Для защиты стандартной сети с напряжением 220 В используются автоматические выключатели, которые могут быть однополюсными или двухполюсными. Однополюсные устройства подключаются только к фазному проводнику, тогда как двухполюсные работают с обеими проводниками — фазой и нулем. Фаза — это провод, по которому электрический ток поступает к прибору, а по нулевому проводнику он возвращается обратно в сеть.
Расчёт и выбор автоматического выключателя по двум главным характеристикам
Мы рады приветствовать вас, если вы уже изучили множество источников о автоматах и все еще ищете ясные ответы. В этой статье мы не будем снова повторять сложные электрические термины или перегружать вас множеством выдержек из технической документации. Наш план прост: мы сразу перейдем к анализу устройства, основным характеристикам и обсудим, как правильно произвести выбор и расчёт автоматических выключателей. Давайте определим основную задачу: “Что именно нужно знать о автоматических выключателях, чтобы правильно их выбирать и подключать?”
Все знают, что автоматический выключатель отключает цепь для защиты от мощных и разрушительных токов короткого замыкания, но это лишь половина дела. Этот прибор также защищает проводку от перегрева, который может возникнуть из-за превышения допустимой нагрузки. Это и есть первый важный момент, который нужно понимать.
Автоматические выключатели срабатывают при перегрузках, которые могут быть разной величины: от короткого замыкания с огромным током до увеличения номинального тока в ситуации, когда он может возрасти в 2-5 раз. В случае срабатывания в этих двух сценариях, автомат будет действовать по-разному.
Устройство автоматических выключателей — 2 типа расцепителя
Функцию срабатывания автомата выполняют два типа расцепителей: тепловой и электромагнитный, которые также часто упоминаются как тепловая и электромагнитная защита.
Тепловой расцепитель реагирует на изменение температуры, то есть не срабатывает на основе каких-либо измерений, а срабатывает в результате нагрева проводников, когда ток в сети увеличивается. Чем больше ток, тем выше температура проводника. Устройство теплового расцепителя настраивается таким образом, что при достижении определенной температуры происходит размыкание цепи. Это своего рода простая физика материалов, подверженных влиянию температуры. Принцип работы похож на функционирование термостата в системе охлаждения автомобилей. Несмотря на простоту конструкции, этот механический элемент точно настроен и надежно работает в заданном диапазоне температур.
Электромагнитный расцепитель является электромагнитной катушкой, с которой знакомы многие. Когда в катушке появляется ток, внутри нее перемещается сердечник, что приводит к размыканию цепи. Эта конструкция также спроектирована так, чтобы срабатывать в соответствии с намеченным временем на конкретный ток.
Таким образом, работа автоматических выключателей основывается на этих двух принципах обнаружения повышенного тока и размыкания цепи. Следует отметить, что тепловой расцепитель в первую очередь защищает проводку: если ток увеличивается, проводники нагреваются, что может привести к оплавлению изоляции и возгоранию. Поэтому автомат отключается заранее, чтобы предотвратить возможный пожар в результате длительного, но незначительного превышения тока, которое представляет собой наибольшую опасность для проводки.
Выбор автомата по сечению кабеля
Рассмотрим более детально вопрос выбора автоматических выключателей для домашней электропроводки, принимая во внимание требования к пожарной безопасности. Эти требования изложены в главе 3.1 “Защита электрических сетей до 1 кВ”, так как напряжение в частных домах, квартирах и дачах составляет 220 или 380 В.
Напряжение 220 В используется в однофазных сетях, которые в основном предназначены для розеток и освещения.
Система на 380 В, как правило, представляет собой распределительные сети — линии электропередач, проходящие по улицам, от которых осуществляется подключение жилых зданий.
Согласно вышеуказанным требованиям, внутренние электрические сети жилищных и общественных зданий должны быть защищены от токов короткого замыкания и перегрузок. Для обеспечения таких требований были разработаны защитные устройства, известные как автоматические выключатели.
Автоматический выключатель (автомат) — это устройство механического переключения, которое может включать и проводить токи в нормальном состоянии цепи, а также выполнять отключение в течение заданного времени в случае аномальных условий, таких как токи короткого замыкания и перегрузки.
Короткое замыкание (КЗ) представляет собой электрическое соединение двух точек электрической цепи с различными потенциалами, не предусмотренное конструкцией устройства, что нарушает его нормальную работу. КЗ может происходить из-за возникновения повреждений изоляции токоведущих элементов или механического контакта неизолированных частей. Также коротким замыканием называют ситуацию, когда сопротивление нагрузки меньше внутреннего сопротивления источника питания.
