Nominalne prądy wyłączników automatycznych: jak prawidłowo dobrać wyłącznik

Urządzenia do wyłączania prądu w przypadku przeciążeń i zwarć instaluje się przy wejściu do każdej domowej sieci. Należy prawidłowo obliczyć nominały wyłączników automatycznych według prądu, w przeciwnym razie ich działanie będzie nieskuteczne. Czy zgadzają się Państwo?

Opowiemy, jak dokonuje się obliczeń parametrów wyłącznika, według których dobiera się to urządzenie zabezpieczające. Z proponowanego przez nas artykułu dowiedzą się Państwo, jak wybrać urządzenie potrzebne do ochrony sieci elektrycznej. Dzięki naszym radom wybiorą Państwo wariant, który zadziała wyraźnie w niebezpiecznym dla instalacji momencie.

Parametry wyłączników automatycznych

Aby zapewnić prawidłowy dobór nominału urządzeń wyłączających, konieczne jest zrozumienie zasad ich działania, warunków i czasu zadziałania.

Parametry robocze wyłączników automatycznych są znormalizowane przez rosyjskie i międzynarodowe dokumenty normatywne.

Podstawowe elementy i oznaczenia

W konstrukcję wyłącznika wchodzą dwa elementy, które reagują na przekroczenie natężeniem prądu ustalonego zakresu wartości:

• Płytka bimetaliczna pod wpływem przepływającego prądu nagrzewa się i, wyginając się, naciska na popychacz, który rozłącza styki. To “zabezpieczenie termiczne” przed przeciążeniem.
• Solenoid pod wpływem silnego prądu w uzwojeniu generuje pole magnetyczne, które naciska na rdzeń, a ten z kolei oddziałuje na popychacz. To “zabezpieczenie prądowe” przed zwarciem, które reaguje na takie zdarzenie znacznie szybciej niż płytka.

Typy urządzeń zabezpieczających elektrycznie posiadają oznakowanie, na podstawie którego można określić ich podstawowe parametry.

Na każdym wyłączniku automatycznym oznaczono jego podstawowe charakterystyki. Pozwala to nie pomylić urządzeń, gdy są zamontowane w rozdzielnicy.

Typ charakterystyki czasowo-prądowej zależy od zakresu nastawy (wartości natężenia prądu, przy której następuje zadziałanie) solenoidu. Do ochrony instalacji i urządzeń w mieszkaniach, domach i biurach stosuje się wyłączniki typu “C” lub, znacznie rzadziej spotykane – “B”. Szczególnej różnicy między nimi w zastosowaniu domowym nie ma.

Typ “D” jest używany w pomieszczeniach gospodarczych lub warsztatach stolarskich, gdy występuje sprzęt z silnikami elektrycznymi, które mają duże wartości mocy rozruchowej.

Istnieją dwa standardy dla urządzeń wyłączających: mieszkalny (EN 60898-1 lub GOST R 50345) i bardziej rygorystyczny przemysłowy (EN 60947-2 lub GOST R 50030.2). Różnią się one nieznacznie i wyłączniki obu standardów mogą być używane w pomieszczeniach mieszkalnych.

Według prądu znamionowego standardowa seria wyłączników do użytku domowego zawiera urządzenia o następujących wartościach: 6, 8, 10, 13 (rzadko spotykane), 16, 20, 25, 32, 40, 50 i 63 A.

Czasowo-prądowe charakterystyki zadziałania

Aby określić szybkość zadziałania wyłącznika przy przeciążeniu, istnieją specjalne tabele zależności czasu wyłączenia od współczynnika przekroczenia wartości znamionowej, który jest równy stosunkowi istniejącego prądu do prądu znamionowego:

K = I / I_n.

Gwałtowne załamanie wykresu w dół po osiągnięciu wartości współczynnika z zakresu od 5 do 10 jednostek jest spowodowane zadziałaniem wyzwalacza elektromagnetycznego. Dla wyłączników typu “B” ma to miejsce przy wartości od 3 do 5 jednostek, a dla typu “D” – od 10 do 20.

