В процессе эксплуатации электрических сетей основное внимание уделяется сохранности проводки, подключенных бытовых приборов и оборудования. Главную опасность представляют токи коротких замыканий и перегрузки. Появление сверхтоков приводит к разрушению изоляции, возгоранию проводки и пожару. Во избежание подобных ситуаций, необходимо правильно выбрать автоматические выключатели. Существуют определенные критерии, параметры и технические характеристики, в соответствии с которыми планируется использование выключателей и предохранителей. При необходимости на стадии проектирования выполняются расчеты защитного оборудования, используемого в сложных схемах электрических сетей.
Основные функции автоматических выключателей
Главная задача всех автоматических выключателей состоит в надежной защите проводов и изоляционного слоя от перегрева и последующего расплавления. Исходя из этого производится также выбор вводного устройства. В момент нагрева проводника до критической температуры происходит автоматическое отключение напряжения.
Подобные ситуации возникают при подключении нагрузок, мощность которых существенно превышает возможности сети. Точно такие же отключения происходят в случае возникновения токов коротких замыканий.
Отключающие защитные устройства выбираются, в первую очередь, исходя из количества проводов, которые требуется обесточить. Большое значение имеет выбор автоматического выключателя по мощности. Сам процесс отключения должен быть своевременным, не допускающим разрушения изоляции и возникновения пожара. Основными критериями выбора конкретного автомата, который определяет госстандарт являются его номинал, время-токовая характеристика, связанная с электромагнитным расцепителем и отключающая способность, в зависимости от тока отсечки.
При решении задачи, как выбрать автоматический выключатель для дома, все его параметры имеют большое значение для обеспечения рабочего процесса. Они выбираются в соответствии с нагрузкой, подключенной к данной сети и расположением проводки относительно питающей подстанции. Правильный выбор устройства в значительной степени зависит от знания конструктивных особенностей и принципа действия автомата.
Токовая отсечка (для АВ с двухступенчатой ВТХ)
Токовую отсечку выключателя отстраивают от пускового тока электродвигателя, который состоит из периодической составляющей, почти неизменной в течение всего времени пуска, и апериодической составляющей, затухающей в течение нескольких периодов. Несрабатывание отсечки при пуске двигателя обеспечивается выбором токовой отсечки по выражению:
где kн.пуск = kз·kа·kр – коэффициент надежности отстройки отсечки от пускового тока электродвигателя;
1,05 – коэффициент, учитывающий, что в нормальном режиме может быть на 5% выше номинального напряжения электродвигателя;
kз – коэффициент запаса;
kа – коэффициент, учитывающий наличие апериодической составляющей в пусковом токе электродвигателя;
kр – коэффициент, учитывающий возможный разброс тока срабатывания отсечки относительно уставки.
Мгновенная токовая отсечка (для АВ с трехступенчатой ВТХ)
Для выключателей с трехступенчатой защитной характеристикой мгновенную отсечку выключателя отстраивают от пикового значения пускового тока электродвигателя:
Кроме того, токовая отсечка должна надежно защищать электродвигатель от минимального тока КЗ при повреждении в конце кабельной линии: где (1)
к.R I – минимальный ток однофазного в конце кабеля, вычисленный с учетом токоограничивающего действия дуги в месте повреждения.
Общее устройство и принцип работы
Все автоматические выключатели отличаются лишь незначительными деталями, а в целом каждый из них состоит из следующих обязательных элементов:
- Полюса в установленном количестве от 1 до 4, подлежащие включению и отключению. По сути, они являются силовыми контактами, замыкающими и размыкающими цепь провода.
- Система гашения дуги. Выполняется в разных вариантах. В одном случае – это специальные камеры, в которых дуга разбивается на части за счет узких щелей. Либо гашение дуги осуществляется через решетку. Автомат, рассчитанный для работы в мощных цепях, может использоваться с комбинированным вариантом.
- Привод механизма расцепления.
- Расцепитель. Изготавливается на биметаллической, электронной, электромагнитной основе или на базе микропроцессора. При возникновении аномального токового режима, данный элемент выполняет мгновенное автоматическое выключение. Конструкция расцепителя включает в себя рычаги, защелки и отключающие пружины, ускоряющие срабатывание.
- Блок-контакты в количестве одной или нескольких пар. Также они называются вспомогательными контактами, расположенными в цепях контроля или сигнализации.
