Как выбрать автоматический выключатель и не оконфузиться

Настоятельно рекомендую перед прочтением ознакомиться с статьей —> (https://serkov.su/blog/?p=5563). Но для удобства читателя я буду повторяться в некоторых моментах.

У статьи есть видеоверсия:

Определимся с целью

Для начала нужно определиться — для чего нам автоматический выключатель в электрощите. Задача автоматического выключателя — прежде всего защитить стационарную кабельную линию от протекания токов свыше предельно допустимых. Если ток превышен — то проводники нагреваются, с плавлением и разрушением изоляции или расплавлением самих проводников. И если не случится пожара, то случится дорогостоящий ремонт, с работами по замене замурованной в стенах электропроводки. А ток может быть превышен, если к линии подключили слишком много потребителей (происходит перегрузка) или если происходит короткое замыкание.  Неправильный выбор характеристик автоматического выключателя — путь к дорогостоящему ремонту, а при особенной везучести — к пожару.

Номинальный ток

Поняв, что автоматический выключатель должен защитить кабельную линию от протекания тока свыше допустимого, мы должны понять, какой же ток допустимый. Чаще всего ссылаются на вот эту табличку из ПУЭ (таблица 1.3.4):

Но, на мой субъективный взгляд, у этой таблички есть существенный недостаток, и он указан в источнике — эта табличка составлена для окружающей температуры +25, температуры земли +15 и температуры жилы (!!!) +65. Длительная работа изоляции при повышенной температуре ускоряет процесс старения полимеров, поэтому мое личное мнение — указанные в таблице цифры стоит уменьшить хотя бы на 1/4. Если кабель проложен таким образом, что его охлаждение затруднено, то предельно допустимый рабочий ток также уменьшают. Например если кабель расположен в пучке с другими кабелями или под слоем теплоизоляции.

И вот в этом месте подходим к самой неочевидной вещи. В таблице указаны предельно допустимые токи, а на автоматических выключателях указан номинальный ток. Номинальный ток автоматического выключателя, указанный  на нем — это ток, который может длительно проходить через автоматический выключатель и не вызывать его отключения. Для определения тока отключения заглянем в документацию, в график время-токовых характеристик:

Но это график конкретного экземпляра автоматического выключателя. В реальном мире, у автоматических выключателей есть разброс характеристик, даже у выключателей взятых из одной коробки. Поэтому на графике изображена область, в которой  окажется характеристика случайно взятого автоматического выключателя.

В результате, если взять определенный ток, то мы получим диапазон значений времени, за которое сработает автоматический выключатель. От и до, как например вот здесь:

Думаю  очевидно, что в расчетах стоит полагать, что нам попался самый плохой экземпляр, и берется самое худшее значение.

В автоматическом выключателе есть два расцепителя — тепловой, который достаточно точный, но медленный, и электромагнитный — очень быстрый но не точный.  (В посте (https://serkov.su/blog/?p=5563) я разбирал, как к такому пришли, и почему лучше пока ничего не придумали.) В итоге получается нелинейная зависимость времени срабатывания от протекающего тока. Для наглядности возьмем автоматический выключатель, на котором указан номинальный ток 16А. При перегрузке будет работать тепловой расцепитель:

До тока в 1,13 от номинального, расцепления совсем  не произойдет (16*1,13=18,08А)
При токе в 1,45 от номинального тепловой расцепитель сработает, но за время менее 1 часа (!). (16*1,45=23,2А)
При токе в 2,55 от номинального тепловой расцепитель сработает за время менее 60 сек. (16*2,55= 40А)
При превышении тока еще сильнее — сработает электромагнитный расцепитель, но об этом чуть позже.

Все это становится понятнее, если взглянуть на график:

Откуда взялись эти магические цифры? Из стандарта (у нас в стране — ГОСТ 60898-1-220). Просто разработчики условились, что разброс параметров срабатывания расцепителей должны быть в этих пределах. Причем скорее всего взяли просто две удобные точки времени — 1 час и 1 минута, и воспользовались статистическими данными, чтобы получить кратности номинального тока.

