Wybór wyłącznika automatycznego: rodzaje i charakterystyki automatów elektrycznych

Z pewnością wielu z nas zastanawiało się, dlaczego wyłączniki automatyczne tak szybko wyparły z obwodów elektrycznych przestarzałe bezpieczniki topikowe? Aktywność ich wdrażania uzasadniona jest szeregiem bardzo przekonujących argumentów, wśród których możliwość zakupu tego rodzaju zabezpieczenia idealnie odpowiadającego charakterystykom czasowo-prądowym konkretnych typów urządzeń elektrycznych.

Nie jest Pan/Pani pewien, jaki dokładnie wyłącznik jest potrzebny i nie wie, jak go prawidłowo wybrać? Pomożemy znaleźć właściwe rozwiązanie – w artykule omówiono klasyfikację tych urządzeń. A także ważne parametry, na które należy zwrócić szczególną uwagę przy wyborze wyłącznika automatycznego.

Aby łatwiej było się Panu/Pani zorientować w wyłącznikach, materiał artykułu uzupełniono ilustrującymi zdjęciami i przydatnymi zaleceniami wideo od specjalistów.

Klasyfikacja wyłączników automatycznych

Wyłącznik praktycznie natychmiast wyłącza powierzoną mu linię, co eliminuje uszkodzenie okablowania i urządzeń zasilanych z sieci. Po wykonanym wyłączeniu gałąź można natychmiast ponownie uruchomić, bez wymiany urządzenia zabezpieczającego.

Zazwyczaj wyłączniki automatyczne wybiera się według czterech kluczowych parametrów – znamionowej zdolności wyłączania, liczby biegunów, charakterystyki czasowo-prądowej, znamionowego prądu roboczego.

Według znamionowej zdolności wyłączania

Ta charakterystyka wskazuje dopuszczalny prąd zwarciowy (KZ), przy którym wyłącznik zadziała i, rozwierając obwód, odłączy zasilanie okablowania oraz podłączonych do niego urządzeń.

Według tego parametru rozróżnia się trzy rodzaje wyłączników – 4,5 kA, 6 kA, 10 kA.

1. Wyłączniki na 4,5 kA (4500 A) są zwykle używane do wyeliminowania uszkodzeń linii energetycznych prywatnych obiektów mieszkalnych. Rezystancja okablowania od stacji transformatorowej do miejsca zwarcia wynosi około 0,05 Ω, co daje prąd graniczny około 500 A.
2. Urządzenia na 6 kA (6000 A) są stosowane do ochrony przed zwarciami w sektorze mieszkaniowym i miejscach publicznych, gdzie rezystancja linii może sięgać 0,04 Ω, co zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia zwarcia do 5,5 kA.
3. Wyłączniki na 10 kA (10000 A) są używane do ochrony instalacji elektrycznych przemysłowych. Prąd do 10000 A może wystąpić w krótkim obwodzie elektrycznym znajdującym się blisko stacji transformatorowej.

Przed wyborem optymalnej modyfikacji wyłącznika ważne jest zrozumienie, czy możliwe są prądy zwarciowe przekraczające 4,5 kA lub 6 kA?

Znamionową zdolność wyłączania podaje się w dokumentacji wyłącznika oraz na obudowie w postaci kodu – 4500 A, 600 A, 10000 A lub 4,5 kA, 6 kA, 10 kA. Na przedniej części urządzenia znajduje się informacja o producencie, modelu, napięciu znamionowym, składająca się z danych charakterystyki czasowo-prądowej, prądu roboczego.

Wyłączenie wyłącznika następuje przy zwarciu o zadanych wartościach. Najczęściej do zastosowań domowych używa się wyłączników modyfikacji 6000 A.

Modele 4500 A do ochrony nowoczesnych sieci elektrycznych praktycznie nie są używane, a w niektórych krajach ich eksploatacja jest zakazana.

Jeśli interesuje Pana/Panią, jak poprawnie przeliczyć Ampery na Waty, zalecamy zapoznanie się z materiałem przedstawionym w następnym artykule.

