Примеры расчета автоматических выключателей в электрической цепи

Для чего нужны автоматические выключатели

Как указывает само слово «автомат» или «автоматический выключатель», это устройство отключает питание самостоятельно, без вмешательства человека. Это происходит в двух случаях — при коротком замыкании и перегрузке.

Чем опасно короткое замыкание

Такая ситуация может возникнуть при ремонте, если электрик случайно замкнет между собой нулевой и фазный провода, а также из-за разрушения изоляции в распределительной коробке или электроприборе.

При этом ток, протекающий в проводах, может вырасти до очень большой величины, ограниченной только сопротивлением проводов и возможностями линии. При этом токоведущие жилы нагреваются до температуры воспламенения изоляции, что может вызвать пожар, поэтому необходимо немедленно отключить питание провода.

Зачем отключать сеть при перегрузке

Перегрузка линии не менее опасна. При протекании по проводам тока, больше номинального, они нагреваются. Это приводит к разрушению изоляционной оболочки кабеля и последующему короткому замыканию.

Процесс нагрева проводов занимает некоторое время, поэтому для защиты линии от перегрузки используется защита, отключающая питание электроприборов через некоторое время после возникновения проблемы.

Информация! Повышенный ток при пуске двигателя является нормальным явлением и длится меньше, чем задержка в работе машины.

причиной перегрузки может быть одновременное включение мощных электроприборов, неисправность электрооборудования или запуск электродвигателя, например, в пылесосе или кондиционере.

Если практически любой автоматический выключатель отключит короткое замыкание, то неправильно подобранное устройство отключит питание при номинальном токе провода или не сможет защитить провода от перегрева, поэтому перед монтажом автомата необходимо произвести расчет в пересчете на власти.

Функции автоматического выключателя

Как следует из названия, это переключатель, который выключается автоматически. То есть самостоятельно в определенных случаях. Из второго названия — машина защиты — интуитивно понятно, что это некое автоматическое устройство, которое что-то защищает.

Вот примеры установки и использования таких автоматов — при установке квартирного счетчика и при замене электропроводки в квартире.

Теперь больше. Автоматический выключатель отключается и отключается в двух случаях — при перегрузке по току и при коротком замыкании (КЗ).

Перегрузка по току возникает из-за неисправности потребителей или при слишком большом количестве потребителей. Короткое замыкание – это режим, когда вся мощность электрической цепи используется для нагрева проводов, при этом ток в этой цепи максимально возможный. Более подробная информация будет следовать.

Кроме защиты (автоматического отключения) автоматы могут использоваться для ручного отключения нагрузки. То есть как рубильник или обычный «продвинутый» рубильник с дополнительными опциями.

Еще одной важной особенностью (само собой разумеется) являются клеммы подключения. Иногда, даже если функция защиты не особо нужна (а она никогда не помешает), клеммы на автомате могут очень пригодиться. Например, как показано в статье Прокладка вводного кабеля от гусака до счетчика.

Ручное отключение

Кроме защитных функций автоматические выключатели могут использоваться для отключения линии. Необходимость в этом может возникнуть для ремонта или замены розеток и выключателей, а также для отключения неиспользуемых предметов, например электрического отопления летом.

Ограничение потребляемой мощности

Электроэнергетические компании разрешают каждой квартире или частному дому одновременно использовать электроприборы определенной мощности. Это необходимо для предотвращения перегрузки питающих трансформаторов и кабелей.

Потребляемая мощность ограничивается установкой автоматического выключателя соответствующего номинала в герметичном корпусе.

Принцип действия автоматов

Большинство автоматических выключателей имеют два вида защиты — тепловую и электромагнитную, каждый из которых отключает машину в разных аварийных ситуациях.

Тепловая защита

Этот тип отключает питание, когда ток превышает номинальное значение, но меньше установленного максимального тока. Важнейшим активным элементом тепловой защиты является биметаллическая пластина. При нагреве он прогибается и отключает машину.

Нагрев пластины осуществляется при протекании по ней электрического тока, а в некоторых моделях для этого используется небольшой отрезок нихромовой проволоки. Чем выше ток, тем быстрее нагрев и отключение защиты.

Параметр, характеризующий временную задержку при работе, называется токо-временной характеристикой. Сколько ампер нужно выставить на автомате для защиты электроприбора или линии, определяется именно этим параметром.