Онлайн-калькуляторы по мощности
Если воспользоваться онлайн-калькулятором расчёта автоматов по мощности, обязательно учитывается несколько факторов:
- тип;
- мощность оборудования;
- минимальные и максимальные показатели;
- общий уровень напряжения.
Согласно инструкции, просчет первоначально начинается с выбора оборудования:
- бытовые агрегаты;
- двигательные устройства;
- дистанционные установки.
Мощность пользования указывается в киловатт, необходимо вводить максимально допустимые показатели. К счастью, в документе на продукцию представлена вся необходимая информация. Если используется несколько точек подключения, подсчитывается суммарная мощность. Так, в квартире могут подключаться такие приборы:
- холодильник;
- телевизор;
- микроволновая печь;
- обогреватель;
- компьютер.
Работа электромагнитного расцепителя
Следует отдельно рассмотреть действие электромагнитного расцепителя, от которого зависит выполнение основных функций автомата. Его характеристики определяет государственный стандарт.
Основной деталью является катушка-соленоид. Она оборудована подвижной частью, приводящей в действие механизм разрыва цепи провода. Протекая через силовые контакты, ток захватывает и соленоид. Если порядок расчета тока соблюдается в пределах номинала, то в нормальном рабочем режиме отключения автомата не происходит. Магнитных усилий недостаточно для сдвига защелки якорем расцепителя, поэтому защитное устройство остается включенным.
При возникновении КЗ наступает превышение порогового значения силы тока. В результате, начинается быстрое возрастание магнитного потока, вызывающего движение подвижной части катушки. В этом случае автомат мгновенно отключается.
Существуют автоматы, работающие с постоянным током. Они защищают электродвигатели и оборудованы сразу несколькими расцепителями. За счет этого отключение значительно ускоряется, даже если одна из систем расцепления не сработала.
Расчёт показатель автомата по сечению кабеля
Выбрав онлайн-калькулятор, посетителю предлагают определиться со значениями:
- тип прокладки;
- заземление;
- сечение кабеля;
- алюминий, медь.
Поскольку материалы отличаются, показатель сечения трактуется по-разному. У каждого из веществ собственный порог перегрева. Учитывается устойчивость к разрушению изоляции. Во время перегрузок и коротких замыканий возрастает температура. Онлайн-калькулятор производит перерасчет с учётом допустимого тока электросети.
Классификация защитных автоматов
Автоматические выключатели, в зависимости от модификации, могут использоваться в одно- и трехфазных электрических сетях. В первом варианте применяются устройства с 1 или 2 полюсами. Однополюсные модели предназначены лишь для подключения по кабелю фазы. Они устанавливаются в квартирах и частных домах с обычными условиями эксплуатации на общую шину. Данный тип защиты применяется для групп розеток и линий освещения, расположенных в различных помещениях. Независимо от количества полюсов, какой автомат поставлен, тот и будет работать.
К автоматам с двумя полюсами подключаются провода фазы и нуля. За счет этого выполняется разрыв обеих цепей, обеспечивая тем самым более высокий уровень защиты. В данном случае цепь отключается не частично, а полностью, что особенно актуально при попадании напряжения в нулевой провод. Двухполюсные устройства рекомендуется устанавливать на общую гребенку выделенных линий с подключенным мощным оборудованием или при наличии сложных эксплуатационных условий.
К трехфазным сетям подключаются двух- и трехполюсные автоматы. К устройствам с тремя полюсами подводятся сразу три фазы провода, поэтому при аварийных ситуациях схема предусматривает их одновременное отключение. Как правило, они используются на вводах или на линиях с подключенными трехфазными потребителями. Вместо них могут устанавливаться автоматы с четырьмя полюсами, отключающие вместе с фазами еще и ноль. На отдельных линиях трехфазной сети используются двухполюсные выключатели с одновременным отключением фазного и нулевого провода.
Как выбрать правильный автомат
До недавнего времени были широко распространены фарфоровые предохранители с плавкими элементами. Они хорошо подходили для однотипной нагрузки советских квартир. Сейчас число бытовых приборов стало намного больше, в результате чего вероятность получения возгорания со старыми предохранителями возросла. Чтобы не допустить этого, необходимо тщательно подойти к выбору автомата с правильными характеристиками. Следует избегать избыточных запасов мощности. Окончательный выбор делается после выполнения нескольких простых действий.
