach, jego wartość zależy zarówno od wielkości obciążeń, jak i ich charakteru (w omawianym przypadku dla uproszczenia przyjąłem obciążenie rezystancyjne). W idealnym, symetrycznym układzie trójfazowym z odbiornikami liniowymi prąd w żyle neutralnej wynosi 0 A. W rzeczywistych instalacjach, ze względu na asymetrię prądów fazowych oraz obecność harmonicznych, żyłą neutralną zwykle płynie pewien prąd. Mimo to jego wartość jest najczęściej znacznie mniejsza od arytmetycznej sumy prądów fazowych.

Sytuacja zmienia się po zaniku dwóch faz. Automatyczne przełączniki faz serii EPF przełączają wszystkie odbiorniki na jedyną dostępną fazę. Zwróć uwagę, że każdy odbiornik nadal pobiera 16 A, dlatego zabezpieczenia nadprądowe poszczególnych obwodów nie sygnalizują przeciążenia.

Jednak od strony wspólnej części instalacji sytuacja wygląda zupełnie inaczej. Wszystkie trzy odbiorniki są wówczas zasilane z tej samej fazy, dlatego w wspólnym odcinku żyły neutralnej prądy przestają się wzajemnie znosić i sumują się algebraicznie. W efekcie w omawianym przypadku przez fazę zasilającą oraz żyłę neutralną zaczyna płynąć prąd o maksymalnej wartości 48 A.

Które elementy instalacji mogą zostać przeciążone?

Wspólne części żyły fazowej i neutralnej, listwy zaciskowe, bloki rozdzielcze oraz wszystkie połączenia znajdujące się przed rozgałęzieniem obwodów muszą być przygotowane na przeniesienie sumy prądów wszystkich odbiorników, które podczas pracy awaryjnej mogą zostać przełączone na jedną fazę.

Co należy sprawdzić podczas projektowania instalacji

Podczas projektowania instalacji należy zweryfikować nie tylko obciążalność żył fazowych, ale również:

• żyły neutralnej N,
• bloków rozdzielczych i listew zaciskowych,
• połączeń śrubowych,
• elementów znajdującej się na drodze przepływu prądu neutralnego.

Warto szczególnie przeanalizować, czy obciążalność wspólnych części żył fazowych (nie wiemy, która żyła fazowa może zostać obciążona) i neutralnej jest wystarczająca dla wszystkich przewidywanych stanów pracy awaryjnej. Pokazuje to, że prawidłowe zastosowanie automatycznych przełączników faz wymaga analizy całego toru prądowego, a nie wyłącznie obciążenia poszczególnych faz i zabezpieczeń nadprądowych.

Dlaczego problem nie dotyczy przełącznika faz, a jedynie wspólnych części instalacji?

Problem jest o tyle podstępny, że sam automatyczny przełącznik faz nie jest w tym przypadku przeciążany. Zaciski w automatycznych przełącznikach faz EPF pozwalają na podłączenie żył o maksymalnym przekroju do 2,5 mm² i w większości zastosowań jest to całkowicie wystarczające.

Dlaczego pojedynczy automatyczny przełącznik faz EPF nie jest przeciążony?

W omawianym przykładzie każdy automatyczny przełącznik faz EPF zasila pojedynczy odbiornik pobierający 16 A. Oznacza to, że zarówno przez tor fazowy, jak i neutralny pojedynczego EPF-a płynie maksymalnie 16 A. Z tego punktu widzenia zastosowanie w rozdzielnicy kabli np. H07V‑K (LgY) 2,5 mm² pomiędzy przełącznikiem faz a blokiem rozdzielczym lub złączkami szynowymi nie stanowi problemu.

Sytuacja zmienia się dopiero w miejscu, w którym łączą się żyły neutralne kilku przełączników faz. To właśnie w tym punkcie następuje sumowanie prądów wszystkich odbiorników przełączonych na jedną fazę podczas pracy awaryjnej. W omawianym przykładzie trzy odbiorniki pobierające po 16 A powodują przepływ prądu o wartości 48 A przez wspólną część toru fazowego i neutralnego.

Jak prawidłowo wykonać wspólny tor neutralny dla kilku automatycznych przełączników faz?

