Тепловой расчет автоматического выключателя

Примеры расчета автоматических выключателей в электрической цепи

Вводная часть

Любая электрическая цепь в квартире и доме, должна защищаться автоматом защиты от перегрузок и сверхтоков короткого замыкания. Эту нехитрую истину можно наглядно продемонстрировать в любом электрическом щите квартиры, этажном щите, вводно-распределительном щите дома и т.п. электрическим шкафам и боксам.

Вопрос не в том, ставить автомат защиты или нет, вопрос, как рассчитать автомат защиты, чтобы он правильно выполнял свои задачи, срабатывал, когда нужно и не мешал стабильной работе электроприборов.

Примеры расчета автоматических выключателей

Теорию расчетов автоматических выключателей вы можете почитать в статье: Расчет автоматов защиты. Здесь несколько практических примеров расчета автоматических выключателей в электрической цепи дома и квартиры.

Пример 1. Расчет вводного автомата дома

Примеры расчета автоматических выключателей начнем с частного дома, а именно рассчитаем вводной автомат. Исходные данные:

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

1-й расчет:

Чтобы выбрать номинал автоматического выключателя считаем номинал тока нагрузки данной электросети:

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

2-й расчет

Чтобы избежать, ложное срабатывание автомата защиты, номинальный ток автомата защиты (ток срабатывания теплового расцепителя) следует выбрать на 10% больше планируемого тока нагрузки:

• Iток.расцепителя = Iр × 1,1
• Iт.р = 137 × 1,1 = 150 А

Итог расчета: По сделанному расчету выбираем автомат защиты (по ПУЭ-85 п. 3.1.10) с током расцепителя ближайшим к расчетному значению:

• I ном.ав = 150 Ампер (150 А).

Такой выбор автомата защиты позволит стабильно работать электрической цепи дома в рабочем режиме и срабатывать, только в аварийных ситуациях.

Пример 2. Расчет автоматического выключателя групповой цепи кухни

Во втором примере посчитаем, какой автоматический выключатель нужно выбрать для кухонной электропроводки, которую правильно называть розеточная групповая цепь электропроводки кухни. Это может быть кухня квартиры или дома, разницы нет.

Аналогично первому примеру расчет состоит из двух расчетов: расчет тока нагрузки электрической цепи кухни и расчет тока теплового расцепителя.

Расчет тока нагрузки

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

1. Расчетную мощность считаем, как сумму мощностей всех бытовых приборов кухни, умноженной на коэффициент использования, он же коэффициент использования бытовой техники.

2. Коэффициент использования бытовой техники это поправочный коэффициент, уменьшающий расчетную (полную) потребляемую мощность электроцепи и учитывающий количество одновременно работающих электроприборов.

То есть, если на кухне установлено 10 розеток для 10 бытовых приборов (стационарных и переносных), нужно учесть, что все 10 приборов одновременно работать не будут.

Коэффициент использования

Рассчитать коэффициент использования для простой группы можно самостоятельно.

• Выпишите на листок планируемые бытовые приборы.
• Рядом с прибором поставьте его мощность по паспорту.
• Просуммируйте все мощности приборов по паспорту. Это Pрасчет.
• Подумайте, какие приборы могут работать одновременно: чайник+ тостер, микроволновка+блендер, чайник+микроволновка+тостер, и т.д.
• Посчитайте суммарные мощности этих групп. Рассчитайте среднюю суммарную мощность групп одновременно включаемых приборов. Это будет Pноминал (номинальная мощность).
• Разделите Pрасчет на Pноминал, получите коэффициент использования кухни.

На самом деле, в теории расчетов коэффициент использования внутри дома (без инженерных сетей) и квартиры принимается равным, единице, если количество розеток не больше 10. Это так, но на практике, именно коэффициент использования позволяет работать современным бытовым приборам кухни на старой электропроводке.

Примечание:

В теории расчетов 1 бытовая розетка планируется на 6 кв. метров квартиры (дома). При этом:

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

Вернемся к автоматическому выключателю кухни. Считаем номинал тока нагрузки кухни:

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

По сделанному расчету выбираем номинал автомата защиты для кухни в 32 Ампер.

Вывод

Приведенный пример расчета кухни получился несколько завышенным, обычно для электропроводки кухни хватает 16 ампер если учесть, что плиту, стиральную машину, посудомоечную машину выводят в отдельные группы.

Эти примеры расчета автоматических выключателей для групповых цепей, лишь показывают общий принцип расчетов, причем не включают расчет инженерных цепей включающий работу насосов, станков и других двигателей частного дома.