Ну и чтобы совсем жизнь мёдом не казалась, стоит добавить, что в зависимости от температуры окружающей среды применяют коэффициенты. На жаре тепловой расцепитель прогревается и срабатывает быстрее, а вот на морозе наоборот.

А теперь сценарий везунчика по жизни. В частный дом заходит кабель, сечением 1,5 мм2. Щиток с автоматическим выключателем находится в холодном предбаннике, когда на улице мороз -35. Кабель от щитка идет через стену под слоем утеплителя. Автоматический выключатель на 16А почти час (!) будет пропускать ток в (16*1,45*1,25(поправочный на температуру, рис.4) = 29А. При 19А по табличке из ПУЭ у нас жилы будут горячими — +65С, а под слоем утеплителя изоляция уже начнет плавиться.

Еще раз резюмирую: Номинальный ток автоматического выключателя НЕ РАВЕН предельно допустимому току кабеля. Предельный ток кабеля должен вызывать отключение автоматического выключателя в адекватное время.

Тип электромагнитного расцепителя

Тепловой расцепитель медленный, что плохо при коротком замыкании — токи могут быть огромными, и даже за одну секунду могут наделать бед. Поэтому в конструкцию автоматического выключателя добавили электромагнитный расцепитель, который срабатывает за доли секунды. Но он настроен на ток в разы превышающий номинальный.

Дело в том, что некоторые виды потребителей при включении потребляют ток в разы, превышающий ток в рабочем режиме. Например мотор в пылесосе в момент включения кратковременно потребляет ток в 2-3 раза больший, но после разгона мотора, потребление снижается. Возможно вы замечали, как лампочки накаливания слегка притухают в момент включения чего-то как раз из-за этого. Вот график потребления тока мотора пылесоса:

Чтобы эти пусковые токи не заставляли сработать электромагнитный расцепитель, его характеристику сдвинули в зону бОльших токов, что бы такие кратковременные превышения тока были в зоне теплового расцепителя, который в силу своей инерционности такие краткосрочные процессы не замечает.

В итоге получилась линейка автоматических выключателей с одинаковыми тепловыми расцепителями, но с разными электромагнитными. Из-за огромного разброса параметров электромагнитных расцепителей — получились большие разбросы кратности тока срабатывания:

Характеристика В — электромагнитный расцепитель сработает при превышении тока в 3-5 раз
Характеристика С — электромагнитный расцепитель сработает при превышении тока в 5-10 раз
Характеристика D — электромагнитный расцепитель сработает при превышении тока в 10-20 раз

Вот они на графике:

Есть и другие характеристики (K, Z и т.д) но встречаются крайне редко и под заказ, поэтому опустим их.

Если по какой-то причине стартовые токи кратковременно попадут в зону действия электромагнитного расцепителя то возможны ложные срабатывания. И именно для исключения таких ложных срабатываний и сделали несколько типов характеристик.

Некоторые производители для упрощения указывают стартовые токи, вот например светодиодный драйвер уважаемой фирмы при включении кушает солидные 55А (из-за зарядки конденсатора в блоке питания), производитель даже сразу посчитал, сколько светодиодных драйверов можно подключить параллельно на один автоматический выключатель:

4 штуки с характеристикой В и 7 штук на автомат с характеристикой С. Кто бы мог подумать, что 150 ватт светодиодного света могут вышибать 16А автомат! Ситуация становится еще хуже, если используются некачественные светодиодные светильники,  где производитель не только не  предусмотрел плавный старт, да даже пусковой ток не регламентирует!

Если используется большое количество светодиодных светильников — то придется делить их на группы, чтобы одновременный пуск не вызывал срабатывание автоматического выключателя. Пытливый читатель задастся вопросом — а почему бы не взять просто автоматический выключатель  с характеристикой «C» или «D»? Тогда бы пусковые токи не вызывали бы ложных срабатываний! Но не все так просто….

Ток короткого замыкания

Можно иногда услышать выражение «сопротивление цепи фаза-нуль», оно по сути про то же. Ток короткого замыкания — это величина тока в цепи, в случае если из-за повреждения случается короткое замыкание (прямое соединение фазного проводника и нейтрального, или соединение фазного и заземления) в самом дальнем участке. В идеальном мире с идеальными проводниками ток короткого замыкания был бы бесконечным. Но в реальном мире кабели имеют собственное сопротивление, и чем они длиннее  тоньше — тем выше их собственное сопротивление. При обычной работе это не так важно — их собственное сопротивление много меньше сопротивления нагрузки. Но если случится короткое замыкание, ток будет ограничен именно этим собственным сопротивлением всех проводников в цепи + внутреннее сопротивление источника тока.

