Выбор автомата по мощности нагрузки, сечению кабеля и по току: принципы и формулы для расчетов

Для организации безотказно действующего внутридомового электроснабжения необходимо выделить отдельные ветки.  Каждую линию нужно оснастить собственным прибором защиты, оберегающим изоляцию кабеля от оплавления. Однако не все знают, какое устройство приобрести. Согласны?

Все про выбор автоматов по мощности нагрузки вы узнаете из представленной нами статьи. Мы расскажем, как определить номинал для поиска выключателя необходимого класса. Учет наших рекомендаций гарантирует покупку требующихся устройств, способных исключить угрожающие ситуации при эксплуатации проводки.

Автоматические выключатели для бытовых сетей

Электроснабжающие организации осуществляют подключение домов и квартир, выполняя работы по подведению кабеля к распредщиту. Все мероприятия по монтажу разводки в помещении выполняют его владельцы, либо нанятые специалисты.

Чтобы подобрать автомат для защиты каждой отдельной цепи необходимо знать его номинал, класс и некоторые другие характеристики.

Основные параметры и классификация

Бытовые автоматы устанавливают на входе в низковольтную электрическую цепь и предназначены они для решения следующих задач:

• ручное или электронное включение или обесточивание электрической цепи;
• защита цепи: отключение тока при незначительной длительной перегрузке;
• защита цепи: мгновенное отключение тока при коротком замыкании.

Каждый выключатель имеет характеристику, выраженную в амперах, которую называют номинальная сила тока (I_n) или «номинал».

Суть этого значения проще понять, используя коэффициент превышения номинала:

K = I / I_n,

где I – реальная сила тока.

• K < 1.13: отключение (расцепление) не произойдет в течение 1 часа;
• K > 1.45: отключение произойдет в течение 1 часа.

Эти параметры зафиксированы в п. 8.6.2. ГОСТ Р 50345-2010. Чтобы узнать за какое время произойдет отключение при K>1.45 нужно воспользоваться графиком, отражающим времятоковую характеристику конкретной модели автомата.

При длительном превышении током значения номинала выключателя в 2 раза, размыкание произойдет за период от 8 секунд до 4-х минут. Скорость срабатывания зависит от настройки модели и температуры среды

Также у каждого типа автоматического выключателя определен диапазон тока (I_a), при котором срабатывает механизм мгновенного расцепления:

• класс «B»: I_a = (3 * I_n .. 5 * I_n];
• класс «C»: I_a = (5 * I_n .. 10 * I_n];
• класс «D»: I_a = (10 * I_n .. 20 * I_n].

Устройства типа «B» применяют в основном для линий, которые имеют значительную длину. В жилых и офисных помещениях используют автоматы класса «С», а приборы с маркировкой «D» защищают цепи, где есть оборудование с большим пусковым коэффициентом тока.

Стандартная линейка бытовых автоматов включает в себя устройства с номиналами в 6, 8, 10, 16, 20, 25, 32, 40, 50 и 63 A.

Конструктивное устройство расцепителей

В современном автоматическом выключателе присутствуют два вида расцепителей: тепловой и электромагнитный.

Биметаллический расцепитель имеет форму пластины, созданной из двух токопроводящих металлов с различным тепловым расширением. Такая конструкция при длительном превышении номинала приводит к нагреву детали, ее изгибу и срабатыванию механизма размыкания цепи.

У некоторых автоматов с помощью регулировочного винта можно изменить параметры тока, при котором происходит отключение. Раньше этот прием часто применяли для «точной» настройки устройства, однако эта процедура требует углубленных специализированных знаний и проведения нескольких тестов.

Вращением регулировочного винта (выделен красным прямоугольником) против часовой стрелки можно добиться большего времени срабатывания теплового расцепителя

Сейчас на рынке можно найти множество моделей стандартных номиналов от разных производителей, у которых времятоковые характеристики немного отличаются (но при этом соответствуют нормативным требованиям). Поэтому есть возможность подобрать автомат с нужными «заводскими» настройками, что исключает риск неправильной калибровки.

Электромагнитный расцепитель предотвращает перегрев линии в результате короткого замыкания. Он реагирует практически мгновенно, но при этом значение силы тока должно в разы превышать номинал. Конструктивно эта деталь представляет собой соленоид. Сверхток генерирует магнитное поле, которое сдвигает сердечник, размыкающий цепь.

Соблюдение принципов селективности

При наличии разветвленной электрической цепи можно организовать защиту таким образом, чтобы при коротком замыкании произошло отключение только той ветви, на которой возникла аварийная ситуация. Для этого применяют принцип селективности выключателей.

