Wybór wyłącznika według mocy obciążenia, przekroju kabla i prądu: zasady i wzory do obliczeń

Aby zorganizować niezawodnie działające wewnątrzdomowe zasilanie elektryczne, konieczne jest wydzielenie oddzielnych gałęzi. Każdą linię należy wyposażyć we własne urządzenie zabezpieczające, chroniące izolację kabla przed stopieniem. Jednak nie wszyscy wiedzą, jakie urządzenie kupić. Czy są Państwo zgodni?

Wszystko o wyborze automatów według mocy obciążenia dowiecie się Państwo z przedstawionego przez nas artykułu. Opowiemy, jak określić nominalną wartość do znalezienia wyłącznika odpowiedniej klasy. Uwzględnienie naszych zaleceń gwarantuje zakup wymaganych urządzeń, zdolnych wyeliminować zagrażające sytuacje podczas eksploatacji przewodów.

Automatyczne wyłączniki do sieci domowych

Przedsiębiorstwa energetyczne dokonują przyłączenia domów i mieszkań, wykonując prace związane z doprowadzeniem kabla do rozdzielnicy. Wszystkie czynności związane z montażem instalacji w pomieszczeniu wykonują jego właściciele lub wynajęci specjaliści.

Aby dobrać automat do ochrony każdego oddzielnego obwodu, należy znać jego prąd znamionowy, klasę i kilka innych charakterystyk.

Podstawowe parametry i klasyfikacja

Automaty domowe instaluje się na wejściu do niskonapięciowego obwodu elektrycznego i są one przeznaczone do rozwiązania następujących zadań:

• ręczne lub elektroniczne włączanie lub wyłączanie obwodu elektrycznego;
• ochrona obwodu: wyłączenie prądu przy niewielkim długotrwałym przeciążeniu;
• ochrona obwodu: natychmiastowe wyłączenie prądu przy zwarciu.

Każdy wyłącznik ma charakterystykę wyrażoną w amperach, którą nazywa się prądem znamionowym (I_n) lub “nominałem”.

Istotę tej wartości łatwiej zrozumieć, korzystając ze współczynnika przekroczenia wartości nominalnej:

K = I / I_n,

gdzie I – rzeczywiste natężenie prądu.

• K < 1.13: wyłączenie (wyzwolenie) nie nastąpi w ciągu 1 godziny;
• K > 1.45: wyłączenie nastąpi w ciągu 1 godziny.

Te parametry są ustalone w punkcie 8.6.2. GOST R 50345-2010. Aby dowiedzieć się, w jakim czasie nastąpi wyłączenie przy K>1.45, należy skorzystać z wykresu odzwierciedlającego charakterystykę czasowo-prądową konkretnego modelu automatu.

W przypadku długotrwałego przekroczenia przez prąd wartości znamionowej wyłącznika dwukrotnie, rozłączenie nastąpi w czasie od 8 sekund do 4 minut. Szybkość zadziałania zależy od ustawień modelu i temperatury otoczenia.

Ponadto dla każdego typu wyłącznika automatycznego określony jest zakres prądu (I_a), przy którym zadziała mechanizm wyzwalacza bezzwłocznego:

• klasa “B”: I_a = (3 * I_n .. 5 * I_n];
• klasa “C”: I_a = (5 * I_n .. 10 * I_n];
• klasa “D”: I_a = (10 * I_n .. 20 * I_n].

Urządzenia typu “B” stosuje się głównie do linii o znacznej długości. W pomieszczeniach mieszkalnych i biurowych używa się wyłączników klasy “C”, natomiast urządzenia z oznaczeniem “D” chronią obwody, w których znajdują się odbiorniki o dużym współczynniku prądu rozruchowego.

Standardowa gama domowych wyłączników automatycznych obejmuje urządzenia o prądach znamionowych 6, 8, 10, 16, 20, 25, 32, 40, 50 i 63 A.

