При подборе автоматических выключателей, способных защитить электрические моторы от повреждения в результате КЗ или чрезмерно высоких нагрузок, необходимо учитывать большую величину пускового тока, нередко превышающую номинал в 5-7 раз. Наиболее мощным стартовым перегрузкам подвержены асинхронные силовые агрегаты, обладающие короткозамкнутым ротором. Поскольку это оборудование широко применяется для работы в производственных и бытовых условиях, то вопрос защиты как самого устройства, так и питающего кабеля очень актуален. В этой статье речь пойдет о том, как правильно рассчитать и выбрать автомат защиты электродвигателя.
Задачи устройств для защиты электродвигателей
Бытовую электротехнику от пусковых токов большой величины в сетях обычно защищают с помощью трехфазных автоматических выключателей, срабатывающих через некоторое время после того, как величина тока превысит номинальную. Таким образом, вал мотора успевает раскрутиться до нужной скорости вращения, после чего сила потока электронов снижается. Но защитные устройства, используемые в быту, не имеют точной настройки. Поэтому выбор автоматического выключателя, позволяющего защитить асинхронный двигатель от перегрузок и сверхтоков короткого замыкания, более сложен.
Современные автоматы для защиты двигателя нередко устанавливаются в общем корпусе с пускателями (так называются коммутационные устройства запуска мотора). Они предназначены для выполнения следующих задач:
- Защита устройства от сверхтока, возникшего внутри мотора или в цепи подачи электропитания.
- Предохранение силового агрегата от обрыва фазного проводника, а также дисбаланса фаз.
- Обеспечение временной выдержки, которая необходима для того, чтобы мотор, вынужденно остановившийся в результате перегрева, успел охладиться.
Управляющая и защитная автоматика для двигателя на видео:
- Отключение установки, если нагрузка перестала подаваться на вал.
- Защита силового агрегата от долгих перегрузок.
- Защита электромотора от перегрева (для выполнения этой функции внутри установки или на ее корпусе монтируются дополнительные температурные датчики).
- Индикация рабочих режимов, а также оповещение об аварийных состояниях.
Необходимо также учитывать, что автомат для защиты электродвигателя должен быть совместим с контрольными и управляющими механизмами.
Какие бывают автоматы защиты
Для защиты проводников однофазной сети 220 В есть отключающие устройства однополюсные и двухполюсные. К однополюсным подключается только один проводник — фазный, к двухполюсным и фаза и ноль. Однополюсные автоматы ставят на цепи 220 В внутреннего освещения, на розеточные группы в помещениях с нормальными условиями эксплуатации. Их также ставят на некоторые виды нагрузки в трехфазных сетях, подключая одну из фаз.
Для трехфазных сетей (380 В) есть трех и четырех полюсные. Вот эти автоматы защиты (правильное название автоматический выключатель) ставят на трехфазную нагрузку (духовки, варочные панели и другое оборудование которое работает от сети 380 В).
В помещениях с повышенной влажностью (ванная комната, баня, бассейн и т.д.) ставят двухполюсные автоматические выключатели. Их также рекомендуют устанавливать на мощную технику — на стиральные и посудомоечные машины, бойлеры, духовые шкафы и т.д.
Просто в аварийных ситуациях — при коротком замыкании или пробое изоляции — на нулевой провод может попасть фазное напряжение. Если на линии питания установлен однополюсный аппарат, он отключит фазный провод, а ноль с опасным напряжением так и останется подключенным. А значит, остается вероятность поражения током при прикосновении. То есть, выбор автомата прост — на часть линий ставятся однополюсные выключатели, на часть — двухполюсные. Конкретное количество зависит от состояния сети.
Автоматы для однофазной сети
Для трехфазной сети существуют трехполюсные автоматические выключатели. Такой автомат ставится на входе и на потребителях, к которым подводятся все три фазы — электроплита, трехфазная варочная панель, духовой шкаф и т.д. На остальных потребителей ставят двухполюсные автоматы защиты. Они в обязательном порядке должны отключать и фазу и нейтраль.