Электромагнитный расцепитель

Это устройство предназначено для немедленного отключения машины в случае короткого замыкания или превышения установленного тока. Активным элементом для максимальной защиты является электромагнитная катушка с подпружиненным сердечником. Когда ток превышает установленное значение, сердечник втягивается в катушку и отключает машину.

В зависимости от модели превышение тока уставки электромагнитной защиты над номинальным может составлять 2-10In.

В блоках большой мощности это значение указано на передней панели; в модульных автоматических выключателях это обозначается буквой английского алфавита перед номинальным током. Указывает времятоковую характеристику.

Что такое время текущее-характерно читайте в статье.

Наиболее распространенными типами текущих временных характеристик являются:

• Б — Imax=3In. Используется для защиты бытовой техники, отопительных и осветительных приборов.
• С — Imax=5In. Используется для защиты большинства бытовых приборов, отопительных и осветительных приборов.
• D — Imax=10In. Они в основном используются в производстве для защиты электродвигателей из-за высокого пускового тока.

Информация! Для защиты трансформаторов также необходимо использовать автоматы серии «Д». Это связано с большим значением первой полуволны синусоидального тока после подачи тока.

Примеры расчета автоматических выключателей

Теорию расчетов автоматических выключателей вы можете прочитать в статье: Расчет автоматических выключателей. Вот несколько практических примеров расчета автоматических выключателей в электроцепи для домов и квартир.

Что защищает автоматический выключатель

Основной задачей автоматического выключателя является защита проводов и кабелей от перегрева. Такая ситуация приведет к разрушению изоляции, в результате чего находящиеся рядом жилы могут закоротить друг друга и воспламенить изоляцию и другие горючие материалы.

Вторая по значимости функция автоматов — отключение электроприборов с электродвигателями или мощными трансформаторами в случае перегрузки. Такая ситуация может возникнуть при выходе из строя подшипника двигателя, а также по ряду других причин, устранение которых намного дешевле, чем ремонт или замена электроприбора.

От каких проблем автомат не защищает

Кроме повышенного тока и выхода из строя проводов в электрической сети возможны и другие аварийные ситуации, для защиты от которых необходимо устанавливать другие виды защитных устройств:

• Повышенное или пониженное напряжение. Приводит к выходу из строя электроприборов, для защиты необходимо подключить реле напряжения РН.
• Прикосновение людей к элементам, находящимся под напряжением. Опасный для жизни человека ток всего 0,1А. Это гораздо меньше, чем установка самого слабого автомата. Для защиты от поражения электрическим током устанавливают устройство защитного отключения (УЗО) или дифавтомат.

Установка этих защитных устройств желательна для лучшей защиты оборудования и повышения безопасности людей.

Чем опасно несоответствие тока кабеля и автомата

Выбор параметров автоматического выключателя и сечения кабеля производится одновременно, исходя из количества и мощности подключаемых электроприборов. Неправильный выбор уставки может привести к негативным последствиям.

Номинальный ток автомата меньше допустимого тока кабеля

По этому критерию должен быть проведен правильный расчет автоматического выключателя. Силовой кабель нужно выбирать с запасом, учитывая ток неотключения автоматического выключателя. Что это такое?

Каждая машина имеет условный ток отключения и условный неотключающий ток. Первый говорит о том, что при перегрузке 45% автоматический выключатель разомкнется только на один час (не сразу!). Ток без отключения, эта концепция предполагает, что при перегрузке 13% машина может вообще не выключиться. Обо всем этом сказано в ГОСТ Р 50345-2010 п.8.6.2.

Такие характеристики присущи ВСЕМ машинам разных марок, номиналов и производителей.

Чтобы было понятнее, можно представить это как отношение превышения реального тока к номинальному K = I/In:

• если К < 1,13 — машина не выключится в течение 1 часа;
• если К > 1,45 — машина выключится через 1 час;

Да, если взять любимый всеми хакерами автомат С25А, то его ток без выключения 28,25 Ампер (1,13*25), а ток выключения 36,25 Ампер (1,45*25).

Например: имеется группа розеток, для подключения выбран медный кабель сечением 2,5 мм². Его допустимый ток составляет 25 А, где жилы кабеля нагреваются до температуры 65 ºС.

Сколько ампер нужно машине в этом случае? Не более 16 ампер.