Budowa wyzwalaczy

We współczesnym wyłączniku automatycznym występują dwa rodzaje wyzwalaczy: termiczny i elektromagnetyczny.

Wyzwalacz bimetaliczny ma postać płytki wykonanej z dwóch przewodzących prąd metali o różnej rozszerzalności cieplnej. Taka konstrukcja przy długotrwałym przekroczeniu wartości znamionowej powoduje nagrzewanie się elementu, jego wygięcie i zadziałanie mechanizmu rozłączającego obwód.

W niektórych wyłącznikach za pomocą śruby regulacyjnej można zmienić parametry prądu, przy którym następuje wyłączenie. Dawniej tę metodę często stosowano do “dokładnego” ustawienia urządzenia, jednak procedura ta wymaga dogłębnej specjalistycznej wiedzy i przeprowadzenia kilku testów.

Obracając śrubę regulacyjną (zaznaczoną czerwonym prostokątem) w lewo, można uzyskać dłuższy czas zadziałania wyzwalacza termicznego

Obecnie na rynku dostępnych jest wiele modeli o standardowych prądach znamionowych od różnych producentów, których charakterystyki czasowo-prądowe nieznacznie się różnią (ale jednocześnie spełniają wymagania norm). Dlatego istnieje możliwość dobrania wyłącznika z odpowiednimi “fabrycznymi” ustawieniami, co eliminuje ryzyko nieprawidłowej kalibracji.

Wyzwalacz elektromagnetyczny zapobiega przegrzaniu linii w wyniku zwarcia. Reaguje niemal natychmiastowo, ale wartość prądu musi wielokrotnie przekraczać wartość znamionową. Konstrukcyjnie element ten jest solenoidem. Prąd zwarciowy generuje pole magnetyczne, które przesuwa rdzeń, rozłączając obwód.

Przestrzeganie zasad selektywności

W przypadku rozgałęzionej sieci elektrycznej można zorganizować ochronę w taki sposób, aby w przypadku zwarcia nastąpiło wyłączenie tylko tej gałęzi, na której wystąpiła awaria. W tym celu stosuje się zasadę selektywności wyłączników.

Obrazkowy schemat przedstawiający zasadę działania systemu wyłączników automatycznych z zaimplementowaną funkcją selektywności (wybiórczości) zadziałania w przypadku wystąpienia zwarcia

Aby zapewnić wybiórcze wyłączanie na niższych stopniach, instaluje się wyłączniki z bezzwłocznym wyzwalaniem, rozłączające obwód w ciągu 0.02 – 0.2 sekundy. Wyłącznik umieszczony na wyższym stopniu albo ma opóźnienie zadziałania wynoszące 0.25 – 0.6 s, albo jest wykonany według specjalnego “selektywnego” schematu zgodnie z normą DIN VDE 0641-21.

Aby zapewnić gwarantowaną selektywną pracę wyłączników automatycznych, lepiej stosować wyłączniki tego samego producenta. Dla wyłączników z jednej serii modelowej istnieją tabele selektywności, które wskazują możliwe kombinacje.

Najprostsze zasady instalacji

Odcinek obwodu, który należy zabezpieczyć wyłącznikiem, może być jedno- lub trójfazowy, posiadać przewód neutralny oraz przewód PE (“uziemienie”). Dlatego wyłączniki mają od 1 do 4 biegunów, do których doprowadza się żyłę przewodzącą. Po spełnieniu warunków wyzwolenia następuje jednoczesne odłączenie wszystkich styków.

Wyłączniki automatyczne w rozdzielnicy montuje się na przeznaczonej do tego szynie DIN. Zapewnia ona kompaktowość i bezpieczeństwo podłączenia, a także wygodny dostęp do wyłącznika.

Wyłączniki automatyczne montuje się w następujący sposób:

• jednobiegunowe na fazę;
• dwubiegunowe na fazę i przewód neutralny;
• trójbiegunowe na 3 fazy;
• czterobiegunowe na 3 fazy i przewód neutralny.