Определение числа полюсов
При определении данного параметра выключателя следует руководствоваться простым правилом. Если планируется обезопасить участки цепи с устройствами, имеющими незначительное энергопотребление (например, приборами освещения), то лучше оставить свой выбор на однополюсном автомате (чаще класса B или C). Если планируется подключение сложного бытового устройства, обладающего существенной мощностью потребления (стиральная машина, холодильник), то следует устанавливать двухполюсной автомат (класса C, D). Если же осуществляется оборудование небольшого производственного цеха или гаража с многофазными двигательными установками, то выбирать стоит трехполюсный вариант (класса D).
Вычисление потребляемой мощности
Как правило, к тому времени, когда планируется осуществить подключение автомата, проводка в комнату уже подведена. Исходя из сечения жил и типа металла (медь или алюминий) можно определить максимальную мощность. К примеру, для медной жилы в 2,5 мм2 эта величина составляет 4–4,5 кВт. Но проводку часто подводят с большим запасом. Да и расчет стоит делать до начала выполнения всех монтажных работ.
В этом случае потребуется значение о том, какая суммарная мощность будет использоваться всеми приборами. Всегда возможен вариант их одновременно включения. Так, на обычной кухне, часто используются такие приборы:
- холодильник – 500 Вт;
- электрический чайник – 1700 Вт;
- микроволновая печь – 1800 Вт
Суммарная нагрузка составляет 4 кВт и для нее хватит автомата на 25 A. Но всегда есть потребители, которые включаются эпизодически и могут создать факторы, способствующие срабатыванию выключателя. Такими устройствами могут быть комбайн или миксер. Поэтому следует брать автомат с запасом в 500–1200 Вт.
Вычисление номинального тока
Поскольку мощность в однофазных сетях равна произведению напряжения на силу тока, то и ток легко определить как частное от мощности и напряжения. Для вышеприведенного примера эту величину легко вычислить, зная, что напряжение в сети составляет 220 В. Величина потребляемого тока составляет 18,8 A. Учитывая запас в 500–1200 В, она составит 20,4–23,6 A.
Для того чтобы работа не прекращалась даже при таких кратковременных превышениях нагрузки, номинальную силу тока для автомата можно взять равной 25 A. Приблизительно такому же значению соответствует и номинал, исходя из медного кабеля с сечением 2,5 мм2, которого хватит с запасом для такой нагрузки. Автомат с номинальным током 25 А сработает до того, как он начнет нагреваться.
Определение время токовой характеристики
Этот параметр определяется по специальной таблице, в которой перечислены пусковые токи и время их протекания. Например, для бытового холодильника кратность пускового тока составляет 5. При мощности в 500 Вт, рабочий ток составляет 2,2 A. Величина пускового тока составит 2,2*7 = 15,4 A. Данные о периодичности берутся также по специальной таблице.
Таблица № 1. Пусковые токи и длительности импульсов для бытовых приборов
| устройство | кратность тока пускового тока | длительность импульса пускового тока, с |
| лампы накаливания | 5–13 | 0,05–0,3 |
| люминесцентные лампы | 1,05–1,1 | 0,1–0,5 |
| компьютеры, телевизоры | 5–10 | 0,25–0,5 |
| бытовая техника, офисная техника | до 3 | 0,25–0,5 |
| холодильники, кондиционеры, насосы | 3–7 | 1–3 |
Для выбранного устройства эта характеристика не превышает 3 с. Выбор становится очевидным: для такого потребителя необходимо брать автоматический выключатель типа B. Допустимо делать выбор автомата по мощности нагрузки. Можно пропустить последний этап, остановив свой выбор на выключателе класса B. Для бытовых нужд чаще всего бывают достаточными характеристики электрических выключателей класса B и C.
Основные критерии выбора, таблица
Для того чтобы не использовать сложные формулы при расчетах, существует универсальная таблица:
В таблице представлены основные параметры и технические характеристики автоматических выключателей, которые нужно учитывать, делая расчет и выбор защиты. Некоторые из них следует рассмотреть более подробно.
Чувствительность к перегрузкам
Одним из критериев, используемых для того чтобы правильно выбрать автоматический выключатель, является электромагнитный расцепитель. Именно от него зависит скорость срабатывания и степень чувствительности к перегрузкам. Оптимально подобранный элемент обеспечивает необходимую задержку, возникающую при срабатывании. Она нужна чтобы исключить ложные срабатывания, нередко возникающие при пуске электродвигателей.
Срабатывание автомата происходит, когда значение тока превышает установленную отметку. Большую роль играет выбор номинала. Одновременно в сети регулярно возникает множество кратковременных перегрузок, в основном из-за пусковых токов. В такие моменты устройство не должно срабатывать, для чего и установлена определенная задержка. Для расчета используется специальная формула.