Przy rejestracji zwarcia przez wyłącznik, wyłączenie wykonuje cewka elektromagnetyczna (sytuacja A). Przy przekroczeniu prądów znamionowych sieć rozłącza płyta bimetaliczna (sytuacja B).

Działanie wyłącznika automatycznego polega na ochronie instalacji (a nie urządzeń i użytkowników) przed zwarciami oraz przed stopieniem izolacji przy przepływie prądów powyżej wartości znamionowych.

Według liczby biegunów

Ta cecha wskazuje na maksymalną możliwą liczbę przewodów, które można podłączyć do WA w celu ochrony sieci.

Ich wyłączenie następuje w przypadku wystąpienia sytuacji awaryjnej (podczas przekroczenia dopuszczalnych wartości prądu lub przekroczenia poziomu krzywej czasowo-prądowej).

Ta cecha wskazuje na maksymalną możliwą liczbę przewodów, które można podłączyć do WA w celu ochrony sieci. Ich wyłączenie następuje w przypadku wystąpienia sytuacji awaryjnej (podczas przekroczenia dopuszczalnych wartości prądu lub przekroczenia poziomu krzywej czasowo-prądowej).

Jednobiegunowe wyłączniki automatyczne

Wyłącznik jednobiegunowy jest najprostszą modyfikacją wyłącznika automatycznego. Jest przeznaczony do ochrony poszczególnych obwodów, a także instalacji elektrycznej jednofazowej, dwufazowej, trójfazowej. Do konstrukcji wyłącznika można podłączyć 2 przewody – przewód zasilający i odchodzący.

Funkcja urządzenia tej klasy polega wyłącznie na ochronie przewodu przed zapłonem. Sam przewód neutralny instalacji umieszcza się na szynie zerowej, omijając w ten sposób wyłącznik, a przewód uziemiający podłącza się osobno do szyny uziemiającej.

Podłączenie jednobiegunowego wyłącznika automatycznego wykonuje się przewodem jednożyłowym, ale czasami stosuje się kable dwużyłowe. Zasilanie podłącza się od góry wyłącznika, a chronioną linię od dołu, co ułatwia montaż. Instalacja odbywa się na szynie DIN o szerokości 18 mm.

Wyłącznik jednobiegunowy nie pełni funkcji wyłącznika głównego, ponieważ przy jego wymuszonym wyłączeniu następuje przerwanie linii fazowej, a przewód neutralny pozostaje połączony ze źródłem napięcia, co nie daje 100% gwarancji ochrony.

Dwubiegunowe wyłączniki automatyczne

Gdy konieczne jest całkowite odłączenie sieci elektrycznej od napięcia, stosuje się wyłącznik dwubiegunowy.

Stosuje się go jako wyłącznik główny, gdy w czasie zwarcia lub awarii sieci cała instalacja elektryczna jest jednocześnie odłączana od napięcia. Umożliwia to przeprowadzanie prac naprawczych i modernizacyjnych obwodów w całkowicie bezpieczny sposób.

Wyłączniki dwubiegunowe stosuje się w przypadkach, gdy potrzebny jest osobny wyłącznik dla jednofazowego urządzenia elektrycznego, na przykład podgrzewacza wody, bojlera, maszyny.

Podłączenie wyłącznika dwubiegunowego odbywa się zgodnie z elektrycznym schematem ochrony, przy użyciu przewodu 1- lub 2-żyłowego (liczba żył zależy od schematu połączeń). Montaż odbywa się na szynie DIN o szerokości 36 mm.

Wyłącznik podłącza się do chronionego urządzenia za pomocą 4 przewodów, z których dwa są przewodami zasilającymi (jeden z nich jest bezpośrednio podłączony do sieci, a drugi dostarcza zasilanie przez zworkę), a dwa to przewody odchodzące wymagające ochrony, które mogą być 1-, 2- lub 3-żyłowe.

Trójbiegunowe wyłączniki automatyczne

Do ochrony trójfazowej sieci 3- lub 4-przewodowej stosuje się wyłączniki trójbiegunowe. Nadają się one do podłączenia w konfiguracji gwiazdy (przewód środkowy pozostawia się bez ochrony, a przewody fazowe podłącza się do biegunów) lub trójkąta (bez przewodu centralnego).