Przy tym zabrania się wykonywania następujących czynności:

• instalowania wyłączników jednobiegunowych na przewodzie neutralnym;
• prowadzenia przewodu PE do wyłącznika;
• instalowania zamiast jednego wyłącznika trójbiegunowego trzech jednobiegunowych, jeśli do obwodu jest podłączony co najmniej jeden odbiornik trójfazowy.

Wszystkie te wymagania są określone w przepisach PUE i należy ich przestrzegać.

W każdym domu lub pomieszczeniu, do którego doprowadzono energię elektryczną, instaluje się wyłącznik główny. Jego wartość znamionową określa dostawca i wartość ta jest zapisana w umowie na przyłącze energii elektrycznej. Przeznaczeniem takiego wyłącznika jest ochrona odcinka od transformatora do odbiorcy.

Po wyłączniku głównym do linii podłącza się licznik (jedno- lub trójfazowy) oraz wyłącznik różnicowoprądowy, którego funkcje różnią się od działania wyłącznika automatycznego i wyłącznika różnicowego.

Jeśli w pomieszczeniu wykonano instalację na kilka obwodów, to każdy z nich jest chroniony oddzielnym wyłącznikiem, którego moc podana jest w oznaczeniach. Ich wartości znamionowe i klasy określa właściciel pomieszczenia, biorąc pod uwagę istniejące okablowanie lub moc podłączonych urządzeń.

Licznik energii elektrycznej i wyłączniki automatyczne instaluje się w rozdzielnicy, która spełnia wszystkie wymogi bezpieczeństwa i łatwo można ją wkomponować w wystrój pomieszczenia.

Przy wyborze miejsca do umieszczenia rozdzielnicy należy pamiętać, że na właściwości wyzwalacza termicznego wpływa temperatura powietrza. Dlatego zaleca się umieszczenie listwy z wyłącznikami wewnątrz samego pomieszczenia.

Obliczenie wymaganego prądu znamionowego

Główna funkcja ochronna wyłącznika automatycznego dotyczy instalacji elektrycznej, dlatego dobór prądu znamionowego dokonuje się na podstawie przekroju kabla. Cały obwód musi zapewnić normalną pracę podłączonych do niego urządzeń. Obliczenie parametrów systemu nie jest skomplikowane, ale należy uwzględnić wiele niuansów, aby uniknąć błędów i problemów.

Określenie całkowitej mocy odbiorników

Jednym z głównych parametrów obwodu elektrycznego jest maksymalna możliwa moc podłączonych do niego odbiorników energii elektrycznej. Przy obliczaniu tego wskaźnika nie można po prostu sumować danych znamionowych urządzeń.

Składowa czynna i znamionowa

Dla każdego urządzenia działającego na energię elektryczną producent ma obowiązek podać moc czynną (P). Ta wielkość określa ilość energii, która zostanie nieodwracalnie przekształcona w wyniku pracy urządzenia i za którą użytkownik zapłaci według licznika.

Ale w przypadku urządzeń zawierających kondensatory lub cewki indukcyjne istnieje jeszcze jedna moc o niezerowej wartości, którą nazywa się mocą bierną (Q). Dociera ona do urządzenia i praktycznie natychmiast wraca z powrotem.

Składowa bierna nie uczestniczy w obliczaniu zużytej energii elektrycznej, ale razem ze składową czynną tworzy tak zwaną moc “pozorną” lub “znamionową” (S), która obciąża obwód.

cos(f) – parametr, za pomocą którego można określić moc pozorną (znamionową) na podstawie mocy czynnej (pobieranej). Jeśli nie jest równy jedności, to podaje się go w dokumentacji technicznej urządzenia elektrycznego.

Należy obliczać wkład pojedynczego urządzenia w całkowite obciążenie przewodów i wyłącznika na podstawie jego mocy pozornej: S = P / cos(f).