Nie należy łączyć kilku żył neutralnych poprzez upychanie ich pod jeden zacisk aparatu modułowego lub przypadkowe mostkowanie żył kabli. Znacznie lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie odpowiednio dobranego bloku rozdzielczego lub złączek i mostków przeznaczonych do takich prądów.

Należy pamiętać, że wspólne części żył neutralnych i fazowych poszczególnych przełączników faz powinny być łączone za pomocą odpowiednio dobranego bloku rozdzielczego, który umożliwia podłączenie znacznie większych przekrojów kabli. Dzięki temu wspólny tor fazowy i neutralny może zostać wykonany kablem o przekroju dobranym do sumarycznego prądu wszystkich odbiorników z uwzględnieniem warunków montażu i temperatury otoczenia.

Przedstawiony przykład nie wyczerpuje tematu, a pokazuje jedynie, że przekrój wspólnej części instalacji np. żyły fazowej lub neutralnej może być wielokrotnie większy niż przekrój kabli fazowych doprowadzonych do pojedynczych zacisków automatycznych przełączników faz.

Podsumowanie: na co zwrócić uwagę projektując układ z automatycznymi przełącznikami faz?

Jak wynika z omawianego przykładu, analiza układów wykorzystujących automatyczne przełączniki faz EPF nie może ograniczać się wyłącznie do parametrów pojedynczego urządzenia. Należy uwzględnić również scenariusze awaryjne, dla których automatyczne przełączniki faz są stosowane, oraz wszystkie wspólne elementy toru prądowego i neutralnego. Właśnie tam, po przełączeniu wielu odbiorników na jedną fazę, mogą wystąpić największe prądy w całej instalacji.

W projektowanych i modernizowanych instalacjach warto więc analizować nie tylko warunki normalnej pracy, ale również scenariusze awaryjne. To właśnie one decydują o tym, czy układ z automatycznymi przełącznikami faz np. EPF ETI będzie nie tylko funkcjonalny, ale również bezpieczny.

Automatyczny przełącznik faz EPF-43M1 max. obciążalność 5 A (AC-1)	Automatyczny przełącznik faz EPF-43M2 max. obciążalność 16 A (AC-1)	Automatyczny przełącznik faz EPF-44M1 współpracuje z stycznikami max. obciążalność zależy od wybranego stycznika

Poznajmy się – jestem Piotr Bibik

Od ponad 30 lat moje życie zawodowe kręci się wokół elektrotechniki. Nie jestem teoretykiem – moją wiedzę budowałem przez ćwierć wieku pracy u jednego z największych dystrybutorów materiałów elektrycznych w Polsce oraz podczas tysięcy godzin spędzonych na instalacjach.

Elektryka to moja pasja, a portal Napięcie Salama to miejsce, gdzie dzielę się bogatym doświadczeniem, które zdobywałem m.in. jako autor setek publikacji eksperckich dla czołowych portali branżowych (np. Łączy nas napięcie). Dziś tę wiedzę przekładam na konkretne wsparcie dla moich klientów, dbając o to, by każda instalacja była bezpieczna i nowoczesna.

Wierzę, że o trudnych sprawach można mówić prosto, ale niekoniecznie krótko. W elektrotechnice wiele zagadnień wymaga szerszego omówienia, ponieważ dopiero zrozumienie przyczyn i konsekwencji pozwala inwestorowi lub instalatorowi podjąć świadomą decyzję dotyczącą bezpieczeństwa ludzi i urządzeń.

W czym mogę Ci pomóc?

• Dla Inwestorów: prowadzę konsultacje techniczne, podczas których sprawdzam projekty i podpowiadam rozwiązania, które realnie działają.

• Dla Instalatorów i Projektantów: dzielę się doświadczeniem z zakresu nowoczesnej automatyki i systemów zasilania, pomagając unikać kosztownych błędów montażowych.

• Dla Producentów: pomagam spojrzeć na produkty oczami praktyka i rzetelnie przekazać ich wartość rynkowi.

Moja zasada jest prosta: instalacja ma być bezpieczna, nowoczesna i zrozumiała dla użytkownika. Jeśli szukasz rzetelnego doradztwa lub chcesz uniknąć awarii, o których piszę na tym blogu – zapraszam do kontaktu.