W przypadku awarii na jednej z linii, pozostałe dwie same się wyłączają.

Podłączenie trójbiegunowego wyłącznika automatycznego wykonuje się przewodami 1-, 2- lub 3-żyłowymi. Do instalacji potrzebna jest szyna DIN o szerokości 54 mm.

Wyłącznik trójbiegunowy służy jako wyłącznik główny i ogólny dla wszelkiego rodzaju obciążeń trójfazowych. Często modyfikacja ta jest stosowana w przemyśle do zasilania silników elektrycznych.

Do modelu podłącza się do 6 przewodów, z czego 3 to przewody fazowe trójfazowej sieci elektrycznej. Pozostałe 3 są chronione. Stanowią one trzy przewody jednofazowe lub jeden przewód trójfazowy.

Wyłączniki automatyczne czterobiegunowe

Do ochrony trzy- lub czterofazowej sieci elektrycznej, na przykład silnika o dużej mocy podłączonego zgodnie z zasadą “gwiazdy z wyprowadzonym punktem zerowym”, stosuje się wyłącznik czterobiegunowy. Stosuje się go jako wyłącznik wejściowy w trójfazowej sieci czteroprzewodowej.

Podłączenie wyłącznika czterobiegunowego odbywa się przewodem 1-, 2-, 3- lub 4-żyłowym, schemat zależy od typu podłączenia, obudowę montuje się na szynie DIN o szerokości 73 mm.

Do obudowy wyłącznika można podłączyć osiem przewodów, z czego trzy to przewody fazowe sieci elektrycznej (+ jeden neutralny) i cztery to przewody odchodzące (3 fazowe + 1 neutralny).

Odbiorniki jednofazowe zasilane są napięciem 220 V, które można uzyskać, biorąc jedną z faz i przewód neutralny (zero) sieci elektrycznej. Oznacza to, że oprócz trzech faz sieci elektrycznej mamy jeszcze jeden przewód – neutralny, dlatego do ochrony i przełączania takiej sieci elektrycznej stosuje się wyłączniki automatyczne czterobiegunowe, które dokonują rozłączenia wszystkich czterech przewodów.

Według charakterystyki czasowo-prądowej

Wyłączniki automatyczne mogą mieć ten sam wskaźnik mocy znamionowej obciążenia, ale charakterystyki poboru energii przez urządzenia mogą być różne.

Moc pobierana może być dostarczana nierównomiernie, zmieniać się w zależności od rodzaju i obciążenia, a także przy włączaniu, wyłączaniu lub stałej pracy danego urządzenia.

Wahania mocy pobieranej mogą być dość znaczne, a zakres ich zmian – szeroki. Prowadzi to do wyłączenia wyłącznika z powodu przekroczenia prądu znamionowego, co uznaje się za fałszywe wyłączenie sieci.

Aby wyeliminować ryzyko niepotrzebnego zadziałania zabezpieczenia przy bezawaryjnych, standardowych zmianach (wzrost natężenia prądu, zmiana mocy), stosuje się wyłączniki z określonymi charakterystykami czasowo-prądowymi (CzP).

Pozwala to na eksploatację wyłączników o tych samych parametrach prądowych z dowolnymi dopuszczalnymi obciążeniami bez fałszywych wyłączeń.

CzP pokazują, po jakim czasie wyłącznik zadziała i jakie wskaźniki stosunku natężenia prądu do prądu znamionowego wyłącznika przy tym wystąpią.

Cechy wyłączników z charakterystyką B

Wyłącznik z tą charakterystyką wyłącza się w czasie 5-20 sekund. Wskaźnik prądu wynosi przy tym 3-5 prądów znamionowych wyłącznika. Te modyfikacje są stosowane do ochrony obwodów zasilających standardowe urządzenia domowe.

Najczęściej model ten jest używany do ochrony instalacji w mieszkaniach i domach prywatnych.

Charakterystyka C – zasady działania

Wyłącznik z oznaczeniem C wyłącza się w czasie 1-10 sekund przy 5-10 prądów znamionowych.