Podwyższone prądy rozruchowe

Kolejną cechą niektórych typów sprzętu AGD jest obecność transformatorów, silników elektrycznych lub kompresorów. Takie urządzenia podczas uruchamiania pobierają prąd rozruchowy (startowy).

Jego wartość może kilkakrotnie przekraczać standardowe parametry, ale czas pracy przy zwiększonej mocy jest krótki i zwykle wynosi od 0,1 do 3 sekund. Taki krótkotrwały impuls nie spowoduje zadziałania wyzwalacza termicznego, ale elektromagnetyczny komponent wyłącznika, odpowiedzialny za nadprąd zwarcia, może zareagować.

Szczególnie dotyczy to linii dedykowanych, do których podłącza się urządzenia takie jak obrabiarki do drewna. W takim przypadku należy obliczyć natężenie prądu i ewentualnie warto zastosować wyłącznik klasy “D”.

Uwzględnienie współczynnika zapotrzebowania

Dla obwodów, do których podłączona jest duża liczba urządzeń i brak jest urządzenia pobierającego największą część prądu, stosuje się współczynnik zapotrzebowania (ks). Jego zastosowanie polega na tym, że wszystkie urządzenia nie będą pracować jednocześnie, więc sumowanie mocy znamionowych da zawyżony wynik.

Współczynnik zapotrzebowania dla grup odbiorców energii elektrycznej jest określony w pkt. 7 SP 256.1325800.2016. Na te wskaźniki można się opierać również przy samodzielnym obliczaniu maksymalnej mocy

Współczynnik ten może przyjmować wartość równą lub mniejszą od jedności. Obliczenia mocy obliczeniowej (P_r) każdego urządzenia dokonuje się według wzoru:

P_r = ks * S

Całkowitą moc obliczeniową wszystkich urządzeń stosuje się do obliczania parametrów obwodu. Stosowanie współczynnika zapotrzebowania jest celowe w biurach i małych lokalach handlowych z dużą liczbą komputerów, sprzętu biurowego i innego sprzętu zasilanego z jednego obwodu.

Dla linii z niewielką liczbą odbiorców współczynnik ten nie jest stosowany w czystej postaci. Z obliczeń mocy usuwa się te urządzenia, których jednoczesne włączenie z bardziej energochłonnymi urządzeniami jest mało prawdopodobne.

Tak więc na przykład mało prawdopodobne jest jednoczesne używanie żelazka i odkurzacza w pokoju mieszkalnym. Natomiast w warsztatach z niewielką liczbą personelu do obliczeń bierze się tylko 2-4 najpotężniejsze elektronarzędzia.

Obliczenie natężenia prądu

Doboru wyłącznika dokonuje się na podstawie maksymalnej wartości natężenia prądu dopuszczalnego w odcinku obwodu. Należy uzyskać ten wskaźnik, znając całkowitą moc odbiorników i napięcie w sieci.

Zgodnie z GOST 29322-2014 od października 2015 roku napięcie powinno wynosić 230 V dla sieci zwykłej i 400 V dla trójfazowej. Jednak w większości przypadków nadal obowiązują stare parametry: odpowiednio 220 i 380 V. Dlatego dla dokładności obliczeń konieczne jest wykonanie pomiarów za pomocą woltomierza.

Napięcie w domowej sieci można zmierzyć za pomocą woltomierza lub multimetru. Wystarczy włożyć jego końcówki do gniazdka.

Kolejnym problemem, szczególnie istotnym dla instalacji elektrycznej w sektorze prywatnym, jest dostarczanie energii elektrycznej o niewystarczającym napięciu. Pomiary na takich problematycznych obiektach mogą wykazywać wartości wykraczające poza zakres określony przez GOST.

Co więcej, w zależności od poziomu zużycia energii przez sąsiadów, wartość napięcia może się znacznie zmieniać w krótkim czasie.