Пример разводки трехфазной сети — типы автоматов защиты
Выбор номинала автомата защиты от количества подключаемых к нему проводов не зависит.
Расчет автомата для электродвигателя
Еще недавно для защиты электрических моторов использовалась следующая схема: внутри пускателя устанавливался тепловой регулятор, подключенный последовательно с контактором. Этот механизм работал таким образом. Когда через реле в течение длительного времени проходил ток большой величины, происходил нагрев установленной в нем биметаллической пластины, которая, изгибаясь, прерывала контакторную цепь. Если превышение установленной нагрузки было кратковременным (как бывает при запуске двигателя), пластинка не успевала нагреться и вызвать срабатывание автомата.
Внутреннее устройство автомата защиты двигателя на видео:
Главным минусом такой схемы было то, что она не спасала агрегат от скачков напряжения, а также дисбаланса фаз. Сейчас защита электрических силовых установок обеспечивается более точными и современными устройствами, о которых мы поговорим чуть позже. А теперь перейдем к вопросу о том, как производится расчет автомата, который нужно установить в цепь электромотора.
Чтобы подобрать защитный автоматический выключатель для электроустановки, необходимо знать его времятоковую характеристику, а также категорию. Времятоковая характеристика от номинального тока, на который рассчитан АВ, не зависит.
Чтобы автоматический выключатель не срабатывал каждый раз при запуске мотора, величина пускового тока не должна быть больше той, которая вызывает моментальное срабатывание аппарата (отсечка). Соотношение тока запуска и номинала прописывается в паспорте оборудования, максимально допустимое – 7/1.
Производя расчет автомата практически, следует использовать коэффициент надежности, обозначаемый символом Kн. Если номинальный ток устройства не превышает 100А, то величина Kн составляет 1,4; для больших значений она равна 1,25. Исходя из этого, значение тока отсечки определяется по формуле Iотс ≥ Kн х Iпуск. Автоматический выключатель выбираем в соответствии с рассчитанными параметрами.
Еще одна величина, которую необходимо учитывать при подборе, когда автомат монтируется в электрощитке или специальном шкафу – температурный коэффициент (Кт). Это значение составляет 0,85, и номинальный ток защитного устройства при подборе следует умножать на него (In/Кт).
Характеристики срабатывания защитных автоматических выключателей
Класс АВ, определяющийся этим параметром, обозначается латинским литером и проставляется на корпусной части автомата перед цифрой, соответствующей номинальному току.
В соответствии с классификацией, установленной ПУЭ, защитные автоматы подразделяются на несколько категорий.
Автоматы типа МА
Отличительная черта таких устройств – отсутствие в них теплового расцепителя. Аппараты этого класса устанавливают в цепях подключения электрических моторов и других мощных агрегатов.
Приборы класса А
Автоматы типа А, как было сказано, обладают самой высокой чувствительностью. Тепловой расцепитель в устройствах с времятоковой характеристикой А чаще всего срабатывает при превышении силой тока номинала АВ на 30%.
Катушка электромагнитного расцепления обесточивает сеть в течение примерно 0,05 сек, если электроток в цепи превышает номинальный на 100%. Если по какой-либо причине после увеличения силы потока электронов в два раза электромагнитный соленоид не сработал, биметаллический расцепитель отключает питание в течение 20 – 30 сек.
Автоматы, имеющие времятоковую характеристику А, включаются в линии, при работе которых недопустимы даже кратковременные перегрузки. К таковым относятся цепи с включенными в них полупроводниковыми элементами.
Защитные устройства класса B
Аппараты категории B обладают меньшей чувствительностью, чем относящиеся к типу A. Электромагнитный расцепитель в них срабатывает при превышении номинального тока на 200%, а время на срабатывание составляет 0,015 сек. Срабатывание биметаллической пластины в размыкателе с характеристикой B при аналогичном превышении номинала АВ занимает 4-5 сек.