Wykres przedstawia zależność zakresu czasu zadziałania wyłączników typu “C” od stosunku prądu do wartości ustawionej dla tego wyłącznika

Przy K = 1,13 wyłącznik gwarantowanie nie wyłączy linii w ciągu 1 godziny, a przy K = 1,45 – gwarantowanie wyłączy w tym samym czasie. Te wartości są zatwierdzone w punkcie 8.6.2. GOST R 50345-2010.

Aby zrozumieć, po jakim czasie zadziała zabezpieczenie, na przykład przy K = 2, należy poprowadzić pionową linię od tej wartości. W rezultacie otrzymamy, że zgodnie z przedstawionym wykresem wyłączenie nastąpi w zakresie od 12 do 100 sekund.

Tak duży rozrzut czasu wynika z tego, że nagrzewanie płytki zależy nie tylko od mocy przepływającego przez nią prądu, ale także od parametrów otoczenia. Im wyższa temperatura, tym szybciej zadziała wyłącznik.

Zasady doboru nominału

Geometria wewnątrzmieszkaniowych i domowych sieci elektrycznych jest indywidualna, dlatego nie istnieją typowe rozwiązania dotyczące instalacji wyłączników o określonej wartości znamionowej. Ogólne zasady obliczania dopuszczalnych parametrów wyłączników są dość skomplikowane i zależą od wielu czynników. Należy uwzględnić je wszystkie, w przeciwnym razie możliwe jest stworzenie sytuacji awaryjnej.

Zasada wykonania instalacji wewnątrz mieszkania

Wewnętrzne sieci elektryczne mają rozgałęzioną strukturę w postaci “drzewa” – grafu bez cykli. Przestrzeganie takiej zasady budowy nazywane jest selektywnością wyłączników, zgodnie z którą wszystkie rodzaje obwodów elektrycznych są wyposażane w urządzenia zabezpieczające.

Zwiększa to stabilność systemu w przypadku wystąpienia awarii i ułatwia prace związane z jej usunięciem. Ponadto znacznie łatwiejsze jest rozłożenie obciążenia, podłączenie energochłonnych urządzeń oraz zmiana konfiguracji okablowania.

U podstawy schematu znajduje się wyłącznik główny, a zaraz po rozgałęzieniu dla każdego oddzielnego obwodu elektrycznego montowane są wyłączniki grupowe. Jest to sprawdzona od lat standardowa konfiguracja.

Funkcją wyłącznika głównego jest kontrola ogólnego przeciążenia – niedopuszczanie do przekroczenia dopuszczalnej wartości natężenia prądu dla obiektu. Jeśli do tego dojdzie, istnieje ryzyko uszkodzenia okablowania zewnętrznego. Ponadto prawdopodobne jest zadziałanie urządzeń ochronnych poza mieszkaniem, które już należą do własności budynku lub lokalnych sieci energetycznych.

Funkcją wyłączników grupowych jest kontrola natężenia prądu na poszczególnych liniach. Chronią one przed przeciążeniem kabel na wydzielonym odcinku oraz podłączoną do niego grupę odbiorników energii elektrycznej. Jeśli przy zwarciu takie urządzenie nie zadziała, zabezpiecza je wyłącznik główny.

Nawet w mieszkaniach z niewielką liczbą odbiorników energii elektrycznej zaleca się wykonanie oddzielnej linii do oświetlenia. Gdy wyłącznik innego obwodu wyłączy się, światło nie zgaśnie, co pozwoli w bardziej komfortowych warunkach usunąć powstały problem. Praktycznie w każdej rozdzielnicy wartość znamionowa wyłącznika głównego jest mniejsza niż suma wartości znamionowych wyłączników grupowych.

Łączna moc urządzeń elektrycznych

Maksymalne obciążenie obwodu występuje przy jednoczesnym włączeniu wszystkich urządzeń elektrycznych. Dlatego zazwyczaj całkowitą moc oblicza się przez proste dodawanie. Jednak w niektórych przypadkach wartość ta będzie mniejsza.