Если подключить этот кабель к машине на 25 А, то при перегрузке 45% она отключится в течение часа и по кабелю потечет ток 36 А. Представляете, до какой температуры будут нагреваться жилы кабеля и изоляция??? Вот почему возникают электрические пожары.

Читайте также: Расчет сечения кабеля по мощности

Подключение электроприборов отдельной линией

Эта ситуация не является аварийной, но прокладка крупногабаритной проводки требует штроб и кабельных каналов большего размера. К тому же такая проводка стоит дороже, что увеличивает затраты на монтаж.

Например, бытовые розетки предназначены для подключения электроприборов с номинальным током не более 16А, поэтому для подключения стиральной машины с отдельной медной линией мм² достаточно использовать автомат с настройкой 16А и ВВГнг 1,5 кабель, предназначенный для питания электроприборов с номинальным током 19А.

Прокладка кабеля сечением 2,5 мм² и номинальным током 27А будет лишней, тем более, что не все розетки рассчитаны на подключение к ним проводов сечением более 1,5 мм².

Такое расположение возможно только для подключения одного потребителя (водонагревателя, стиральной машины, кондиционера и т д.) отдельной линией. Если от этой линии должны быть подключены другие электроприборы, выбираем автомат на 10 А или кабель на ступень выше — сечением 2,5 мм².

Уставка автомата больше номинального тока кабеля

В отличие от предыдущей, эта ситуация опасна и может привести к перегреву изоляции и возгоранию проводов. Например, при подключении группы розеток медным кабелем сечением 2,5 мм² и допустимым током 27А он должен быть защищен автоматом с настройкой 16А.

Если для этой группы выбрать устройство защиты с номинальным током 25А и одновременно подключить к розеткам несколько устройств с общим током потребления 25А, то кабель будет перегреваться и изоляция будет разрушаться. Автоматический выключатель будет оставаться включенным до тех пор, пока не произойдет короткое замыкание.

Совет! Если необходимо подключить к одному автомату несколько мощных электроприборов, их можно включать по очереди.

Формула расчета тока автомата для 220 и 380 В

Несмотря на то, что уставка тока устройства написана на лицевой панели автоматического выключателя, потребляемый ток указан в паспорте большинства электроприборов, поэтому при выборе параметров автоматического выключателя возникает вопрос — как рассчитать машину по мощности?

Для расчетов в однофазной сети используется известная из школьного курса физики формула I = P/U, где:

• I — ток (А);
• Р — мощность (Вт);
• U — напряжение сети (В).

На практике часто используется упрощенный вариант расчета 1 кВт ≈ 4,5-5А.

Формула расчета потребляемой мощности трехфазных нагревателей более сложная I=P/(1,73•380)=Р/657, а для электродвигателей также необходимо учитывать cosφ I=P/(657*cosφ), но для выбора параметров автоматического выключателя 1кВт≈2А.

Совет! Для защиты электродвигателя от перегрузок целесообразнее дополнительно установить и настроить согласно паспортным данным устройства тепловое реле.

Расчет вводного автомата дома

Начнем с примеров расчета автоматических выключателей из частного дома, а именно рассчитаем вводной автомат. Исходные данные:

• Напряжение сети Un = 0,4 кВ;
• Расчетная мощность Рр = 80 кВт;
• Коэффициент мощности COSφ = 0,84;

1-й расчет:

Для выбора номинала автоматического выключателя рассмотрим номинал тока нагрузки данной электрической сети:

Ip = Рр / (√3 × Un × COSφ) Iр = 80 / (√3 × 0,4 × 0,84) = 137 А

2-й расчет

Во избежание ложного срабатывания автоматического выключателя номинальный ток (ток теплового срабатывания) автоматического выключателя следует выбирать на 10 % больше планируемого тока нагрузки:

• Текущая версия = IP × 1,1
• Ит.р = 137 × 1,1 = 150 А

Результат расчета: По произведенному расчету выбираем автоматический выключатель (согласно ПУЭ-85 п.3.1.10) с наиболее близким к расчетному значению током отключения:

• I ном.оф = 150 Ампер (150 А).

Такой выбор автоматического выключателя позволит электрической цепи дома стабильно работать в рабочем режиме и работать только в аварийных ситуациях.