Ток перегрузки — это значение, превышающее норму длительно допустимого тока, что может вызвать перегрев проводника. Защита от токов КЗ и перегрева необходима для обеспечения пожарной безопасности и предотвращения возгорания проводов и кабелей, что может привести к пожару в доме.
Длительно допустимый ток — это величина тока, который может постоянно протекать через проводник без чрезмерного нагрева.
Величина длительно допустимого тока для проводников различного сечения и материалов представлена ниже. Таблица является упрощённым вариантом, применимым для бытовых электрических сетей, согласно таблицам № 1.3.6 и 1.3.7 ПУЭ.
| Сечение токо- проводящей жилы, мм |
Длительно допустимый ток, А, для проводов и кабелей с медными жилами. |
Длительно допустимый ток, А, для проводов и кабелей с алюминиевыми жилами. |
| 1,5 | 19 | — |
| 2,5 | 25 | 19 |
| 4 | 35 | 27 |
| 6 | 42 | 32 |
| 10 | 55 | 42 |
| 16 | 75 | 60 |
| 25 | 95 | 75 |
| 35 | 120 | 90 |
| 50 | 145 | 110 |
Выбор автомата по току короткого замыкания (КЗ)
Выбор автоматического выключателя для защиты от короткого замыкания осуществляется на основе расчетного значения тока КЗ на конце силовой линии. Этот расчет может быть довольно сложным, так как величина зависит от мощности трансформаторной подстанции, сечения проводника, длины проводника и других факторов.
Из практического опыта проектирования электрических сетей, наиболее значимым фактором является длина линии, в этом случае длина кабеля от распределительного щита до розетки или светильника.
Поскольку в квартирах и частных домах эта длина обычно невелика, многие пренебрегают такими расчетами и выбирают автоматические выключатели с характеристикой C. Можно также использовать устройства с характеристикой B, но лишь для освещения внутри квартиры или дома. Маломощные светильники, как правило, не вызывают больших значений пускового тока. Однако для кухонной техники с электродвигателями использование автоматов с характеристикой B может быть нерационально, так как возможны ложные срабатывания при включении, например, холодильника или блендера из-за всплеска пускового тока.
Тип электромагнитного расцепителя
Тепловой расцепитель довольно медленный, что создает проблемы при коротком замыкании — токи могут быть колоссальными и даже за секунду могут вызвать серьезные последствия. Чтобы преодолеть эту проблему, в конструкцию автоматического выключателя был введен электромагнитный расцепитель, который реагирует за доли секунды. Однако он настроен на токи, значительно превышающие номинальные значения.
Некоторые виды потребителей при включении потребляют ток, который во много раз превышает рабочий. Например, мотор пылесоса при запуске может потреблять ток в 2-3 раза выше его нормального рабочего тока, но после разгона мотор начинает работать с привычным потреблением. Вы, возможно, замечали, как лампочки немного мерцают в момент включения каких-либо приборов — это связано как раз с ростом пускового тока. Вот график потребления тока как пример:
Чтобы предотвратить отключение автоматического выключателя из-за пусковых токов, характеристики электромагнитного расцепителя сдвинуты в сторону более высоких токов. Это позволяет избежать ложных срабатываний, так как краткосрочные токи остаются в зоне действия теплового расцепителя, который, благодаря своей инерционности, игнорирует такие короткие превышения.
В результате получилась линейка автоматических выключателей с одинаковыми тепловыми расцепителями, но с различными электромагнитными. Из-за значительного разброса параметров электромагнитных расцепителей получились и большие различия в кратности тока срабатывания:
Характеристика B — электромагнитный расцепитель срабатывает при превышении тока в 3-5 раз;
Характеристика C — электромагнитный расцепитель срабатывает при превышении тока в 5-10 раз;
Характеристика D — электромагнитный расцепитель срабатывает при превышении тока в 10-20 раз.
Такие параметры иллюстрируются на графике:
Существуют и другие характеристики (K, Z и другие), но они встречаются крайне редко и предлагаются на заказ, поэтому здесь мы их опустим.
Если по какой-то причине пусковые токи приближаются к области действия электромагнитного расцепителя, это может вызвать ложные срабатывания. Именно для предотвращения таких ситуаций были разработаны различные типы характеристик.