W przypadku niektórych linii jednoczesna praca wszystkich podłączonych do niej urządzeń elektrycznych jest mało prawdopodobna, a czasem niemożliwa. W domach czasami celowo wprowadza się ograniczenia w działaniu urządzeń dużej mocy. W tym celu należy pamiętać o niedopuszczaniu do ich jednoczesnego włączania lub korzystać z ograniczonej liczby gniazdek.

Prawdopodobieństwo jednoczesnej pracy całego biurowego sprzętu komputerowego, oświetlenia i urządzeń pomocniczych (czajniki, lodówki, wentylatory, grzejniki itp.) jest bardzo niskie, dlatego przy obliczaniu maksymalnej mocy stosuje się współczynnik korekcyjny

Przy elektryfikacji budynków biurowych do obliczeń często stosuje się empiryczny współczynnik jednoczesności, którego wartość przyjmuje się w zakresie od 0,6 do 0,8. Maksymalne obciążenie oblicza się mnożąc sumę mocy wszystkich urządzeń elektrycznych przez współczynnik.

W obliczeniach istnieje jedna subtelność – należy uwzględnić różnicę między mocą znamionową (pozorną) a pobieraną (czynną), które są powiązane współczynnikiem (cos (f)).

Oznacza to, że do działania urządzenia wymagany jest prąd o natężeniu równym pobieranemu, podzielonemu przez ten współczynnik:

I_p = I / cos (f)

Gdzie:

• I_p – natężenie prądu znamionowego, które stosuje się w obliczeniach obciążenia;
• I – natężenie prądu pobieranego przez urządzenie;
• cos (f) <= 1.

Zwykle prąd znamionowy podaje się bezpośrednio lub poprzez wartość cos (f) w dokumentacji technicznej urządzenia elektrycznego.

Na przykład wartość współczynnika dla świetlówek wynosi 0,9; dla lamp LED – około 0,6; dla zwykłych żarówek – 1. Jeśli dokumentacja została zgubiona, ale znana jest moc pobierana urządzeń domowych, to dla pewności przyjmuje się cos (f) = 0,75.

Zalecane wartości współczynnika mocy podane w tabeli można stosować przy obliczaniu obciążeń elektrycznych, gdy brak danych o prądzie znamionowym.

O tym, jak dobrać wyłącznik nadprądowy do mocy obciążenia, napisano w następnym artykule, z którego treścią zalecamy się zapoznać.

Dobór przekroju żył

Przed ułożeniem kabla zasilającego od tablicy rozdzielczej do grupy odbiorników należy obliczyć moc urządzeń elektrycznych przy ich jednoczesnej pracy. Przekrój każdego obwodu dobiera się według tabel obliczeniowych w zależności od rodzaju metalu przewodu: miedzi lub aluminium.

Producenci przewodów dołączają do swoich produktów podobne materiały referencyjne. Jeśli ich brak, należy kierować się danymi z podręcznika “Zasady budowy urządzeń elektrycznych” lub wykonać obliczenie przekroju kabla.

Jednak często odbiorcy zabezpieczają się nadmiernie i wybierają nie minimalny dopuszczalny przekrój, ale o jeden stopień większy. Na przykład przy zakupie kabla miedzianego dla linii 5 kW wybiera się przekrój żył 6 mm², podczas gdy według tabeli wystarczająca jest wartość 4 mm².

Tabela referencyjna, przedstawiona w PUE (Przepisy budowy urządzeń elektrycznych), pozwala wybrać wymagany przekrój z szeregu standardowego dla różnych warunków eksploatacji kabla miedzianego.

Jest to uzasadnione z następujących powodów:

• Dłuższa eksploatacja grubego kabla, który rzadko podlega maksymalnemu dopuszczalnemu obciążeniu dla jego przekroju. Ponowne układanie instalacji elektrycznej to trudne i kosztowne zadanie, zwłaszcza jeśli w pomieszczeniu wykonano remont.
• Zapas przepustowości pozwala bezproblemowo podłączać do obwodu sieciowego nowe urządzenia elektryczne. Na przykład do kuchni można dodać dodatkową zamrażarkę lub przenieść tam pralkę z łazienki.
• Uruchomienie urządzeń zawierających silniki elektryczne powoduje silne prądy rozruchowe. W takim przypadku obserwuje się spadek napięcia, który wyraża się nie tylko w migotaniu lamp oświetleniowych, ale może również prowadzić do uszkodzenia części elektronicznej komputera, klimatyzatora lub pralki. Im grubszy kabel, tym mniejszy będzie skok napięcia.