Оборудование этого типа предназначено для установки в линиях, в которые включены розетки, приборы освещения и в других цепях, где пусковое повышение электротока отсутствует либо имеет минимальное значение.
Автоматы категории C
Устройства типа C наиболее распространены в бытовых сетях. Их перегрузочная способность еще выше, чем у ранее описанных. Для того, чтобы произошло срабатывание соленоида электромагнитного расцепления, установленного в таком приборе, нужно, чтобы проходящий через него поток электронов превысил номинальную величину в 5 раз. Срабатывание теплового расцепителя при пятикратном превышении номинала аппарата защиты происходит через 1,5 сек.
Установка автоматических выключателей с времятоковой характеристикой C, как мы и говорили, обычно производится в бытовых сетях. Они отлично справляются с ролью вводных устройств для защиты общей сети, в то время как для отдельных веток, к которым подключены группы розеток и осветительные приборы, хорошо подходят аппараты категории B.
Автоматические выключатели категории Д
Эти устройства имеют наиболее высокую перегрузочную способность. Для срабатывания электромагнитной катушки, установленной в аппарате такого типа, нужно, чтобы номинал по электротоку защитного автомата был превышен как минимум в 10 раз.
Срабатывание теплового расцепителя в этом случае происходит через 0,4 сек.
Устройства с характеристикой D наиболее часто используются в общих сетях зданий и сооружений, где они играют подстраховочную роль. Их срабатывание происходит в том случае, если не произошло своевременного отключения электроэнергии автоматами защиты цепи в отдельных помещениях. Также их устанавливают в цепях с большой величиной пусковых токов, к которым подключены, например, электромоторы.
Защитные устройства категории K и Z
Автоматы этих типов распространены гораздо меньше, чем те, о которых было рассказано выше. Приборы типа K имеют большой разброс в величинах тока, необходимых для электромагнитного расцепления. Так, для цепи переменного тока этот показатель должен превышать номинальный в 12 раз, а для постоянного – в 18. Срабатывание электромагнитного соленоида происходит не более чем через 0,02 сек. Срабатывание теплового расцепителя в таком оборудовании может произойти при превышении величины номинального тока всего на 5%.
Этими особенностями обусловлено применение устройств типа K в цепях с исключительно индуктивной нагрузкой.
Приборы типа Z тоже имеют разные токи срабатывания соленоида электромагнитного расцепления, но разброс при этом не столь велик, как в АВ категории K. В цепях переменного тока для их отключения превышение токового номинала должно быть трехкратным, а в сетях постоянного – величина электротока должна быть в 4,5 раза больше номинальной.
Аппараты с характеристикой Z используются только в линиях, к которым подключены электронные устройства.
Наглядно про категории автоматов на видео:
Современные устройства электрозащиты силовых агрегатов
Большой популярностью пользуются модульные мотор-автоматы, представляющие собой универсальные устройства, которые успешно справляются со всеми функциями, описанными выше.
Кроме этого, с их помощью можно производить регулировку параметров отключения с высокой точностью.
Современные мотор-автоматы представлены множеством разновидностей, отличающихся друг от друга по внешнему виду, характеристикам и способу управления. Как и при подборе обычного аппарата, нужно знать величину пускового, а также номинального тока. Кроме этого, надо определиться, какие функции должно выполнять защитное устройство. Произведя нужные расчеты, можно покупать мотор-автомат. Цена этих устройств напрямую зависит от их возможностей и мощности электрического мотора.
Выбор автомата по току короткого замыкания КЗ
Выбор автоматического выключателя для защиты от КЗ (короткого замыкания) осуществляется на основании расчетного значения тока КЗ в конце линии. Расчет относительно сложен, величина зависит от мощности трансформаторной подстанции, сечении проводника и длинны проводника и т.п.