Наглядная схема, показывающая принцип работы системы автоматических выключателей с реализованной функцией селективности (выборочности) срабатывания при возникновении короткого замыкания

Для обеспечения выборочного отключения на нижних ступенях устанавливают автоматы с мгновенной отсечкой, размыкающие цепь за 0.02 – 0.2 секунды. Выключатель, размещенный на вышестоящей ступени, или имеет выдержку по срабатыванию в 0.25 – 0.6 с или выполнен по специальной «селективной» схеме в соответствии со стандартом DIN VDE 0641-21.

Для гарантированного обеспечения селективной работы автоматов лучше использовать автоматы от одного производителя. Для выключателей единого модельного ряда существуют таблицы селективности, которые указывают возможные комбинации.

Простейшие правила установки

Участок цепи, который необходимо защитить выключателем может быть одно- или трехфазным, иметь нейтраль, а также провод PE («земля»). Поэтому автоматы имеют от 1 до 4 полюсов, к которым подводят токопроводящую жилу. При создании условий для расцепления происходит одновременное отключение всех контактов.

Автоматы в щитке крепят на специально отведенную для этого DIN-рейку. Она обеспечивает компактность и безопасность подключения, а также удобный доступ к выключателю

Автоматы устанавливают следующим образом:

• однополюсные на фазу;
• двухполюсные на фазу и нейтраль;
• трехполюсные на 3 фазы;
• четырехполюсные на 3 фазы и нейтраль.

При этом запрещено делать следующее:

• устанавливать однополюсные автоматы на нейтраль;
• заводить в автомат провод PE;
• устанавливать вместо одного трехполюсного автомата три однополюсных, если в цепь подключен хотя бы один трехфазный потребитель.

Все эти требования прописаны в ПУЭ и их необходимо соблюдать.

В каждом доме или помещении, к которому подведено электричество, устанавливают вводной автомат. Его номинал определяет поставщик и это значение прописано в договоре на подключение электроэнергии. Предназначение такого выключателя – защита участка от трансформатора до потребителя.

После вводного автомата к линии подключают счетчик (одно- или трехфазный) и устройство защитного отключения, функции которого отличаются от работы автоматического и дифференциального выключателя.

Если в помещении выполнена разводка на несколько контуров, то каждый из них защищают отдельным автоматом, мощность которого указана в маркировке. Их номиналы и классы определяет владелец помещения с учетом существующей проводки или мощности подключаемых приборов.

Счетчик электроэнергии и автоматические выключатели устанавливают в распределительном щите, который отвечает всем требованиям безопасности и легко может быть вписан в интерьер помещения

При выборе места для размещения распределительного щита необходимо помнить, что на свойства теплового расцепителя влияет температура воздуха. Поэтому желательно располагать рейку с автоматами внутри самого помещения.

Расчет необходимого номинала

Основная защитная функция автоматического выключателя распространяется на проводку, поэтому подбор номинала осуществляют по сечению кабеля. При этом вся цепь должна обеспечить штатную работу подключенных к ней приборов. Расчет параметров системы несложен, но надо учесть много нюансов, чтобы избежать ошибок и возникновения проблем.

Определение суммарной мощности потребителей

Один из главных параметров электрического контура – максимально возможная мощность подключенных к ней потребителей электроэнергии. При расчете этого показателя нельзя просто суммировать паспортные данные устройств.

Активная и номинальная компонента

Для любого прибора, работающего от электричества, производитель обязан указать активную мощность (P). Эта величина определяет количество энергии, которая будет безвозвратно преобразована в результате работы аппарата и за которую пользователь будет платить по счетчику.

Но для приборов с наличием конденсаторов или катушки индуктивности есть еще одна мощность с ненулевым значением, которую называют реактивной (Q). Она доходит до устройства и практически мгновенно возвращается обратно.

Реактивная компонента не участвует при подсчете использованной электроэнергии, но совместно с активной формирует так называемую «полную» или «номинальную» мощность (S), которая дает нагрузку на цепь.

cos(f) – параметр, с помощью которого можно определить полную (номинальную мощность) по активной (потребляемой). Если он не равен единице, то его указывают в технической документации к электроприбору

Считать вклад отдельного устройства в общую нагрузку на токопроводящие жилы и автомат необходимо по его полной мощности: S = P / cos(f).

Повышенные стартовые токи

Следующей особенностью некоторых типов бытовой техники является наличие трансформаторов, электродвигателей или компрессоров. Такие устройства при начале работы потребляют пусковой (стартовый) ток.