Некоторые производители упрощают задачу, указывая пусковые токи. Например, солидный производитель светодиодного драйвера сообщает, что при включении он потребляет 55 А (из-за зарядки конденсаторов в блоке питания), и в прилагаемых инструкциях сразу приводится расчет, сколько светодиодных драйверов можно подключить параллельно к одному автомату:
Согласно рекомендациям, можно подключать 4 устройства с характеристикой B и 7 с характеристикой C. Кто бы мог подумать, что 150 ватт светодиодного освещения способны активировать автомат на 16А! Ситуация усугубляется, если используются некачественные светильники, у которых производитель не предусмотрел плавный запуск; в таких случаях вообще нет информации о пусковом токе!
При наличии большого количества светодиодных светильников необходимо группировать их для подключения, чтобы их одновременный старт не привел к срабатыванию автоматического выключателя. Возможно, заинтересованный читатель задаст вопрос: «Почему бы не установить просто автоматический выключатель с характеристикой C или D? Такой подход избавит от проблем с ложными срабатываниями!» Однако это решение не всегда так просто реализовать.
Ток короткого замыкания
Иногда можно услышать такую фразу, как «сопротивление цепи фаза-нуль» — по сути, это связано напрямую с током короткого замыкания. Ток короткого замыкания — это величина тока в цепи, которая возникает в случае, если из-за повреждений происходит короткое замыкание (непосредственное соединение фазного и нейтрального проводников или соединение фазного и заземления). В идеальных условиях с идеальными проводниками ток короткого замыкания имел бы бесконечное значение. Однако в реальном мире провода имеют сопротивление, и чем они длиннее или тоньше, тем выше становится это сопротивление. При обычных условиях этот параметр не так уж критичен — его сопротивление намного меньше сопротивления нагрузки. Однако в момент короткого замыкания ток будет ограничен именно этим собственным сопротивлением проводников в цепи плюс внутренним сопротивлением источника энергии.
Теперь рассмотрим пример. В деревне Вилларибо измерили ток короткого замыкания линии — 278 Ампер, и электрик установил автоматический выключатель C16:
Как видно, в этом случае всё в порядке — при коротком замыкании ток будет достаточным для срабатывания электромагнитного расцепителя. Однако в деревне Вилабаджо проводка совершенно непригодная, а ток короткого замыкания составляет всего 124 А. Смотрим на график:
В наихудшем сценарии, электромагнитный расцепитель типа «С» сработает при токе в 10 раз, превышающем номинальный (16*10=160A). Это значит, что при 124А возможна ситуация, когда электромагнитный расцепитель не сработает, а пока тепловой расцепитель сделает свою работу, цепь будет под напряжением 124А, что может привести к плачевным последствиям. В таком случае в Вилабаджо необходимо либо поменять проводку, чтобы уменьшить потери, либо использовать автоматический выключатель типа B16, у которого электромагнитный расцепитель сработает в худшем случае при токе 5*16=80А. Теперь вам станет яснее, почему характеристика типа D (10-20 *Iном) в некоторых случаях может быть очень неудачным выбором.
Как же определить ток короткого замыкания? Для проектируемых линий его можно рассчитать — длина кабеля известна, его сечение тоже. Для линий, находящихся в эксплуатации, остается только осуществить измерения, поскольку никто не может точно знать, какие изменения произошли в проводке во время ремонта поврежденных участков.
Существуют специальные инструменты для определения тока короткого замыкания. Мы не будем останавливаться на современном оборудовании, у меня есть довольно старое советское устройство, которое использует простую схему. Прибор М-417 измеряет общее сопротивление цепи путем оценки падения напряжения на известном сопротивлении, а ток короткого замыкания нужно вычислять:
Щ41160 — результат гениального советского инженерного замысла. Он устраивает короткое замыкание на малой временной шкале и ведёт измерения тока непосредственно. В коричневом корпусе на проводе находится предохранитель на 100A:
Как правило, ток короткого замыкания измеряется при вводе линии в эксплуатацию и далее планово, раз в несколько лет. Только после измерения тока короткого замыкания можно с уверенностью говорить, правильно ли выбрана защита.
Выбираем отключающую способность
Мы рассмотрели выбор автоматического выключателя по максимально допустимому току нагрузки. Но автомат также должен отключаться при обнаружении короткого замыкания (КЗ) в сети. Эта характеристика называется отключающей способностью. Она указывается в тысячах ампер — именно такие уровни могут возникать при коротком замыкании. Выбор прибора по отключающей способности не представляет особой сложности.
Эта характеристика показывает максимальную величину тока КЗ, при которой автомат остаётся работоспособным, то есть, он сможет отключить цепь и снова включиться после сбоя. Эта характеристика зависит от множества факторов, и для точного выбора необходимо определять токи КЗ. Однако в домашних условиях такие расчёты делаются довольно редко, обычно исходят из сценариев, связанных с расстоянием до трансформаторной подстанции.