Пример 2. Расчет автоматического выключателя групповой цепи кухни

Во втором примере рассчитаем, какой автоматический выключатель выбрать для кухонной электропроводки, которую правильно называть розеточной групповой схемой кухонной электропроводки. Это может быть кухня квартиры или дома, разницы нет.

Как и в первом примере, расчет состоит из двух расчетов: расчет тока нагрузки электрической цепи на кухне и расчет тока теплового отключения.

Расчет тока нагрузки

Исходные данные:

• Напряжение сети Un = 220 В;
• Расчетная мощность Рр = 6 кВт;
• Коэффициент мощности COSφ = 1;

1. Расчетную мощность считаем суммой мощности всех бытовых приборов на кухне, умноженной на коэффициент использования, который также является степенью использования бытовых приборов.

2. Коэффициент использования бытовых приборов является поправочным коэффициентом, уменьшающим расчетную (суммарную) потребляемую мощность электрической цепи и учитывающим количество одновременно работающих электроприборов.

То есть, если на кухне 10 розеток на 10 бытовых приборов (стационарных и переносных), надо учитывать, что все 10 приборов одновременно работать не будут.

Коэффициент использования

Вы можете рассчитать коэффициент использования для простой группы самостоятельно.

• Запишите запланированные бытовые приборы на листе бумаги.
• Рядом с устройством поставьте мощность согласно паспорту.
• Суммируйте всю мощность приборов по пропуску. Это вычисление.
• Подумайте, какие бытовые приборы могут работать одновременно: чайник + тостер, микроволновка + блендер, чайник + микроволновка + тостер и так далее
• Вычислите суммарные мощности этих групп. Рассчитайте среднюю суммарную мощность групп устройств, включенных одновременно. Это будет оцениваться (эффект бренда).
• Разделите Pcalculation на Pnominal, чтобы получить коэффициент использования кухни.

На самом деле в теории расчетов коэффициент использования внутри дома (без учета инженерных сетей) и квартиры принимается равным единице, если количество розеток не более 10. Это верно, но на практике это коэффициент использования, позволяющий современной кухонной технике работать на старых электрических проводах.

Примечание:

В расчетной теории планируется 1 хозяйственная розетка на 6 квадратных метров квартиры (дома). В котором:

• коэффициент использования = 0,7 — для розеток от 50 шт.;
• коэффициент использования = 0,8 — розетки 20-49 шт.;
• коэффициент использования = 0,9 — розетки от 9 до 19 шт.;
• коэффициент использования=1,0 — розетки ≤10 шт.

Вернемся к кухонному выключателю. Считаем ток нагрузки для кухни:

• Iр = Рр/220В;
• Ir = 6000/220 = 27,3 А.

Дата выхода:

• Расч.= Ip×1,1=27,3×1,1=30А

По произведенному расчету выбираем номинал автоматического выключателя для кухни на 32 Ампера.

Каким производителям стоит доверять

И, наконец, обратим внимание на производителей. Выбор машины нельзя считать законченным, если вы не подумали о том, какую марку выключателей купить. Категорически не стоит брать неизвестные фирмы — электрика не та область, где можно экспериментировать. Подробности о выборе производителя в видео.

Алгоритм расчета автоматического выключателя

Выбор типа и параметров автомата при монтаже или реконструкции электропроводки можно производить в определенном порядке, который показывает, как рассчитать, сколько ампер нужно автомату. Эти операции могут выполняться в другом порядке, но приведенный выше алгоритм достаточно удобен и гарантирует правильный выбор параметров защиты.

Для примера возьмем расчет для двух электрических конвекторов мощностью 1 и 1,5 кВт, подключенных к одной линии.

Определяем мощность и ток потребителей линии

В первую очередь рассчитывается суммарная мощность электроприборов Р1 + Р2 = 1 + 1,5 = 2,5 кВт.

Зная суммарную мощность электроприборов и напряжение сети, определяют суммарный ток конвекторов I=P/U=2500/220=11,4А или по упрощенной формуле I=5P=5*2,5=12,5А. В этом случае использование упрощенного расчета автоматически учитывает необходимый запас по току машины и сечению кабеля.

Выбираем провод по таблице выбора сечения

Согласно ПУЭ, пункт 2.1.48, кабели допускается использовать только по назначению, указанному в документации изготовителя. Для бытовой электропроводки в России и странах СНГ рекомендуется использовать кабель ВВГнг.