Нередко возрастание тока происходит не по причине перегрузки, а по току короткого замыкания. Во время задержки контакты могут легко расплавиться. В этот момент и начинается работа электромагнитного расцепителя. При достижении током выбранного значения, превышающей обычные перегрузки, происходит его автоматическое срабатывание. Данный параметр известен также в качестве тока отсечки, поскольку в этом случае линия полностью отсекается от электропитания. Ток срабатывания может иметь разное значение и отображается буквенными символами. Они находятся впереди цифрового обозначения номинала и используются для выбора автоматического выключателя.
Устройства с теми или иными характеристиками по ГОСТ, имеют широкий выбор уставок и предназначены для различных условий эксплуатации:
- А – используется с проводкой, подключенной к сверхчувствительной нагрузке на общую шину. При перегрузках автомат мгновенно срабатывает.
- В – обычные устройства используемые для квартиры в сетях с группами розеток и выключателей, работающих при стандартных нагрузках. Когда ток увеличивается в 3-5 раз от расчетного, автомат срабатывает с незначительной задержкой. Несколько автоматов соединяются в общую гребенку.
- С – защищает электропроводку в сетях с повышенными пусковыми токами. Устройство игнорирует незначительные скачки напряжения, а срабатывание происходит при возрастании тока в 5-10 раз от номинала. Автоматы этого типа получили наибольшее распространение.
- D – используется при нагрузках, возникающих от действия больших пусковых токов. Устанавливается как вводный автомат, контролирующий всю электрическую сеть. Отключение происходит при скачке тока в 10-50 раз выше номинала.
Выбор автомата по номиналу и нагрузке
Не менее важным критерием, по которому выбирается автоматический выключатель, считается номинал защитного устройства. Дело в том что под действием протекающего тока происходит нагрев проводника. С увеличением токовой нагрузки при неизменном сечении, выделение тепла также будет увеличиваться. Таким образом, основной задачей автомата становится отключение питания до превышения током допустимых норм. В связи с этим, номинал выключателя должен быть ниже допустимого тока электропроводки.
Защита от перегрузки
Ток срабатывания защиты от перегрузки определяется из условий возврата защиты после окончания пуска или самозапуска электродвигателя:
где kн – коэффициент надежности, учитывающий некоторый запас по току, неточности настройки и разброс срабатывания защиты (1,0 – для современных АВ фирмы Schneider Electric, 1,15 – для АЕ20, А3700; 1,25 – для А3100, АП-50; 1,2 , 1,35 – для ВА51);
kв – коэффициент возврата защиты.
Защита считается эффективной, если:
Для выключателей с тепловым и электромагнитным (комбинированным) расцепителем условие (6.5) обеспечивается автоматически при выборе номинального тока расцепителя по условию (6.2). Наилучшая защита от перегрузки обеспечивается, если удается подобрать выключатель, имеющий Iн.расц = Iдн. В этом случае, имея в виду, что для термобиметаллических тепловых реле kв = 1, ток срабатывания защиты от перегрузки составит:
Стандарты при установке выключателя
Когда в жилом или нежилом помещении устанавливается автоматический выключатель, контролирующие службы проверяют исполнение нормативов:
- ГОСТ 503 45.
- ГОСТ 689 28.
- ГОСТ 500 30.
- Стандарт пожарной безопасности от 22.07 2008 года.
На территории Европы действуют нормативы:
- ЕС 6947;
- ЕС 6947.2.
Основные пункты в стандартах:
- пропускная способность;
- параметры токоведущей цепи;
- длительность перегрузки;
- количество отключений;
- предельный ток;
- номинальное напряжение;
- термическая стойкость;
- воздействие тока;
- время отключения.
В стандартах прописаны параметры допустимых выключателей. Учитываются их физические свойства, габариты. С целью безопасной эксплуатации прописано допустимое расстояние от оборудования. Для этого в нормативах учитывается тип устройств и условия.
Селективное оборудование
Если у выключателя используется задержка времени, он называется селективным. Аппараты могут быть с одной или несколькими ступенями. Они устанавливаются независимо от уровня напряжения. Выключатели способны функционировать без дополнительного питания.
Некоторые называют устройства модульными или компактными. По схемам предусмотрено 2 потоковых пути. Есть основные и дополнительные контакты. Катушка в центре используется с биметаллической пластиной.
