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

Для того чтобы внутридомовая электросеть работала эффективно и без сбоев, нужно выделить отдельные отпуска. Каждая из таких линий должна быть оснащена своим защитным устройством, которое будет предохранять кабель от перегрева. Тем не менее, не все знают, какое из них выбрать. Вы согласны?

В нашей статье вы сможете найти всю необходимую информацию о том, как выбрать автоматы в зависимости от мощности нагрузки. Мы расскажем, как правильно определить номинал для нахождения подходящего выключателя. Следуя нашим рекомендациям, вы сможете приобрести нужные устройства, которые помогут избежать потенциально опасных ситуаций во время использования электрической проводки.

Автоматические выключатели для бытовых сетей

Энергетические компании занимаются подключением домов и квартир, обеспечивая подводку кабеля к распределительной панели. Работы по монтажу проводок в помещениях выполняются либо владельцами, либо привлеченными специалистами.

Чтобы подобрать автомат для защиты каждой электрической цепи, необходимо знать его номинал, класс и прочие характеристики.

Ключевые характеристики и виды

Бытовые автоматические выключатели устанавливаются в начале низковольтной электрической цепи и предназначены для выполнения следующих функций:

• включение или отключение электрической цепи вручную или автоматически;
• защита цепи: отключение при длительной незначительной перегрузке;
• защита цепи: мгновенное отключение при коротком замыкании.

Каждый автомат имеет характеристику в амперах, известную как номинальная сила тока (I_n) или просто «номинал».

Суть этого параметра лучше понимать, воспользовавшись коэффициентом превышения номинала:

K = I / I_n,

где I – текущая сила тока.

Данные параметры заданы в пункте 8.6.2. ГОСТ Р 50345-2010. Чтобы определить, за какое время произойдет отключение при K>1.45, следует обратиться к графику времятоковой характеристики конкретной модели автомата.

Если ток постоянного превышает значение номинала выключателя в два раза, размыкание произойдет в промежутке от 8 секунд до 4 минут. Скорость срабатывания зависит от моделей и температуры окружающей среды.

Также каждый вид автомата имеет дополнительно заданный диапазон тока (I_a), при котором механизм мгновенного выключения срабатывает:

Устройства типа «B» обычно используют для длинных линий. В жилых и офисных помещениях подходят автоматы класса «С», а устройства с обозначением «D» защищают цепи с большими пусковыми токами.

Стандартные бытовые автоматы представлены с номиналами 6, 8, 10, 16, 20, 25, 32, 40, 50 и 63 A.

Конструкция расцепителей

В современных автоматических выключателях имеются два вида расцепителей: тепловой и электромагнитный.

Биметаллический расцепитель выполнен в виде пластины, состоящей из двух проводящих материалов с различными коэффициентами теплового расширения. Эта конструкция в случае длительного превышения номинала приводит к нагреву, деформации и, как следствие, активации механизма отключения цепи.

У некоторых автоматов возможно регулирование параметров тока с помощью регулировочного винта. Такой подход раньше применялся для «точной» настройки устройства, однако это требует специальных знаний и проведения ряда тестов.

Поворачивая регулировочный винт (обозначен красным прямоугольником) против часовой стрелки, можно увеличить время реакции теплового расцепителя.

В настоящее время на рынке представлено множество моделей стандартных номиналов от различных производителей с немного изменяющимися времятоковыми характеристиками (но при этом с соблюдением нормативных стандартов). Это дает возможность выбрать автомат с нужными «заводскими» настройками, что исключает вероятность некорректной калибровки.

Электромагнитный расцепитель защищает проводку от перегрева, вызванного коротким замыканием. Он реагирует практически сразу, но только в тех случаях, когда значение силы тока значительно превышает номинал. Конструкция этой детали представляет собой соленоид. Избыточный ток создает магнитное поле, что приводит к перемещению сердечника, размыкающего цепь.

Соблюдение принципов селективности

При наличии разветвленной электрической сети возможно организовать защиту так, чтобы при коротком замыкании отключалась только та ветвь, на которой произошла неисправность. Для этого применяется принцип селективности автоматов.