По таблицам 1.3.4-5, расположенным в ПУЭ, п.1.3.10 или информации от производителей, выбирается часть токопроводящей жилы. Для однофазной сети его следует выбирать из графы «один двухжильный кабель», даже если используется трехжильный кабель с заземляющей жилой. По этим данным достаточно проложить провод сечением 1 мм², если допустимый ток 15А.

Выбираем автомат

Для защиты линии от перегрева необходимо установить автоматический выключатель. По ряду возможных номинальных токов и допустимому току кабеля настройкой автомата выбирается ближайшее меньшее значение — 16А. Это больше, чем общий ток нагрузки.

Так как автоматический выключатель защищает фактически не электроприборы, а кабель, то для провода сечением 1 мм² необходимо установить устройство защиты с уставкой 10А, что меньше суммарного тока конвекторов 11,4А. Поэтому, несмотря на то, что по предыдущему пункту достаточно сечения кабеля 1 мм², его необходимо увеличить до 1,5 мм² при допустимом токе 19А.

Номинальный ток машины, Ампер	Условный ток без выключения (1,13*in)	Условный ток отключения (1,45*дюйма)	Длительно допустимый ток (ПУЭ табл. 1.3.6)	Сечение кабеля, мм2 (МЕДЬ)
6	6,78	8,7	19	1,5
10	11.3	14,5	19	1,5
16	18.08	23,2	25	2,5
20	22,6	29	35	4
25	28.25	36,25	35	4
32	36.16	46,4	42	6
40	45,2	58	55	10
50	56,5	72,5	75	16
63	71,19	91,35	95	25

Расчёт по таблице

Вместо проведения расчетов допускается пользоваться таблицей выбора машин по мощности. При этом сечение кабеля выбирают ближайшим большим согласно ПУЭ п.1.3.10.

В таблице, приведенной в этой статье, указано необходимое сечение медных проводов и настройки автомата в однофазной сети 220В исходя из мощности нагрузки.

Тип нагрузки	Условия	Сечение кабеля (медь)	Выключатель
Рекомендуемые	Максимум
Осветительные приборы	не более 8 баллов	1,5 мм2	10А	16А
группа розеток на 16 ампер	не более 5 баллов	1,5 мм2	10А	16А
не более 8 баллов	2,5 мм2	16А	20А
Отдельная линия для мощных электроприборов не более 2,2 кВт (10 ампер)	1 электронное устройство	1,5 мм2	10А	16А
Отдельная линия для мощных электроприборов не более 3,5 кВт (16 ампер)	1 электронное устройство	2,5 мм2	16А	20А
Отдельная линия для мощных электроприборов не более 7 кВт (32 ампера)	1 электронное устройство	6 мм2 (1 фаза)	32А	40А
2,5 мм2 (3 фазы)	16А	20А
Водонагреватель (накопительный)	1 электронное устройство	2,5 мм2	16А	20А
Оборудование для управления и контроля	по необходимости	1,5 мм2	2-6А	16А
Электрическое отопление	2250 Вт	1,5 мм2	10А	16А
3500 Вт	2,5 мм2	16А	20А
4500 Вт	4 мм2	25А	32А
5750 Вт	6 мм2	32А	40А
7250 Вт	10 мм2	40А	50А

Ошибки при выборе автоматических выключателей

Распространены ошибки неопытных электриков, не умеющих рассчитывать мощность машины по нагрузке:

• Настройка выбирается только по мощности нагрузки, без учета сечения кабеля. Например, подключите устройства с общим током 14А через автомат на 16А кабелем сечением 1мм². Несмотря на то, что оба элемента позволяют управлять этой нагрузкой, при увеличении тока электроприбора до 16 А изоляция проводов выходит из строя, и машина остается включенной до тех пор, пока не произойдет короткое замыкание.
• Занижен номинальный ток машины. Это устройство защищает подключенный к нему кабель, поэтому устанавливать автоматический выключатель с уставкой 10А на провод сечением 2,5 мм² нецелесообразно, лучше выбрать автоматический выключатель на 16А. Это позволит при необходимости включить дополнительные электроприборы.
• Установка перенапряженного выключателя на не предназначенный для этого кабель. Например: автоматический выключатель на 25 А и кабель сечением 2,5 мм
• Использует серию «C» для защиты электродвигателя. В этом случае защита сработает во время пуска электромашины.