Из опыта проведения расчетов и проектирования электрических сетей, наиболее влияющим параметром является длинна линии, в нашем случае длинна кабеля от щитка до розетки или люстры.
Т.к. в квартирах и частных домах эта длинна минимальна, то такими расчетами обычно пренебрегают и выбирают автоматические выключатели с характеристикой «C», можно конечно использовать «В», но только для освещения внутри квартиры или дома, т.к. такие маломощные светильники не вызывают высокого значения пускового тока, а уже в сети для кухонной техники имеющей электродвигатели, использование автоматов с характеристикой В не рекомендуется, т.к. возможно срабатывание автомата при включении холодильника или блендера из-за скача пускового тока.
Особенности защиты электрических двигателей в производственных условиях
Нередко при включении устройств, мощность которых превышает 100 кВт, напряжение в общей сети падает ниже минимального. При этом отключения рабочих силовых агрегатов не происходит, но количество их оборотов снижается. Когда напряжение восстанавливается до нормального уровня, мотор начинает заново набирать обороты. При этом его работа происходит в режиме перегрузки. Это называется самозапуском.
Самозапуск иногда становится причиной ложного срабатывания АВ. Это может произойти, когда до временного падения напряжения установка в течение длительного времени работала в обычном режиме, и биметаллическая пластина успела прогреться. В этом случае тепловой расцепитель иногда срабатывает раньше, чем напряжение нормализуется. Пример падения напряжения в электросети автомобиля на следующем видео:
Чтобы предотвратить отключение мощных заводских электромоторов при самозапуске, используется релейная защита, при которой в общую сеть включаются токовые трансформаторы. К их вторичным обмоткам подключаются защитные реле. Эти системы подбираются методом сложных расчетов. Приводить здесь мы их не будем, поскольку на производстве эту задачу выполняют штатные энергетики.
Функции трехфазных автоматов
Перед тем как подобрать автоматический коммутатор, следует разобраться с его функционалом. Пользователи часто заблуждаются, думая, что устройство защищает бытовую технику. На ее электропоказатели автомат не реагирует, срабатывая исключительно при коротком замыкании либо перегрузке. К функциям трехфазника относятся:
- одновременное обслуживание нескольких однофазных зон цепи;
- предотвращение образования сверхтоков на линии;
- совместная работа с выпрямителями сети переменного тока;
- защита высокомощного оборудования;
- повышенная мощность за счет установки специального преобразователя;
- быстрое срабатывание в режиме КЗ на линии с большим количеством потребителей;
- возможность отключения в ручном режиме при помощи рубильника или выключателя;
- совместимость с дополнительными защитными клеммами.
Для чего нужны защитные автоматы и как они работают?
Современные АВ имеют две степени защиты: тепловую и электромагнитную. Это позволяет обезопасить линию от повреждения в результате длительного превышения протекающим током номинальной величины, а также короткого замыкания.
Основным элементом теплового расцепителя является пластина из двух металлов, которая так и называется – биметаллической. Если на нее в течение достаточно длительного времени воздействует ток повышенной мощности, она становится гибкой и, воздействуя на отключающий элемент, вызывает срабатывание автомата.
Наличием электромагнитного расцепителя обусловлена отключающая способность автоматического выключателя при воздействии на цепь сверхтоков короткого замыкания, выдержать которые она не сможет.
Это позволяет обеспечить защиту провода и приборов от потока электронов, величина которого намного выше расчетной для кабеля конкретного сечения.
Характеристики устройства
Правильный подбор 3-фазного автомата заключается не только в определении условий его эксплуатации, но и по мощности и типу нагрузки, которая будет к нему подключаться. Неверно подобранная мощность модуля приводит к ухудшению защиты электропровода, при этом такое устройство и само может стать источником аварийной ситуации.