А теперь смотрим. В деревне Вилларибо измеренный ток короткого замыкания линии 278 Ампер, и электрик поставил автоматический выключатель С16:

Как видим все отлично — при коротком замыкании тока будет достаточно, чтобы электромагнитный расцепитель сработал. А вот в деревне Вилабаджо очень плохая проводка, и ток короткого замыкания всего 124 А. Смотрим на график:

В самом худшем случае, электромагнитный расцепитель типа «С» сработает при токе в 10 раз больше номинального (16*10=160А). А значит при 124А возможна ситуация, когда электромагнитный расцепитель при коротком замыкании не сработает, а пока тепловой расцепитель успеет сработать — по линии будет гулять ток в 124А, что может закончиться плохо. В таком случае деревне Вилабаджо нужно или менять проводку, чтобы уменьшить потери, или использовать автоматический выключатель типа В16, у которого электромагнитный расцепитель сработает в худшем случае при токе 5*16=80А. Теперь вы понимаете, почему характеристика типа D (10-20 *Iном) в некоторых случаях изощренный способ стрелять себе в ногу?

Как же определить ток короткого замыкания? Для  проектируемых линий его можно расчитать — длина кабеля известна, сечение тоже. Для линий уже находящихся в эксплуатации — только измерять, поскольку никто не знает, на что пришлось пойти электрикам при ремонте поврежденных участков.

Для определения тока короткого замыкания есть специальные приборы. Показывать современные не интересно, поэтому покажу суровый советский олдскул, который есть у меня. М-417 измеряет сопротивление цепи путем измерения падения напряжения на известном сопротивлении, а ток короткого замыкания необходимо рассчитывать:

Щ41160, творение сумрачного советского гения.  Устраивает короткое замыкание на доли секунды и измеряет ток непосредственно. В коричневой коробочке на проводе — предохранитель на 100А.:

Как правило, ток короткого замыкания измеряют при введении линии в эксплуатацию, и планово, раз в несколько лет. Только после измерения тока короткого замыкания можно сказать, правильно ли подобрана защита.

Ток короткого замыкания равен …Oh shi….

Если ток короткого замыкания будет чрезчур большим? Вот тут мы сталкиваемся с отключающей способностью автоматического выключателя.  В момент размыкания контактов выключателя загорается электрическая дуга, которая сама по себе проводит ток и гаснет неохотно. Для ее принудительного разрушения в конструкции автоматических выключателей предусмотрены дугогасительные камеры. Вот здесь на высокоскоростной съемке видно как работает дугогасительная камера:

На автоматическом выключателе в прямоугольной рамке нанесена величина  отключающей способности в амперах — это максимальный ток, который способен разомкнуть автоматический выключатель без поломки. Вот на фото автоматические выключатели с отключающей способностью в 3000, 4500, 6000 и 10000 А:

Для наглядности я их разобрал. Большая отключающая способность заставляет не только делать дугогасительные камеры больше, но и усиливать другие конструктивные части, например защиту от прогара вбок.

Отключающая способность автоматического выключателя должна быть больше тока короткого замыкания в линии. Как правило, 6000 А достаточно для большинства применений. 4500А обычно достаточно для работы в линиях старых домов, но может быть недостаточным в новых сетях.

Коммутационная стойкость

При каждом включении/отключении автомата меж контактов загорается дуга, которая постепенно разрушает контактную группу. Производитель часто указывает количество циклов включения/отключения, который должны выдержать контакты:

Отсюда легко видеть, что автоматический выключатель не замена нормальному выключателю при частом использовании. Если пожадничать, и вместо пускателя с контактором  заставить сотрудника включать/отключать мешалку дергая автомат по 10 разв  день, то автомат может прийти в негодность менее чем за пару лет. Вот фото автоматического выключателя, контакты которого пришли в негодность из-за большого тока:

Помните, каждая коммутация и срабатывание автоматического выключателя «съедает» его ресурс.