Его значение может в несколько раз превышать стандартные показатели, но время работы на повышенной мощности невелико и обычно составляет от 0.1 до 3 секунд. Такой кратковременный всплеск не приведет к срабатыванию теплового расцепителя, но вот электромагнитный компонент выключателя, отвечающий за сверхток КЗ, может среагировать.

Особенно эта ситуация актуальна для выделенных линий, к которым подключают оборудование типа деревообрабатывающих станков. В этом случае нужно посчитать ампераж и, возможно, имеет смысл использовать автомат класса «D».

Учет коэффициента спроса

Для цепей, к которым подключено большое количество оборудования и отсутствует устройство, которое потребляет наибольшую часть тока, используют коэффициент спроса (ks). Смысл его применения заключается в том, что все приборы не будут работать одновременно, поэтому суммирование номинальных мощностей приведет к завышенному показателю.

Коэффициент спроса на группы электропотребителей установлен в п. 7 СП 256.1325800.2016. На эти показатели можно опираться и при самостоятельном расчете максимальной мощности

Этот коэффициент может принимать значение равное или меньшее единице. Вычисления расчетной мощности (P_r) каждого прибора происходит по формуле:

P_r = ks * S

Суммарную расчетную мощность всех приборов применяют для вычисления параметров цепи. Использование коэффициента спроса целесообразно для офисных и небольших торговых помещений с большим числом компьютеров, оргтехники и другой аппаратуры, запитанной от одного контура.

Для линий с незначительным количеством потребителей этот коэффициент не применяют в чистом виде. Из подсчета мощности убирают те устройства, чье включение одновременно с более энергозатратными приборами маловероятно.

Так, например, мало шансов на единовременную работу в жилой комнате с утюгом и пылесосом. А для мастерских с небольшим числом персонала в расчет берут только 2-4 наиболее мощных электроинструмента.

Вычисление силы тока

Выбор автомата производят по максимальному значению силы тока, допустимому на участке цепи. Необходимо получить этот показатель, зная суммарную мощность электропотребителей и напряжение в сети.

Согласно ГОСТ 29322-2014 с октября 2015 года значение напряжения должно быть равным 230 В для обыкновенной сети и 400 В – для трехфазной. Однако в большинстве случаев, до сих пор действуют старые параметры: 220 и 380 В соответственно. Поэтому для точности расчетов необходимо провести замеры с применением вольтметра.

Измерить напряжение в домашней сети можно с помощью вольтметра или мультиметра. Для этого достаточно воткнуть его контакты в розетку

Еще одной проблемой, особенно актуальной для электропроводки в частном секторе, является предоставление электроснабжения с недостаточным напряжением. Замеры на таких проблемных объектах могут показывать значения, выходящие за определенный ГОСТом диапазон.

Более того, в зависимости от уровня потребления соседями электричества, значение напряжения может сильно меняться в течение короткого времени.

Это создает проблему не только для функционирования приборов, но и для расчета силы тока. При падении напряжения некоторые устройства просто теряют в мощности, а некоторые, у которых присутствует входной стабилизатор, увеличивают потребление электричества.

Качественно провести расчеты необходимых параметров цепи в таких условиях сложно. Поэтому либо придется прокладывать кабели с заведомо большим сечением (что дорого), либо решать проблему через установку входного стабилизатора или подключение дома к другой линии.

Стабилизатор устанавливают рядом с распределительным щитом. Часто бывает, что это единственный способ получить нормативные значения напряжения в доме

После того как была найдена общая мощность электроприборов (S) и выяснено значение напряжения (U), расчет силы тока (I) проводят по формулам, являющихся следствием закона Ома:

I_f = S / U_f  для однофазной сети

I_l = S / (1.73 * U_l) для трехфазной сети

Здесь индекс «f» означает фазные параметры, а «l» – линейные.

Большинство трехфазных устройств используют тип подключения «звезда», а также именно по этой схеме функционирует трансформатор, выдающий ток для потребителя. При симметричной нагрузке линейная и фазная сила будут идентичны (I_l = I_f), а напряжение рассчитывают по формуле:

U_l = 1.73 * U_f

Нюансы подбора сечения кабеля

Качество и параметры проводов и кабелей регулирует ГОСТ 31996-2012. По этому документу для выпускаемой продукции разрабатывают ТУ, где допускается некоторый диапазон значений базовых характеристик. Изготовитель обязан предоставить таблицу соответствия сечения жил и максимальной безопасной силы тока.