Wyłączniki tej grupy są używane we wszystkich dziedzinach – w gospodarstwie domowym, budownictwie, przemyśle, ale najbardziej poszukiwane są w obszarze ochrony elektrycznej mieszkań, domów, pomieszczeń mieszkalnych.

Eksploatacja wyłączników z charakterystyką D

Wyłączniki automatyczne klasy D są stosowane w przemyśle i występują w wersjach trójbiegunowych i czterobiegunowych. Służą do ochrony silników elektrycznych o dużej mocy oraz różnych urządzeń trójfazowych.

Czas zadziałania wyłącznika automatycznego wynosi 1-10 sekund przy prądzie wielokrotności 10-14, co umożliwia skuteczne stosowanie go do ochrony różnych instalacji.

W dolnej części wykresu podano krotność wartości prądu znamionowego, na osi pionowej – czas wyłączenia. Dla charakterystyki B wyłączenie następuje przy przekroczeniu prądu roboczego 3-5 krotnie powyżej prądu znamionowego, dla C – 5-10 krotnie, dla D – 10-14 krotnie.

Silniki przemysłowe o dużej mocy pracują wyłącznie z wyłącznikami automatycznymi o charakterystyce D.

Być może zainteresuje Państwa również zapoznanie się z oznakowaniem wyłączników automatycznych w innym naszym artykule.

Według znamionowego prądu roboczego

Istnieje w sumie 12 modyfikacji wyłączników automatycznych, różniących się wskaźnikiem znamionowego prądu roboczego – 1A, 2A, 3A, 6A, 10A, 16A, 20A, 25A, 32A, 40A. Parametr odpowiada za szybkość zadziałania wyłącznika przy przekroczeniu prądu roboczego powyżej wartości znamionowej.

Tabela ilustruje moc graniczną każdej modyfikacji wyłącznika automatycznego, w zależności od schematu połączenia i napięcia sieci. Maksymalna wydajność wyłącznika występuje przy podłączeniu obciążenia w układzie trójkąta.

Dobór wyłącznika według podanej charakterystyki dokonuje się z uwzględnieniem mocy instalacji elektrycznej oraz dopuszczalnego prądu, który może wytrzymać instalacja w normalnych warunkach. Jeśli wartość prądu jest nieznana, określa się ją za pomocą wzorów, wykorzystując dane dotyczące przekroju przewodu, jego materiału i sposobu ułożenia.

Wyłączniki automatyczne 1A, 2A, 3A są stosowane do ochrony obwodów o małych prądach. Nadają się do zasilania małej liczby urządzeń, np. lampy lub żyrandola, lodówki o małej mocy oraz innych urządzeń, których łączna moc nie przekracza możliwości wyłącznika.

Wyłącznik automatyczny 3A jest efektywnie stosowany w przemyśle, jeśli zostanie podłączony trójfazowo w układzie trójkąta.

Wyłączniki automatyczne 6A, 10A, 16A mogą być używane do zasilania poszczególnych obwodów elektrycznych, małych pomieszczeń lub mieszkań.

Te modele są stosowane w przemyśle, służą do zasilania silników elektrycznych, solenoidów, nagrzewnic, automatów spawalniczych, podłączonych oddzielną linią.

Wyłączniki automatyczne trój- i czterobiegunowe 16A są używane jako wyłączniki główne w trójfazowych układach zasilania. W produkcji preferowane są urządzenia z krzywą D.

Wyłączniki automatyczne 20A, 25A, 32A stosuje się do ochrony instalacji elektrycznej w nowoczesnych mieszkaniach. Są w stanie zasilać pralki, grzejniki, suszarki elektryczne i inne urządzenia o dużej mocy. Model 25A jest używany jako wyłącznik główny.

Wyłączniki 40A, 50A, 63A należą do klasy urządzeń o dużej mocy. Są one używane do zasilania urządzeń o dużej mocy w gospodarstwie domowym, przemyśle i budownictwie cywilnym.

Wybór i obliczanie wyłączników automatycznych

Znając charakterystyki wyłączników automatycznych, można określić, który wyłącznik będzie odpowiedni do danego celu. Jednak przed wyborem optymalnego modelu należy przeprowadzić pewne obliczenia, które pozwolą dokładnie określić parametry potrzebnego urządzenia.