Но всё же, как бы ни было важно правильно подобрать мощность, автоматические приборы характеризуются и другими техническими параметрами, влияющими на их работу. К основным из них относят:
- рабочее напряжение — определяет величину, при которой автомат защиты работает без ухудшения своих параметров (обычно разрешается перепад в диапазоне 15%);
- номинальный ток — параметр, непосредственно связанный с мощностью, обозначает пограничное значение тока, при котором происходит срабатывание защитного модуля;
- потребляемая мощность — автоматические приборы относятся к устройствам с низким энергопотреблением;
- износостойкость — обозначает количество гарантируемых циклов включения и отключения автомата;
- минимальная и максимальная рабочая температура — диапазон, в котором технические параметры защитного модуля не изменяются;
- номинальная отключающая способность — наибольшее значение нагрузки, при котором выключатель сможет разорвать линию с сохранением своей работоспособности;
- время срабатывания — определяет интервал, в течение которого происходит отключение нагрузки от силовой линии;
- времятоковая характеристика — разделяется на классы, каждый из которых соответствует току мгновенного расцепления (например, тип С применяется для тока, превышающего значение номинального 5-10 раз).
Кроме технических параметров, автоматические приборы характеризуются и качественными показателями. К наиболее распространённым относят тип привода, способ присоединения внешних проводников, исполнение отсечки и другие.
Расчёт мощности потребителей
Каждую электрическую сеть в квартире или доме можно условно поделить на участки (помещения). В зависимости от того, какие приборы планируется использовать на том или ином участке делается расчёт электропроводки. Обычно зоны электропроводки для каждого автомата разделены между собой на каждое помещение квартиры или дома. Один участок проводки на одну комнату, второй на другую, а третий на кухню и ванную комнату. Особняком в данной ситуации стоят такие мощные потребители как электроплитки, духовые шкафы, водонагреватели, котлы отопления. Такая техника требует выделенной линии питания, поэтому в современных домах, предназначенных для использования с электрическими плитами, для обеспечения питания прибора выведен отдельный автоматический выключатель.
Рассчитать требуемый ток для того или иного участка проводки достаточно просто. Для этого используется формула I=P/U, в соответствии с которой I — сила тока, P — мощность (в ваттах) всех работающих электрических приборов на этой линии, U — напряжение сети (является стандартным — 220 вольт). Для расчета необходимо сложить мощности тех электроприборов, которые планируется использовать на линии, после чего разделить полученную сумму на 220. Отсюда и получаем силу тока, в соответствии с которой надо будет выбрать кабель определенного сечения.
В качестве примера возьмем участок (комната) и рассчитаем для неё автомат и кабель необходимого сечения. В комнате одновременно будут работать:
- пылесос (1300 Вт);
- электроутюг (1000 Вт);
- кондиционер (1300 Вт);
- компьютер (300 Вт).
Сложим данные показатели (1300+1000+1300+300 = 3900 Вт) и разделим их на 220 (3900/220 = 17.72). Получается, что сила тока равна 17.72, подбираем для этого оптимальное сечение кабеля исходя из таблицы, берем медный кабель с сечением 2.5 мм или 4 мм квадратных (обязательно берем с запасом) и автомат с номинальным током защиты в 20 ампер.
Стоит упомянуть, что не стоит выбирать автоматический выключатель с завышенным показателем номинального тока, так как при перегрузке электрической сети (превышении показателей длительно-допустимого тока для определенного провода) начнется возгорание проводки. Номинал автомата должен быть соответствовать величине длительно-допустимого тока проводника или быть меньше.
Опытные электрики неоднократно говорят о том, что не стоит устанавливать кабели небольшого сечения из-за их дешевизны, следует выбирать кабель с запасом во избежание перегрузки электрического участка и возгорания проводки. А вот выбирать мощный автомат противопоказано!
Проводка монтируется один раз, заменить её сложно, а произвести замену выключателя в случае значительно возросшей нагрузки в разы проще.
На данный момент появляется все больше мощных электрических приборов, поэтому стоит заранее позаботиться, вдруг вы решите использовать более мощный пылесос или же добавить в помещение какой-то дополнительный прибор.