Максимально допустимая сила тока зависит от сечения жил проводов и способа монтажа. Они могут быть проложены скрытым (в стене) или открытым (в трубе или коробе) способом

Выбирать кабель необходимо так, чтобы обеспечить безопасное протекание тока, соответствующего расчетной суммарной мощности электроприборов. Согласно ПУЭ (правила устройства электроустановок) минимальное расчетное сечение проводов, используемых в жилых помещениях, должно быть не менее 1,5 мм².

Стандартные размеры имеют следующие значения: 1,5; 2,5; 4; 6 и 10 мм².

Иногда есть резон использовать провода с сечением на шаг больше, чем минимально допустимое. В этом случае существует возможность подключения дополнительных приборов или замена уже существующих на более мощные без дорогостоящих и длительных работ по прокладке новых кабелей.

Расчет параметров автомата

Для любой цепи должно быть выполнено следующее неравенство:

I_n <= I_p / 1.45

Здесь I_n – номинальный ток автомата, а I_p – допустимый ток для проводки. Это правило обеспечивает гарантированное расцепление при длительном превышении допустимой нагрузки.

Неравенство «In <= Ip / 1.45» является основным условием при комплектовании пары «автомат – кабель». Пренебрежение этим правилом может привести к возгоранию проводки

Рассчитать номинал автомата можно как по суммарной нагрузке, так и по сечению жил уже проложенной проводки. Допустим, что существует схема подключения электроприборов, но проводка еще не проложена.

В этом случае последовательность действий следующая:

1. Вычисление суммарной силы тока подключенных к сети электроприборов.
2. Выбор автомата с номиналом не меньше, чем вычисленная величина.
3. Подбор сечения кабеля по номиналу автомата.

Пример:

1. S = 4 кВт; I = 4000 / 220 = 18 A;
2. I_n = 20 A;
3. I_p >= I_n * 1.45 = 29 A; D = 4 мм².

Если проводка уже проложена, то последовательность действий другая:

1. Определение допустимого тока при известном сечении и способе прокладки проводки по предоставленной производителем таблице.
2. Подбор автоматического выключателя.
3. Вычисление мощности подключаемых устройств. Комплектование группы приборов таким образом, чтобы суммарная нагрузка на цепь была меньше номинала.

Пример. Пусть проложены два одножильных кабеля открытым способом, D = 6 мм², тогда:

1. I_p = 46 A;
2. I_n <= I_p / 1.45 = 32 A;
3. S = I_n * 220 = 7.0 кВт.

В пункте 2 последнего примера есть незначительное допустимое приближение. Точное значение I_n = I_p / 1.45 = 31.7 A округлено до значения 32 A.

Выбор между несколькими номиналами

Иногда возникает ситуация, когда можно выбрать несколько автоматов с разными номиналами для защиты контура. Например, при суммарной мощности электроприборов 4 кВт (18 A) была с запасом выбрана проводка с сечением медных жил 4 мм². Для такой комбинации можно поставить выключатели на 20 и 25 A.

Если схема разводки электрики предполагает наличие многоярусной защиты, то нужно выбирать автоматы так, чтобы значение номинала вышестоящего (на рисунке он справа – 25 A) было больше, чем у выключателей более низких уровней

Плюсом выбора выключателя с наивысшим номиналом является возможность подключения дополнительных приборов без изменения элементов контура. Чаще всего так и поступают.

В пользу выбора автомата с меньшим номиналом говорит тот факт, что его тепловой расцепитель быстрее среагирует на повышенный показатель силы тока. Дело в том, что у некоторых приборов может возникнуть неисправность, которая приведет к росту потребления энергии, но не до значения короткого замыкания.

Например, поломка подшипника двигателя стиральной машины приведет к резкому увеличению тока в обмотке. Если автомат быстро среагирует на превышение разрешенных показателей и произведет отключение, то мотор не сгорит.

Выводы и полезное видео по теме

Конструкция автоматического выключателя и его классификация. Понятие времятоковой характеристики и подбор номинала по сечению кабеля:

Расчет мощности приборов и выбор автомата с использованием положений ПУЭ:

К выбору автоматического выключателя нужно отнестись ответственно, так как от этого зависит безопасность работы электросистемы дома. При всем множестве входных параметров и нюансов расчета необходимо помнить, что основная защитная функция автомата распространяется на проводку.

Пишите, пожалуйста, комментарии, задавайте вопросы, размещайте фото по теме статьи в расположенном ниже блоке. Делитесь полезной информацией, которая может пригодиться посетителям сайта. Расскажите о собственном опыте в выборе автоматических выключателей для защиты дачной или домашней электропроводки.