Niestety, na rynku jest wiele kabli wykonanych nie zgodnie z GOST, ale zgodnie z wymaganiami różnych specyfikacji technicznych (TU).

Często przekrój ich żył nie odpowiada wymaganiom lub są wykonane z materiału przewodzącego o większej rezystancji niż powinny. Dlatego rzeczywista moc graniczna, przy której występuje dopuszczalne nagrzewanie kabla, jest mniejsza niż w tabelach normatywnych.

To zdjęcie pokazuje różnice między kablami wykonanymi według GOST (po lewej) i zgodnie z TU (po prawej). Widoczna jest różnica w przekroju żył i gęstości przylegania materiału izolacyjnego.

Obliczanie nominału wyłącznika do ochrony kabla

Wyłącznik instalowany w rozdzielnicy powinien zapewnić wyłączenie linii w przypadku, gdy moc prądu przekroczy zakres dozwolony dla kabla elektrycznego. Dlatego dla wyłącznika należy przeprowadzić obliczenie maksymalnego dopuszczalnego znamionowego.

Zgodnie z PUE dopuszczalne długotrwałe obciążenie kabli miedzianych ułożonych w korytkach lub na powietrzu (np. nad sufitem podwieszanym) przyjmuje się z powyższej tabeli. Wartości te są przeznaczone dla przypadków awaryjnych, gdy występuje przeciążenie mocy.

Pewne problemy zaczynają się przy korelowaniu mocy znamionowej wyłącznika z długotrwałym dopuszczalnym prądem, jeśli robi się to zgodnie z obowiązującym GOST R 50571.4.43-2012.

Przedstawiono fragment p. 433.1 GOST R 50571.4.43-2012. W formule “2” popełniono nieścisłość, a dla prawidłowego zrozumienia definicji zmiennej In należy uwzględnić Załącznik “1”.

Po pierwsze, mylące jest objaśnienie zmiennej I_n jako mocy znamionowej, jeśli nie zwróci się uwagi na Załącznik “1” do tego punktu GOST. Po drugie, w formule “2” występuje błąd: współczynnik 1,45 został dodany nieprawidłowo, co stwierdza wielu specjalistów.

Zgodnie z p. 8.6.2.1. GOST R 50345-2010 dla wyłączników domowych o prądzie znamionowym do 63 A czas umowny wynosi 1 godzinę. Ustawiony prąd wyzwalania jest równy wartości znamionowej pomnożonej przez współczynnik 1,45.

Zatem, zgodnie z pierwszą i zmodyfikowaną drugą formułą, prąd znamionowy wyłącznika należy obliczyć według następującego wzoru:

I_n <= I_Z / 1,45

Gdzie:

• I_n – prąd znamionowy wyłącznika;
• I_Z – długotrwały dopuszczalny prąd kabla.

Przeprowadzimy obliczenia wartości znamionowych wyłączników dla standardowych przekrojów kabli przy jednofazowym podłączeniu z dwoma miedzianymi żyłami (220 V). W tym celu podzielimy długotrwały dopuszczalny prąd (przy układaniu w powietrzu) przez współczynnik wyzwalania 1,45.

Wybierzemy wyłącznik w taki sposób, aby jego wartość znamionowa była mniejsza od tej wartości:

• Przekrój 1,5 mm²: 19 / 1,45 = 13,1. Nominał: 13 A;
• Przekrój 2,5 mm²: 27 / 1,45 = 18,6. Nominał: 16 A;
• Przekrój 4,0 mm²: 38 / 1,45 = 26,2. Nominał: 25 A;
• Przekrój 6,0 mm²: 50 / 1,45 = 34,5. Nominał: 32 A;
• Przekrój 10,0 mm²: 70 / 1,45 = 48,3. Nominał: 40 A;
• Przekrój 16,0 mm²: 90 / 1,45 = 62,1. Nominał: 50 A;
• Przekrój 25,0 mm²: 115 / 1,45 = 79,3. Nominał: 63 A.