Если подстанция находится близко к месту ввода электричества в ваш дом или квартиру, выбирайте автомат с отключающей способностью 10 000 А. Для городских квартир достаточно 6 000 А. В то время как если дом расположен в сельской местности или вы выбираете автомат для дачи, может быть достаточно и отключающей способности в 4 500 А. В таких сетях, как правило, проводка бывает старой, и токи при КЗ редко бывают высокими. Поскольку с ростом отключающей способности цена на автоматические выключатели заметно увеличивается, применение разумного экономического подхода оправдано.
Можно ли устанавливать автоматы с более низкой отключающей способностью в городских квартирах? В целом можно, но нет никаких гарантий, что после первого же короткого замыкания вам не придется его менять. Вполне возможно, что он отключит сеть, но у него могут возникнуть проблемы на выходе, и он не будет готов к повторному включению. В худшем случае, контакты могут расплавиться, и автомат не сработает — тогда проводка расплавится, и возникнет опасность пожара.
Тип электромагнитного расцепителя
Автомат должен срабатывать, когда ток превышает установленный предел. Но в сети периодически могут возникать временные перегрузки, обычно связанные с пусковыми токами. Например, в момент включения холодильника или стиральной машины возникают такие временные перегрузки. Автоматический выключатель не должен срабатывать в таких случаях, поэтому он имеет определённую задержку на срабатывание.
Тем не менее, если увеличение тока произошло не из-за перегрузки, а в результате короткого замыкания, то время, которое автомат ожидает, может оказаться критичным, и в это время его контакты могут расплавиться. Для этого и предназначен электромагнитный расцепитель. Он срабатывает при определении токов, которые уже не могут быть перегрузочными. Этот параметр часто называют током отсечки, поскольку в этом случае автоматический выключатель отсоединяет линию от источника питания. Величина тока срабатывания может варьироваться и определяется согласно буквенным обозначениям, которые стоят перед цифрами, обозначающими номинал автомата.
Существуют три самых распространённых типа:
- B — срабатывает при превышении номинального тока в 3-5 раз;
- C — срабатывает при превышении в 5-10 раз;
- D — срабатывает при превышении более в 10-20 раз.
Как же выбрать подходящий автомат? В данном случае выбор автоматического выключателя основывается также на расстоянии вашего дома от подстанции и состоянии электрических сетей. Основные рекомендации при выборе автоматов защиты имеют следующую направленность:
- Автоматы с буквой B подходят для дач и домов в селах и поселках, которые получают электропитание через воздушные линии. Их можно также устанавливать в квартирах старых домов, где не проводилась реконструкция внутридомовой электросети. Такие устройства менее распространены, стоят немного дороже, чем класса C, но могут поставляться под заказ.
- Пакетники с характеристикой C являются наиболее распространенными. Их используют в сетях с нормальным состоянием, они подходят для квартир в новостройках и частных домах, находящихся недалеко от подстанции.
- Приборы класса D устанавливаются на предприятиях и в мастерских, где используются машины и оборудование с высокими пусковыми токами.
В итоге, выбор автомата защиты достаточно прост: для большинства ситуаций подходит тип C, который доступен в широком ассортименте в магазинах.
Зачем менять автомат
Если автоматический выключатель в вашей квартире регулярно срабатывает, это знак о том, что его следует заменить. Скорее всего, он износился и больше не способен выполнять свои функции, даже если в паспорте указано, что срок его службы еще не истек.
Почему так важно заменить устаревшее оборудование?
В процессе длительной эксплуатации номинальные характеристики устройства начинают снижаться. Например, раньше автомат срабатывал при токе, превышающем 16 А, а спустя некоторое время — уже при 10 А. Когда верхний уровень тока срабатывания становится меньше, автомат может давать сбой даже в ситуациях, когда происходит значительная перегрузка, и в условиях такого сбоя вероятен пожар.
Как выбрать автоматический выключатель
При выборе автоматического выключателя обратите внимание на тип проводки, сечение кабелей и их пропускную способность.
Источник: piqsels.com
В старых домах, как правило, используется алюминиевая проводка, в новых — медная. Первая хуже справляется со скачками напряжения, поэтому специалисты рекомендуют её заменять.
Рекомендуется вызвать квалифицированного специалиста для выполнения всех необходимых работ или провести отдельную линию от распределительного щита к самым энергоемким приборам (таким как водонагреватель или кондиционер), устанавливая для них отдельный автомат.
Сечение кабелей определяет, какой ток проводник может безопасно проводить. Чтобы не запутаться при выборе, изучите значения в таблице, приведенной выше.