Класс токоограничения

Наверное самая мистическая характеристика. Указывается в виде цифры в квадратике. Про нее в рунете написано мало и чаще ерунда. Класс токоограничения, если упрощать, говорит о количестве электричества, которое успеет пройти через автоматический выключатель при коротком замыкании прежде, чем он отключит цепь, и  говорит о быстродействии. Всего классов три:

Что интересно, отечественными стандартами класс токоограничения не регламентируется, поэтому на картинке выше нет кириллицы. Цифры в таблице — это величина интеграла Джоуля. Отечественные производители указывают класс просто потому что «так принято», а не того требуют отечественные стандарты :)  В быту на данный параметр можно не обращать внимание — классы хуже третьего встречаются в продаже не часто.

Селективность

Вам бы не хотелось, чтобы при перегрузке или коротком замыкании, срабатывал автоматический выключатель где-то на столбе у ввода в дом. При последовательном соединении автоматов защиты, подбором их характеристик можно добиться селективности — свойству срабатывать защите ближайшей  к повреждению, без срабатывания вышестоящей. И у меня две новости.

Хорошая — можно воспользоваться специальными таблицами, которые есть у многих производителей, и подобрать пары автоматических выключателей, которые при перегрузке будут обеспечивать селективность. На графике это видно как непересекающиеся графики работы  расцепителей:

Но по графику вы могли понять, что плохая новость — обеспечить полную селективность автоматических выключателей при коротком замыкании затруднительно. Кривые пересекаются в области больших токов. Поэтому чаще всего речь о частичной селективности. Например, если синий график — автомат В10, а фиолетовый В40, то ток селективности составит 120А (значение взято из таблиц одного производителя для конкретной модели автоматов). Тоесть при токах меньше тока селективности — все отлично. При токах больше — сработать могут оба устройства защиты.

В бытовой серии модульных автоматических выключателей обеспечивать селективность, даже частичную, довольно трудно. Лишь большие и мощные устройства защиты, например на подстанциях, имеют тонкие настройки уставок расцепителей для обеспечения селективности с вышестоящими устройствами защиты.

Да скажи уже что ставить!?

Прежде всего то, что предусмотрено проектом.

Ну а если уж совсем среднестатистический случай с кучей оговорок, то:

Линия 1,5 мм2 — Автомат В10 с отключающей способностью 6000А

Линия 2,5 мм2 — Автомат В16 с отключающей способностью 6000А

Применение автоматического выключателя с характеристикой «C» или «D» вместо «B» должно иметь вескую причину.

Плюшки

Автоматические выключатели разных производителей могут содержать разные приятности/полезности, которые напрямую на защитные функции не влияют, но могут быть полезны:

Это различные шторки/колпачки/крышечки для пломбирования вводного автомата по требованию электросетевой компании.
Это визуальный индикатор фактического состояния контактов, такой индикатор останется красным, если контакты из-за перегрузки сварились
Это окошки для дополнительных нашлепок с электромагнитными расцепителями, контактами
Это дополнительное окошко у клемм для использования гребенки при подключениии прочее и прочее.

Резюме

1. Номинальный ток автоматического выключателя не равен предельно допустимому для кабеля!  В силу особенностей конструкции автоматический выключатель может длительное время пропускать через себя токи значительно больше номинальных и не отключаться.
2. Разные типы электромагнитных расцепителей позволяют избежать ложных срабатываний, но использовать тип С, и в особенности тип D нужно понимая что к чему.
3. Если ток короткого замыкания в вашей линии мал — то использование автоматического выключателя требует вдумчивого подхода.
4. Если ток короткого замыкания в вашей линии огромен, то отключающая способность автоматического выключателя должна быть еще больше.
5. А чтобы знать ток короткого замыкания, его нужно измерить специализированным прибором. И только после измерения можно сказать, будет ли правильно работать  защита

P.S. Хочу сказать спасибо всем, кто принимал участие в рецензировании черновика.

P.P.S. Для удобства я завел телеграм канал: http://t.me/serkov_me для анонсов новых статей, и возможно более коротких форматов.