Наглядная схема, демонстрирующая работу системы автоматических выключателей с установленной функцией селективности (выборочности) срабатывания при коротком замыкании.

Чтобы реализовать выборочное отключение, на нижних уровнях устанавливают автоматы с мгновенной отсечкой, которые отключают цепь за 0.02 – 0.2 секунды. Выключатель на более высоком уровне либо имеет временную задержку срабатывания в 0.25 – 0.6 с, либо выполнен по специальной «селективной» схеме согласно стандарту DIN VDE 0641-21.

Для обеспечения гарантированной селективной работы автоматов предпочтительно использовать устройства одного производителя. Для выключателей одной модельной линейки существуют таблицы селективности, где указаны возможные комбинирования.

Основные правила установки

Участок электрической цепи, который подлежит защите с помощью автомата, может быть одно- или трехфазным и включать нейтральный провод, а также PE («землю»). Поэтому автоматы могут быть от 1 до 4 полюсов, к которым подводится токопроводящая жила. В процессе расцепления происходит одновременное отключение всех контактов.

Автоматы устанавливаются в щитке на специальной DIN-рейке. Это обеспечивает компактность, безопасность подключения и удобный доступ к выключателю.

Автоматы монтируются следующим образом:

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

При этом запрещается:

• устанавливать однополюсные автоматы на нейтраль;
• подключать провод PE к автомату;
• заменять один трехполюсный автомат на три однополюсных, если в цепь входит хотя бы одно трехфазное устройство.

Все эти требования прописаны в правилах устройства электроустановок и должны соблюдаться.

В каждом доме или помещении с подводкой электроэнергии устанавливают вводной автомат. Его номинал выбирается энергоснабжающей компанией и фиксируется в договоре на подключение электроэнергии. Цель этого выключателя – защита цепи от трансформатора до потребителя.

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

Если в помещении выполнена проводка на несколько контуров, каждый из них защищается отдельным автоматом с мощностью, указанной в маркировке. Номиналы и классы этих устройств определяет владелец, учитывая существующую проводку или мощность вводимых приборов.

Счетчик электроэнергии и автоматические выключатели устанавливаются в распределительной панели, которая отвечает всем требованиям безопасности и может легко вписаться в интерьер помещения.

При выборе места для размещения распределительного щита важно помнить, что температура окружающей среды влияет на работу теплового расцепителя. Поэтому рекомендовано устанавливать рейку с автоматами внутри помещения.

Расчет необходимого номинала

Основная защитная функция автоматического выключателя касается проводки, поэтому подбор номинала осуществляется по сечению кабеля. Вся цепь должна обеспечивать нормальную работу всех подключенных к ней устройств. Расчет параметров системы не сложен, но важно учесть множество нюансов, чтобы избежать ошибок и последующих проблем.

Определение общей мощности потребителей

Одним из основных параметров электрической сети является максимально допустимая мощность подключенных к ней устройств. При расчете этого значения не стоит просто складывать паспортные данные приборов.

Активная и номинальная составные части

Для каждого электрического устройства производитель должен указывать активную мощность (P). Этот показатель определяет количество энергии, которое будет безвозвратно преобразовано в процессе работы прибора, и которое будет учтено в счетах.

Однако для устройств, содержащих конденсаторы или индуктивные катушки, существует еще один параметр с ненулевым уровнем, называемый реактивной мощностью (Q). Эта энергия поступает к устройству и практически мгновенно возвращается обратно.

Реактивная мощность не учитывается при расчете потребляемой электроэнергии, но совместно с активной формирует так называемую «полную» или «номинальную» мощность (S), которая создает нагрузку на цепь.

cos(f) – это показатель, через который можно определить полную (номинальную мощность) по активной (потребляемой). Если он не равен единице, данные следует искать в технической документации к электроприбору.

При необходимости учитывать вклад отдельного устройства в общую нагрузку на токопроводящие жилы и автомат стоит использовать его полную мощность: S = P / cos(f).

Повышенные пусковые токи

Еще одной особенностью некоторых бытовых приборов является наличие трансформаторов, электродвигателей или компрессоров. Подобные устройства в момент запуска требуют значительно больший пусковой ток.