Wyłączniki automatyczne o prądzie 13 A są w sprzedaży rzadko, dlatego zamiast nich częściej stosuje się urządzenia o prądzie znamionowym 10 A.

Kable z żył aluminiowych są obecnie rzadko używane przy montażu instalacji wewnętrznej. Dla nich również istnieje tabela pozwalająca dobrać przekrój według obciążenia.

Podobnym sposobem dla kabli aluminiowych obliczymy wartości znamionowe wyłączników:

• Przekrój 2,5 mm²: 21 / 1,45 = 14,5. Nominał: 10 lub 13 A;
• Przekrój 4,0 mm²: 29 / 1,45 = 20,0. Nominał: 16 lub 20 A;
• Przekrój 6,0 mm²: 38 / 1,45 = 26,2. Nominał: 25 A;
• Przekrój 10,0 mm²: 55 / 1,45 = 37,9. Nominał: 32 A;
• Przekrój 16,0 mm²: 70 / 1,45 = 48,3. Nominał: 40 A;
• Przekrój 25,0 mm²: 90 / 1,45 = 62,1. Nominał: 50 A.
• Przekrój 35,0 mm²: 105 / 1,45 = 72,4. Nominał: 63 A.

Jeśli producent kabli elektroenergetycznych deklaruje inną zależność dopuszczalnej mocy od przekroju, to należy przeliczyć wartość dla wyłączników.

Wzory zależności natężenia prądu od mocy dla sieci jednofazowej i trójfazowej różnią się. Wiele osób, które posiadają urządzenia zaprojektowane na napięcie 380 V, na tym etapie popełnia błąd.

Jak określić parametry techniczne wyłącznika automatycznego na podstawie oznaczeń, szczegółowo opisano tutaj. Zalecamy zapoznanie się z pouczającym materiałem.

Zapobieganie przeciążeniu od pracy odbiorników

Czasami na linię instaluje się wyłącznik o wartości znamionowej znacznie niższej niż jest to konieczne do zagwarantowania zachowania sprawności kabla elektrycznego.

Obniżanie wartości znamionowej wyłącznika jest uzasadnione, jeśli łączna moc wszystkich urządzeń w obwodzie jest znacznie mniejsza niż jest w stanie wytrzymać kabel. Dzieje się tak, gdy z uwagi na względy bezpieczeństwa, po zamontowaniu instalacji część urządzeń została usunięta z linii.

Wtedy zmniejszenie mocy znamionowej wyłącznika jest uzasadnione z punktu widzenia jego szybszej reakcji na powstające przeciążenia.

Na przykład, w przypadku zaklinowania łożyska silnika elektrycznego, prąd w uzwojeniu gwałtownie wzrasta, ale nie do wartości zwarcia. Jeśli wyłącznik zareaguje szybko, uzwojenie nie zdąży się stopić, co uchroni silnik przed kosztowną procedurą przewijania.

Używa się również wartości znamionowej mniejszej niż obliczeniowa ze względu na ścisłe ograniczenia dla każdego obwodu. Na przykład, dla sieci jednofazowej przy wejściu do mieszkania z płytą elektryczną zainstalowany jest wyłącznik 32 A, co daje 32 * 1,13 * 220 = 8,0 kW dopuszczalnej mocy. Załóżmy, że podczas wykonywania rozprowadzenia w mieszkaniu zorganizowano 3 linie z instalacją wyłączników grupowych o wartości znamionowej 25 A.

Jeśli liczba wyłączników grupowych zainstalowanych w tablicy rozdzielczej jest duża, należy je opisać i ponumerować. W przeciwnym razie można się pomylić.

Załóżmy, że na jednej z linii następuje powolny wzrost obciążenia. Gdy pobór mocy osiągnie wartość równą gwarantowanemu wyzwoleniu wyłącznika grupowego, na pozostałe dwa odcinki pozostanie tylko (32 – 25) * 1,45 * 220 = 2,2 kW.