Расчет повышения температуры внутри корпуса ОЩВ с номинальной нагрузкой отходящих линий (2007)

Современные щитки ОЩВ выпускаются с комплектацией модульными автоматическими выключателями, которые устанавливаются на рейку. Комплектация может включать защиту от перегрузки и короткого замыкания, в нее может быть дополнительно введена дифференциальная защита. Разводка выполняется компактными соединительными шинами. Изменилась и схема питания с TN-C — с общим защитным и рабочим нулевым проводом — на TN-S — с разделенными защитным и рабочим нулевыми проводами. Для этого в схему ОЩВ были введены две сборные шины N — нулевая рабочая и PE — нулевая защитная. У корпусов может быть две степени защиты — IP31 или IP54.

Щитки ОЩВ различных производителей имеют отличия, определить которые с первого взгляда не всегда возможно. Но существует критерий, с помощью которого можно оценить надежность и качество любого ОЩВ. Это величина повышения температуры внутри корпуса ОЩВ при номинальной нагрузке отходящих линий. В чем причина выбора именно такого критерия? Дело в том, что температура настройки модульных автоматических выключателей — +30оС. Их номинальные параметры при большей температуре снижаются, и тепловой рас-цепитель способен срабатывать при токах меньше номинального на 10. 20. 30% (рис. 1).

Нагрев соседними модульными автоматическими выключателями также снижает ток несрабатывания (рис. 2).

Ток неотклю-чения для размещенных рядом друг с другом автоматических выключателей в зависимости от их количества (n) и температуры окружающего воздуха определяется по формуле:

I = 1,13 In Kn Kt,

где In — номинальный ток при температуре настройки тепловых расцепителей 30оС (указанный на маркировке);

Kn — коэффициент нагрузки в зависимости от количества полюсов;

Kt — коэффициент нагрузки в зависимости от температуры окружающего воздуха.

И, следовательно, щиток будет недоиспользован по мощности нагрузки.

С помощью методики известной фирмы «KLINKMANN» можно сделать точный расчет превышения температуры:

— превышение температуры внутри корпуса ОЩВ, K;

Р — суммарная мощность тепловыделения установленных модульных автоматических выключателей, Вт;.

S — расчетная поверхность теплоотвода корпуса ОЩВ, м2; Считается по формуле: S=1,8хВх(Ш+Г)+1, 4хШхГ (В-высота, Ш-ширина, Г-глубина).

K — коэффициент теплопередачи материала корпуса ОЩВ, Вт/м2 (для навесного корпуса из листовой окрашенной стали: K=5,5).

Чтобы продемонстрировать последствия повышения температуры внутри корпуса, мы взяли для сравнения по несколько ОЩВ двух крупных российских производителей. Все ОЩВ укомплектованы автоматическими выключателями TM IEK ВА47-29 и ВА47-100 (показатели мощности тепловыделения этих автоматов даже ниже, чем допускает ГОСТ — см. рис. 3).

Значения всех ОЩВ мы подставили к вышеприведенной формуле «KLINKMANN». На графике (рис. 4) видно, каким образом проявляется разница характеристик образцов ОЩВ:

— Значения превышения температуры в корпусах ОЩВ совпадают у ОЩВ-6, ОЩВ-9 и ОЩВ-18. У этих изделий совпадают и номиналы автоматических выключателей и марки корпусов.

— Несовпадение значений превышения температуры для двух образцов ОЩВ-12 при одинаковой комплектации автоматическими выключателями обусловлено применением корпусов разных габаритов. При использовании ЩРН-16 температура повышается на 29ОС, при использовании ЩРН-24 температура возрастает только на 24ОС.

— В ОЩВ-18 превышение температуры достигает 40ОС. Такое превышение температуры снизит номинал автоматических выключателей с 16 до:

I = 1,13 * 16 * 0,79 * 0,9 = 12,85 A.

Таким образом, чтобы сделать правильный выбор ОЩВ, любому проектировщику достаточно знать геометрические размеры щитка, материал корпуса и способ его установки (навесной или встраиваемый), а также допустимое по ГОСТ превышение температуры. С помощью формулы «KLINKMANN» он может произвести необходимые расчеты и либо выбрать тип автоматического выключателя, его номинальные токи и число модулей на уже существующий щиток, либо, если тип автоматического выключателя и количество на номинальные токи уже задан, выбрать подходящий корпус. Надо учитывать, что несоответствие характеристик ОЩВ и комплектующих его автоматов вызовет недогрузку отходящих линий. Для ОЩВ-18 это снизит максимальную мощность присоединенного оборудования с 72 до 51 кВт, или на 29 процентов.

Расчет автоматического выключателя и устройство защитного отключения (УЗО)

Как производится расчёт автоматического выключателя

Правильный расчет автоматического выключателя играет очень большую роль.