Значение мощности может значительно превышать обычные параметры, но продолжительность работы на повышенной мощности, как правило, составляет от 0.1 до 3 секунд. Такой короткий всплеск не вызовет срабатывание теплового расцепителя, однако электромагнитное устройство в автомате, реагирующее на короткое замыкание, может сработать.

Эта ситуация особенно важна для специализированных линий, где подключается оборудование, например, деревообрабатывающие станки. В таких случаях стоит провести расчеты ампеража, и возможно, следует использовать автоматы класса «D».

Учет коэффициента спроса

В рамках цепей с большим числом потребителей, где отсутствует устройство, потребляющее наибольшее количество тока, применяется коэффициент спроса (ks). Это связано с тем, что все устройства вряд ли будут функционировать одновременно, поэтому простое суммирование номинальных мощностей может привести к ошибочным результатам.

Коэффициент спроса для групп потребителей обозначен в пункте 7 СП 256.1325800.2016. Эти данные можно использовать для самостоятельного расчета максимальной мощности.

Значение этого коэффициента может быть равно 1 или ниже. Расчет мощности (P_r) каждого устройства проводится по формуле:

P_r = ks * S

Суммарная расчетная мощность всех устройств используется для определения параметров цепи. Применение коэффициента спроса особенно уместно для офисов и небольших магазинов, где количество компьютеров и другой электроники достаточно велико.

Для цепей с количеством потребителей, не превышающим значительного числа, использование данного коэффициента нецелесообразно. Из общего расчета мощности убираются те устройства, включение которых вместе с более энергоемкими маловероятно.

К примеру, в жилой комнате вероятность одновременной работы утюга и пылесоса крайне мала. В мастерских с небольшим числом сотрудников в расчет берутся только 2-4 самых мощных инструмента.

Вычисление силы тока

Выбор автомата зависит от максимальной силы тока, допустимой для участка цепи. Чтобы получить это значение, необходимо знать суммарную мощность потребителей и сетевое напряжение.

Согласно ГОСТ 29322-2014 с октября 2015 года стандартное напряжение должно составлять 230 В для однофазных сетей и 400 В для трехфазных. Однако многие до сих пор используют старые параметры: 220 и 380 В соответственно. Поэтому для точности расчетов важно произвести замеры с помощью вольтметра.

Чтобы измерить напряжение в бытовой сети, достаточно воспользоваться вольтметром или мультиметром, подключив его к розетке.

Еще одной проблемой, особенно актуальной для частного сектора, является обеспечение электроснабжения с недостаточным напряжением. Измерения на таких объектах могут показывать значения, выходящие за пределы норм ГОСТа.

Кроме того, уровень напряжения может значительно колебаться в течение коротких промежутков времени в зависимости от потребления электроэнергии соседями.

Это создает трудности не только для работы приборов, но и для расчетов силы тока. При снижения напряжения некоторые устройства теряют мощность, в то время как те, что имеют входной стабилизатор, могут увеличивать потребление электроэнергии.

Провести точные расчеты в подобных условиях представляет собой определенные трудности. В таком случае необходимо либо использовать кабели с большим сечением (что дорого), либо установить стабилизатор напряжения или подключить дом к другому источнику питания.

Стабилизатор, как правило, устанавливается рядом с распределительным щитом и часто оказывается единственным способом добиться нормативных значений напряжения в доме.

После определения общей мощности электроприборов (S) и значения напряжения (U) сила тока (I) рассчитывается по формулам, происходящим из закона Ома:

I_f = S / U_f для однофазной сети

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

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

Большинство трехфазных устройств соединены по схеме «звезда», что также касается трансформатора, который подает ток к потребителям. При равномерной нагрузке линейные и фазные значения силы тока будут равны (I_l = I_f), а напряжение рассчитывается по формуле:

Нюансы выбора сечения кабеля

Качество и параметры проводов регулируются ГОСТ 31996-2012. Данный документ устанавливает Технические Условия (ТУ) для производимой продукции с допустимым диапазоном основных характеристик. Продавец должен предоставить справочные таблицы, которые показывают соответствие сечения проводов и максимальной безопасной силы тока.