To bardzo mało w porównaniu z całkowitym poborem. Przy takim schemacie tablicy rozdzielczej wyłącznik wejściowy będzie wyłączał się częściej niż urządzenia na liniach.

Dlatego, aby zachować zasadę selektywności, należy na odcinkach zainstalować wyłączniki o wartości znamionowej 20 lub 16 amperów. Wtedy przy takim samym przesunięciu poboru mocy na pozostałe dwa ogniwa przypadnie łącznie 3,8 lub 5,1 kW, co jest akceptowalne.

Rozważmy możliwość instalacji wyłącznika o wartości znamionowej 20A na przykładzie wydzielonej dla kuchni oddzielnej linii.

Do niej podłączone i mogą być jednocześnie włączone następujące urządzenia elektryczne:

• Lodówka o mocy znamionowej 400 W i prądzie rozruchowym 1,2 kW;
• Dwie zamrażarki o mocy 200 W;
• Piekarnik o mocy 3,5 kW;
• Podczas pracy elektrycznego piekarnika dozwolone jest dodatkowe włączenie tylko jednego urządzenia, z których najpotężniejszy jest czajnik elektryczny o poborze 2,0 kW.

Wyłącznik dwudziestoamperowy pozwala na przepływ prądu o mocy 20 * 220 * 1,13 = 5,0 kW przez ponad godzinę. Gwarantowane wyłączenie w czasie krótszym niż godzina nastąpi przy przepływie prądu 20 * 220 * 1,45 = 6,4 kW.

W kuchni stałe podłączenie do prądu powinny mieć urządzenia chłodnicze i płyta. Jeśli istnieje ryzyko przekroczenia natężenia prądu, można wykluczyć jednoczesną pracę pozostałych urządzeń, przeznaczając dla nich tylko dwa gniazdka.

Przy jednoczesnym włączeniu piekarnika i czajnika elektrycznego łączna moc wyniesie 5,5 kW lub 1,25 części znamionowej wyłącznika. Ponieważ czajnik działa krótko, nie nastąpi wyłączenie. Jeśli w tym momencie włączą się lodówka i obie zamrażarki, moc wyniesie już 6,3 kW lub 1,43 części znamionowej.

Ta wartość jest już bliska parametrowi gwarantowanego wyzwolenia. Jednak prawdopodobieństwo wystąpienia takiej sytuacji jest bardzo małe, a czas trwania okresu będzie nieznaczny, ponieważ czas pracy silników i czajnika jest krótki.

Prądu rozruchowego powstającego przy starcie lodówki, nawet w sumie ze wszystkimi pracującymi urządzeniami, nie wystarczy do zadziałania wyzwalacza elektromagnetycznego. Zatem w podanych warunkach można zastosować wyłącznik 20 A.

Jedynym niuansem jest możliwość zwiększenia napięcia do 230 V, co jest dozwolone przez dokumenty normatywne. W szczególności GOST 29322-2014 (IEC 60038:2009) określa standardowe napięcie jako 230 V z możliwością stosowania 220 V.

Obecnie w większości sieci dostarczane jest napięcie 220 V. Jeśli natomiast parametr prądu jest dostosowany do międzynarodowego standardu 230 V, można przeliczyć wartości znamionowe zgodnie z tą wartością.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Budowa wyłącznika. Dobór wyłącznika głównego w zależności od podłączonej mocy. Zasady dystrybucji zasilania:

Dobór wyłącznika według przepustowości kabla:

Obliczenie prądu znamionowego wyłącznika to złożone zadanie, do rozwiązania którego należy uwzględnić wiele warunków. Od zainstalowanego wyłącznika zależy wygoda obsługi i bezpieczeństwo pracy lokalnej sieci elektrycznej.

W razie wątpliwości co do możliwości dokonania prawidłowego wyboru należy skontaktować się z doświadczonymi elektrykami.

Proszę pisać komentarze w bloku poniżej. Proszę opowiedzieć o własnym doświadczeniu w doborze wyłączników automatycznych. Proszę podzielić się przydatnymi informacjami i zdjęciami na temat artykułu, proszę zadawać pytania.