Stwarza to problem nie tylko dla działania urządzeń, ale także dla obliczania natężenia prądu. Przy spadku napięcia niektóre urządzenia po prostu tracą moc, a niektóre, które posiadają stabilizator wejściowy, zwiększają pobór energii elektrycznej.

W takich warunkach trudno jest przeprowadzić dokładne obliczenia niezbędnych parametrów obwodu. Dlatego albo trzeba będzie układać kable z celowo większym przekrojem (co jest drogie), albo rozwiązać problem poprzez zainstalowanie stabilizatora wejściowego lub podłączenie domu do innej linii.

Stabilizator instaluje się obok rozdzielnicy. Często bywa, że jest to jedyny sposób na uzyskanie normatywnych wartości napięcia w domu.

Po znalezieniu całkowitej mocy urządzeń elektrycznych (S) i ustaleniu wartości napięcia (U), obliczenia natężenia prądu (I) przeprowadza się według wzorów wynikających z prawa Ohma:

I_f = S / U_f  dla sieci jednofazowej

I_l = S / (1.73 * U_l) dla sieci trójfazowej

Tutaj indeks “f” oznacza parametry fazowe, a “l” – liniowe.

Większość urządzeń trójfazowych stosuje typ połączenia “gwiazda”, a także właśnie według tego schematu działa transformator, który dostarcza prąd do odbiorcy. Przy symetrycznym obciążeniu natężenie liniowe i fazowe będą identyczne (I_l = I_f), a napięcie oblicza się według wzoru:

U_l = 1.73 * U_f

Niuanse doboru przekroju kabla

Jakość i parametry przewodów i kabli reguluje GOST 31996-2012. Na podstawie tego dokumentu dla wytwarzanych produktów opracowuje się specyfikacje techniczne (TU), w których dopuszcza się pewien zakres wartości podstawowych charakterystyk. Producent jest zobowiązany dostarczyć tabelę zgodności przekroju żył i maksymalnego bezpiecznego natężenia prądu.

Maksymalne dopuszczalne natężenie prądu zależy od przekroju żył przewodów i sposobu montażu. Mogą one być ułożone w sposób ukryty (w ścianie) lub otwarty (w rurze lub korytku).

Należy dobierać kabel w taki sposób, aby zapewnić bezpieczny przepływ prądu odpowiadającego obliczonej łącznej mocy urządzeń elektrycznych. Zgodnie z PUE (przepisy budowy urządzeń elektrycznych) minimalny obliczeniowy przekrój przewodów stosowanych w pomieszczeniach mieszkalnych powinien wynosić co najmniej 1,5 mm².

Standardowe rozmiary mają następujące wartości: 1,5; 2,5; 4; 6 i 10 mm².

Czasami warto stosować przewody o przekroju o jeden stopień większym niż minimalnie dopuszczalny. W takim przypadku istnieje możliwość podłączenia dodatkowych urządzeń lub wymiany istniejących na mocniejsze bez kosztownych i czasochłonnych prac związanych z układaniem nowych kabli.

Obliczenie parametrów automatu

Dla każdego obwodu musi być spełniona następująca nierówność:

I_n <= I_p / 1.45

Tutaj I_n – prąd znamionowy wyłącznika, a I_p – dopuszczalny prąd dla instalacji. Ta zasada zapewnia gwarantowane wyzwolenie przy długotrwałym przekroczeniu dopuszczalnego obciążenia.

Nierówność “In <= Ip / 1.45” jest podstawowym warunkiem przy dobieraniu pary “wyłącznik – kabel”. Zaniedbanie tej zasady może doprowadzić do zapalenia instalacji.

Obliczyć wartość znamionową wyłącznika można zarówno na podstawie całkowitego obciążenia, jak i przekroju żył już ułożonej instalacji. Załóżmy, że istnieje schemat podłączenia urządzeń elektrycznych, ale instalacja nie jest jeszcze ułożona.