Krok #1 – określenie mocy wyłącznika

Przy wyborze wyłącznika ważne jest uwzględnienie całkowitej mocy podłączonych urządzeń.

Na przykład potrzebny jest wyłącznik do podłączenia urządzeń kuchennych do zasilania. Załóżmy, że do gniazdka zostaną podłączone: ekspres do kawy (1000 W), lodówka (500 W), piekarnik (2000 W), kuchenka mikrofalowa (2000 W), czajnik elektryczny (1000 W). Całkowita moc wyniesie 1000+500+2000+2000+1000=6500 (W) lub 6,5 kW.

W tabeli podano moc znamionową niektórych urządzeń gospodarstwa domowego, niezbędną do ich pracy. Zgodnie z danymi normatywnymi dobiera się przekrój przewodu zasilającego oraz wyłącznik do ochrony instalacji.

Jeśli spojrzeć na tabelę wyłączników według mocy przyłączeniowej i uwzględnić, że standardowe napięcie instalacji w warunkach domowych wynosi 220 V, to do użytku nadaje się wyłącznik jednobiegunowy lub dwubiegunowy 32A o łącznej mocy 7 kW.

Należy wziąć pod uwagę, że może być wymagana większa moc poboru, ponieważ w trakcie eksploatacji może zaistnieć potrzeba podłączenia innych urządzeń, które początkowo nie były uwzględnione. Aby przewidzieć tę sytuację, w obliczeniach całkowitego poboru stosuje się współczynnik zwiększający.

Załóżmy, że w wyniku dodania dodatkowego sprzętu elektrycznego konieczne było zwiększenie mocy o 1,5 kW. Wtedy należy przyjąć współczynnik 1,5 i pomnożyć go przez obliczoną moc.

W obliczeniach czasami celowe jest użycie współczynnika zmniejszającego. Stosuje się go, gdy jednoczesne korzystanie z kilku urządzeń jest niemożliwe.

Załóżmy, że całkowita moc instalacji kuchennej wyniosła 3,1 kW. Wtedy współczynnik zmniejszający wynosi 1, ponieważ uwzględniana jest minimalna liczba urządzeń podłączonych jednocześnie.

Jeśli jednego z urządzeń nie można podłączyć z innymi, wówczas współczynnik zmniejszający przyjmuje się mniejszy od jedności.

Krok #2 – obliczanie mocy znamionowej wyłącznika

Moc znamionowa to moc, przy której nie następuje wyłączenie instalacji.

Oblicza się ją według wzoru:

M = N * CT * cos(φ),

Gdzie

• M – moc (Wat);
• N – napięcie sieci elektrycznej (Wolt);
• CT – natężenie prądu, które może przepłynąć przez wyłącznik (Amper);
• cos(φ) – wartość cosinusa kąta fazowego, czyli kąta przesunięcia między fazami a napięciem.

Wartość cosinusa wynosi zazwyczaj 1, ponieważ praktycznie nie występuje przesunięcie fazowe między prądem a napięciem.

Z wzoru wyznaczamy CT:

CT = M/N,

Moc mamy już określoną, a napięcie sieci wynosi zazwyczaj 220 woltów.

Jeśli łączna moc wynosi 3.1 kW, to:

CT = 3100/220 = 14.

Otrzymywany prąd będzie równy 14 A.

Do obliczeń przy obciążeniu trójfazowym stosuje się ten sam wzór, ale uwzględnia się przesunięcia kątowe, które mogą osiągać duże wartości. Zazwyczaj są one podane na podłączanym urządzeniu.

Krok #3 – obliczanie prądu znamionowego

Prąd znamionowy można obliczyć na podstawie dokumentacji instalacji elektrycznej, ale jeśli jej brak, określa się go na podstawie właściwości przewodu.

Do obliczeń potrzebne są następujące dane:

• pole przekroju przewodu;
• materiał użyty do żył (miedź lub aluminium);
• sposób układania.

W warunkach domowych przewody zwykle znajdują się w ścianie.

Do obliczenia pola przekroju potrzebny będzie mikrometr lub suwmiarka. Należy mierzyć wyłącznie żyłę przewodzącą, a nie przewód wraz z izolacją.