Расчет автомата по мощности производят, если провода по всей длине на всех участках электропроводки рассчитаны на такую нагрузку. Определяющей величиной для выбора номинального тока автомата является сечение токопроводящего провода.

Например, допустимый ток для медного провода сечением 1,5 кв. мм, составляет 19 ампер. Значит, для данного провода выбираем ближайшее значение номинального тока автомата в меньшую сторону, составляющее 16 ампер. Если выбрать автомат со значением больше то проводка будет греться.

Чтобы выбрать сечение кабеля и номинальный ток автомата, нужно произвести расчет предполагаемой нагрузки. Этот расчет производят, суммируя мощности приборов, которые будут подключены к участку. Суммарная мощность позволит определить ток, протекающий через проводку.

Формула I=P/U

Далее по справочным таблицам выбираем подходящее сечение провода. При этом учитывается способ прокладки и материал проводника.

Следующим этапом подбираем автомат, который будет устанавливаться в электрощитке.

Не сложно произвести расчет количества автоматов для дома или квартиры самостоятельно.

Следует только придерживаться определенных правил:

Зная ток нагрузки, сечение провода выбирается в большую сторону, а автоматы подбираются по меньшему току.

Вводной АВ рассчитывается и ограничивается выделенной на ваш объект мощностью. Количество автоматов рассчитывается по количеству линий электропроводки и потребителей.

Расчет необходимо производить тщательно , так как от этого зависит ваша жизнь и сохранность материальных ценностей. Поэтому расчёт лучше доверить квалифицированным специалистам.

Таблица выбора автомата по мощности электроприборов :

Таблица для выбора кабеля к Авт.выкл / Диф.авт / УЗО

Как производится расчёт устройства защитного отключения (УЗО)

Не всегда на практике можно выполнить точный расчёт суммарного тока утечки. Примерно его определяют следующим методом: на 1 А потребляемой нагрузки берут 0,4 мА токовой утечки.

Также следует произвести расчёт исходя из длины фазного провода – на 1 м берётся 10 мкА

Пример: УЗО по мощности электрической плиты (3 кВт)

Для начала выполняем расчёт её нагрузки:

3000 Вт / 220 В = 13,64 А. Ток утечки для плиты: 13,64 А х 0,4 мА = 5,46 мА. Аналогично производим расчёт для проложенного проводника, к примеру, 10 м: 10 мкА х 10 м = 100 мкА = 0,1 мА. В сумме ток утечки получился: 5,46 мА + 0,1 мА = 5,56 мА.

Полученное значение суммы токовой утечки не должно превышать 33 % дифференциального номинального тока УЗО.
Дальше составляем элементарную пропорцию и получаем: 5,56 мА х 100 % / 33 % = 16,85 мА.

Тепловой расчет автоматического выключателя

На замену плавким предохранителям еще два столетия назад пришли автоматические выключатели. С 1924 года патент на это изобретение принадлежит швейцарской компании Brown , Boveri & Cie .

Преимущества АВ над плавкими вставками:

— плавкий предохранитель выходит из строя после первого своего срабатывания, то есть многократное его использование невозможно, необходима замена сгоревшей плавкой части;

— при использовании в трехфазной цепи, короткое замыкание в одной фазе вызовет перегорание одного предохранителя, в то время как две другие фазы будут продолжать работать. Аварийный режим работы (обрыв фазы) исключается АВ, так как к.з. в одной фазе трехполюсного выключателя приводит к разрыву всей цепи.

Автоматический выключатель (АВ) – это электромеханический коммутационный аппарат, который позволяет включать и отключать питание потребителя при нормальном режиме работы. А так же обеспечивает защиту электрооборудования от токов короткого замыкания и перегрузки (перегревания). Частое отключения в ручном режиме нежелательно, так как АВ имеют заявленное число коммутаций (для этого лучше использовать более дешевые рубильники).

Для того чтобы правильно выбрать автоматический выключатель, необходимо понимать его основные параметры и характеристики:

Номинальный ток автомата ( I _н ) – величина тока, на которую АВ рассчитан для длительной нормальной работы. Иногда показатель I н имеет определенный диапазон и регулятор для точной настройки. Например, I _н =3 ÷ 5А, это означает, что данный автоматический выключатель можно подстроить на рабочие токи от 3 до 5 А. При превышении указанного значения происходит срабатывание защиты и электрическая цепь разрывается. По нормам, срабатывание должно произойти при силе тока в 1,45 I _н .