W takim przypadku kolejność działań jest następująca:

1. Obliczenie całkowitego natężenia prądu urządzeń elektrycznych podłączonych do sieci.
2. Wybór wyłącznika o wartości znamionowej nie mniejszej niż obliczona wartość.
3. Dobór przekroju kabla na podstawie wartości znamionowej wyłącznika.

Przykład:

1. S = 4 kW; I = 4000 / 220 = 18 A;
2. I_n = 20 A;
3. I_p >= I_n * 1.45 = 29 A; D = 4 mm².

Jeśli instalacja jest już ułożona, kolejność działań jest inna:

1. Określenie dopuszczalnego prądu przy znanym przekroju i sposobie ułożenia instalacji według tabeli dostarczonej przez producenta.
2. Dobór wyłącznika automatycznego.
3. Obliczenie mocy podłączanych urządzeń. Skompletowanie grupy urządzeń w taki sposób, aby całkowite obciążenie obwodu było mniejsze od wartości znamionowej.

Przykład. Załóżmy, że ułożone są dwa przewody jednożyłowe w sposób otwarty, D = 6 mm², wtedy:

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

W punkcie 2 ostatniego przykładu występuje niewielkie dopuszczalne przybliżenie. Dokładna wartość I_n = I_p / 1.45 = 31.7 A została zaokrąglona do wartości 32 A.

Wybór spośród kilku prądów znamionowych

Czasami zdarza się sytuacja, gdy można wybrać kilka wyłączników o różnych wartościach znamionowych do ochrony obwodu. Na przykład, przy całkowitej mocy urządzeń elektrycznych 4 kW (18 A) została z zapasem wybrana instalacja z przekrojem żył miedzianych 4 mm². Dla takiej kombinacji można zamontować wyłączniki na 20 i 25 A.

Jeśli schemat rozprowadzenia instalacji elektrycznej zakłada zastosowanie wielopoziomowej ochrony, należy dobierać wyłączniki tak, aby wartość znamionowa nadrzędnego (na rysunku po prawej stronie – 25 A) była większa niż wartość wyłączników niższych poziomów.

Zaletą wyboru wyłącznika o najwyższej wartości znamionowej jest możliwość podłączenia dodatkowych urządzeń bez zmiany elementów obwodu. Najczęściej tak się postępuje.

Za wyborem wyłącznika o niższej wartości znamionowej przemawia fakt, że jego wyzwalacz termiczny szybciej zareaguje na podwyższony poziom natężenia prądu. Rzecz w tym, że w niektórych urządzeniach może wystąpić usterka, która doprowadzi do wzrostu poboru energii, ale nie do wartości prądu zwarciowego.

Na przykład awaria łożyska silnika pralki doprowadzi do gwałtownego wzrostu prądu w uzwojeniu. Jeśli wyłącznik szybko zareaguje na przekroczenie dopuszczalnych wartości i dokona wyłączenia, to silnik się nie spali.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Budowa wyłącznika nadprądowego i jego klasyfikacja. Pojęcie charakterystyki czasowo-prądowej i dobór wartości znamionowej do przekroju kabla:

Obliczanie mocy urządzeń i dobór wyłącznika z wykorzystaniem zapisów PUE:

Do wyboru wyłącznika nadprądowego należy podejść odpowiedzialnie, ponieważ od tego zależy bezpieczeństwo pracy instalacji elektrycznej w domu. Mimo wielu parametrów wejściowych i niuansów obliczeń należy pamiętać, że podstawowa funkcja ochronna wyłącznika dotyczy okablowania.

Proszę pisać komentarze, zadawać pytania i umieszczać zdjęcia związane z tematem artykułu w umieszczonym poniżej bloku. Proszę dzielić się wartościowymi informacjami, które mogą być przydatne gościom strony. Proszę opowiedzieć o własnym doświadczeniu w doborze wyłączników nadprądowych do ochrony instalacji elektrycznej w domku letniskowym lub w domu.