Po dokonaniu niezbędnych pomiarów obliczamy pole przekroju:

S = 0,785 * D * D,

Gdzie

• D – średnica przewodu (mm);
• S – pole przekroju przewodu (mm²).

Następnie korzystamy z poniższej tabeli.

Po określeniu, z jakiego materiału wykonane są żyły przewodu, oraz obliczeniu pola przekroju, można określić parametry prądu i mocy, jakie wytrzymuje instalacja elektryczna. Dane podano dla przewodów ukrytych w ścianie.

Uwzględniając uzyskane dane, dobieramy prąd roboczy wyłącznika oraz jego wartość znamionową. Powinien być on równy lub mniejszy od prądu roboczego. W niektórych przypadkach dopuszcza się stosowanie wyłączników o wartości znamionowej przekraczającej rzeczywisty prąd przewodów.

Krok #4 – określenie charakterystyki czasowo-prądowej

Aby prawidłowo określić charakterystykę czasowo-prądową, należy uwzględnić prądy rozruchowe podłączonych obciążeń.

Potrzebne dane można uzyskać, korzystając z poniższej tabeli.

W tabeli podano niektóre rodzaje urządzeń elektrycznych, a także krotności prądu rozruchowego i czasy trwania impulsów w sekundach.

Na podstawie danych z tabeli można określić natężenie prądu (w amperach) przy włączeniu urządzenia, a także okres, po którym prąd graniczny wystąpi ponownie.

Na przykład, jeśli weźmiemy elektryczną maszynkę do mielenia mięsa, której moc wynosi 1,5 kW, obliczymy dla niej prąd roboczy z tabel (będzie to 6,81 A) i, biorąc pod uwagę krotność prądu rozruchowego (do 7 razy), otrzymamy wartość prądu 6,81*7=48 (A).

Prąd o takiej sile płynie z okresowością 1-3 sekund. Uwzględniając charakterystyki czasowo-prądowe dla klasy B, można zobaczyć, że przy przeciążeniu wyłącznik automatyczny zadziała w pierwszych sekundach po uruchomieniu maszynki.

Oczywiście, krotność tego urządzenia odpowiada klasie C, dlatego należy zastosować wyłącznik z charakterystyką C, aby zapewnić działanie elektrycznej maszynki do mielenia.

Do potrzeb domowych zwykle używa się wyłączników odpowiadających charakterystykom B, C. W przemyśle, dla urządzeń o dużych krotnościach prądów (silników, zasilaczy itp.), prąd może sięgać nawet 10-krotności, dlatego celowe jest stosowanie modyfikacji D urządzenia.

Należy jednak uwzględnić moc takich urządzeń, a także czas trwania prądu rozruchowego.

Autonomiczne wyłączniki automatyczne różnią się od zwykłych tym, że montuje się je w oddzielnych rozdzielnicach.

W funkcje urządzenia wchodzi ochrona obwodu przed nieprzewidzianymi skokami napięcia, odłączanie zasilania na całym lub określonym odcinku sieci.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Wybór wyłącznika automatycznego według charakterystyki prądowej oraz przykład obliczenia prądu omówione są w następnym filmie:

Obliczenie prądu znamionowego wyłącznika automatycznego zostało zaprezentowane w następnym filmie:

Wyłączniki montuje się na wejściu do domu lub mieszkania. Umieszcza się je w plastikowych, wytrzymałych skrzynkach. Obecność wyłączników automatycznych w schemacie domowej sieci elektrycznej to gwarancja bezpieczeństwa. Urządzenia pozwalają terminowo odłączyć linię elektryczną, jeśli parametry sieci przekroczą zadany próg.

Biorąc pod uwagę główne charakterystyki wyłączników automatycznych oraz dokonując poprawnych obliczeń, można dokonać właściwego wyboru tego urządzenia i jego montażu.

Jeśli posiadasz wiedzę lub doświadczenie w wykonywaniu prac elektroinstalacyjnych, podziel się nimi z naszymi czytelnikami. Zostaw swoje komentarze na temat wyboru wyłącznika automatycznego i niuansów jego montażu w komentarzach poniżej.