Максимально допустимые значения силы тока зависят от сечения проводов и метода их установки: скрыто либо открыто (в короба или трубы).

Кабель следует выбирать так, чтобы он обеспечивал безопасное прохождение тока, соответствующего расчетной суммарной мощности электроприборов. Как указано в ПУЭ (Правила устройства электроустановок), минимальное сечение проводов для жилых помещений должно составлять не менее 1,5 мм².

Стандартные размеры сечения проводов: 1,5; 2,5; 4; 6 и 10 мм².

Иногда имеет смысл использовать провода с увеличенным сечением, чем минимально допустимое. Это даст возможность подключать дополнительные устройства или заменять существующие на более мощные без необходимости прокладки новых проводов.

Расчет параметров автомата

Для каждой цепи необходимо соблюдать следующее неравенство:

где I_n — это номинальный ток автомата, а I_p — допустимый ток для проводки. Это правило гарантирует автоматическое отключение при превышении допустимой нагрузки на длительный срок.

Нормативное значение I_n можно определить исходя как из общей нагрузки, так и из сечения уже уложенных проводов. Предположим, что уже есть схема электроподключения, но проводка еще не сделана.

В данном случае необходимо выполнить следующие шаги:

1. Определить суммарную силу тока всех подключенных приборов.
2. Выбрать автомат с номиналом, равным или превышающим рассчитанную величину.
3. Определить сечение кабеля в зависимости от номинала автомата.

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 уложена, то последовательность действий будет иной:

1. Установить допустимый ток при заданном сечении и методе прокладки согласно таблицам, предоставленным производителем.
2. Совершить выбор автоматического выключателя.
3. Рассчитать мощность подключаемых устройств. Скомпоновать группу приборов так, чтобы суммарная нагрузка была меньше номинала.

Пример: Пусть проложены два однофазных кабеля открытым способом с сечением D = 6 мм², тогда:

В пункте 2 последнего примера существует небольшое допустимое приближение. Точное значение I_n = I_p / 1.45 = 31.7 A округляется до 32 A.

Выбор между несколькими номиналами

Иногда оказывается, что есть возможность выбрать несколько автоматов с разными номиналами для защиты цепи. Например, если суммарная мощность приборов составляет 4 кВт (18 A), и проводка с запасом спроектирована на сечении 4 мм², могут быть установлены выключатели на 20 и 25 A.

Если электрическая схема предполагает многоуровневую защиту, следует выбирать автоматы так, чтобы номинал верхнего уровня (на рисунке он слева — 25 A) был больше, чем у устройства более низкого уровня.

Преимущества выбора автомата с высшим номиналом заключаются в том, что это дает возможность подключать дополнительные устройства без переработки элемента сети. Чаще всего именно так и поступают.

При этом, использование автомата с меньшим номиналом обеспечивает более быструю реакцию его теплового расцепителя при повышении тока. Некоторым приборам могут угрожать неполадки, увеличивающие потребление энергии, но не достигающие порога короткого замыкания.

Например, выход подшипника двигателя стиральной машины может вызвать резкий рост тока в обмотке. В таком случае, если автомат срабатывает быстрее и отключает устройство, мотор сможет избежать повреждений.

Выводы и полезное видео по теме

Конструкция и классификация автоматических выключателей. Понятие времятоковой характеристики и выбор номинала в соответствии с сечением кабеля:

Расчет мощности приборов и выбор автомата согласно правилам ПУЭ:

Важно ответственно подойти к выбору автоматического выключателя, так как от этого зависит безопасность функционирования электрической системы в доме. Нужно помнить, что при всех входящих параметрах и деталях расчетов, основная защитная роль автомата заключается в защите проводки.

Оставляйте комментарии, задавайте вопросы, прикрепляйте фотографии по теме статьи в предоставленном ниже блоке. Делитесь полезной информацией, которая может быть интересна посетителям нашего сайта, рассказывайте о своем опыте выбора автоматических выключателей для защиты электропроводки в доме или на даче.