Тип автоматического выключателя определяет кратковременное значение силы тока, при котором произойдет разрыв цепи. Тип или класс, в основном, определяется для момента включения. При запуске электрооборудования имеют место пусковые токи, которые могут быть огромными. Например, при прямом пуске электродвигателя, начальный ток равен 10-ти номинальным. Основные типы:

Время срабатывания (от момента, когда контролируемый параметр стал больше предельного значения, до момента размыкания контактов). АВ по времени срабатывания делятся на:

Последние имеют контакты с задержкой на размыкание. Применяются в сложных цепях, селективный АВ устанавливают на входе потребителя большой мощности. После него на разветвлениях цепи стоят автоматы меньшей мощности. Таким образом, при создании аварийной ситуации на участке цепи – выключится лишь отдельное оборудование, а селективность позволит остальной системе остаться работоспособной.

Отключающая способность – это максимальный ток, который может присутствовать кратковременно в цепи, чтобы автоматический выключатель не потерял свою работоспособность (возможно сваривание контактов при превышающих норму токах). Это значение обычно в сотню раз больше рабочего тока. А возникает такой огромный ток при коротком замыкании.

Механизмы расцепления

Тепловая отсечка (длительное влияние тока, превышающего норму) выполняется благодаря пластине, которая состоит из двух разных металлов. У используемых металлов разная тепловая проводимость. Пластина подсоединена последовательно, то есть через нее протекает ток цепи. Когда значение тока номинальное или меньше – автомат остается в замкнутом состоянии. Если же ток превысит нормированное значение, пусть даже на 10% в течении длительного времени, пластина нагреется и изогнется, тем самым, разорвет контакт питающей цепи.

Электромагнитное расцепление обеспечивает защиту от больших, резких скачков тока. Эта отсечка выполняется встроенным соленоидом. К примеру, автоматический выключатель рассчитан на ток в 2 А, его тип В, следовательно сработать он должен при токе 10 А. Для этого и служит соленоид. При токах до 10А, он будет неподвижным, а при достижении 10А, соленоид втянется и разомкнет контакт – произойдет выключение автомата.

Строение

На рисунке ниже показаны основные элементы, из которых состоит автоматический выключатель.

Функции независимого расцепления (НР), расцепление по нулевому напряжению (НРН) и по минимальному напряжению (МРН) выступают дополнительными, и не включаются в стандартные комплекты поставки (необходимо заказывать сборочные единицы).

Выше показано одно из многочисленных исполнений АВ. Существует широкое их разнообразие. Например, по роду тока, количеству подключаемых фаз, расположению клемм. Но это все конструктив, а мы описываем как это работает.

Обозначение автоматического выключателя на электрической схеме:

Онлайн расчет автоматического выключателя

Выбор по току . Если Вы хотите в квартире, гараже, на даче поставить АВ. Следовательно, проводка уже проложена и ее сечение Вам известно, тогда нужно обратиться к таблице, где указаны сечения проводов и соответствующие для них максимальные токи. Прочесть подробнее о выборе сечения проводника будет полезным для установки автомата.

Например, у меня дома в стенах проложен алюминиевый провод сечением 2,5 мм 2 .

Для открыто проложенного алюминиевого кабеля сечением 2,5мм 2 максимальный ток – 24А. Но, так как он проложен скрытно, его охлаждение будет хуже, чем на открытом воздухе. Для этого выбранное значение умножаем на поправочный коэффициент для скрытой прокладки 0,8.

Максимальный ток, который выдержит проводка:

Автомат предназначен, чтоб обеспечить защиту не только электроприборов, но и для сохранения целостности проводника. Ведь, согласитесь, искать внутри стен, где перегорела проводка – не самое веселое занятие. Потому нужно выбрать автоматический выключатель с номинальным током, ниже, чем у провода. Из стандартного ряда, автомат на 16А будет подходящим и сохранит целостность проводов и приборов.

Выбор по мощности . Если нам необходимо подключить несколько потребителей электроэнергии, и мы знаем лишь их мощность. Две лампочки накаливания на 100Вт и один асинхронный электродвигатель на 2кВт. Напряжение сети – переменное 220В.

Для лампочек накаливания подсчет будет прост, из формулы активной мощности Р= UI , выразим и найдем значение тока:

А вот с электродвигателем существует нюанс. Так как он является не только активной, но и реактивной нагрузкой, косинус фи вносит изменение в наш расчет. Коэффициент мощности указывается на шилдике (табличке) двигателя, но если такой отсутствует, смело принимайте значение 0,7. Итак, ток через двигатель будет равен:

Выбор автоматического выключателя будет по сумме этих токов (14А), но с небольшим запасом. Выбираем , снова таки, 16 амперный автомат.

Для трехфазной сети, выбор автоматического выключателя по мощности осуществляется по формуле: