Часто ли при покупке и установке автоматического выключателя вы задумывались о том, как будут меняться характеристики в различных условиях, например, при нагреве? Конечно, в ответ можно услышать, что автомат будет эксплуатироваться в оптимальных условиях при комнатной температуре в квартирном щитке. Тут сразу можно и возразить — а какова температура в щитке и вокруг него? А если щиток стоит на улице под открытым небом? А будут ли условия считаться оптимальными, если рядом будут установлены подобные автоматы? Сколько автоматов можно установить в щиток, без опасения перегрева? Анализируя эти вопросы и отвечая на них, Александр Ярошенко, независимый электрик и электротехник, а также автор блога «СамЭлектрик.ру» решил попутно написать ещё и статью. Итак.
Устройство автоматического выключателя
Как известно, автоматический выключатель предназначен для предотвращения повреждений электропроводки, возникающих в результате короткого замыкания или при превышении допустимой нагрузки.
Картинка взята из моей статьи про устройство автоматического выключателя (защитного автомата).
Защита обеспечивается применением в конструкции автомата расцепителей — механизмов, позволяющих отключать подачу электрического тока. Обычно в автоматах устанавливают электромагнитный и тепловой расцепители.
Конструкция электромагнитного расцепителя предполагает наличие катушки, выполненной из изолированного провода, которая имеет внутри стальной сердечник. Этот сердечник соединён с механизмом взвода и расцепления.
При появлении в защищаемой сети тока большой величины, например, тока короткого замыкания, в катушке будет образовываться магнитное поле, которое будет воздействовать на сердечник. В свою очередь, сердечник будет давить на механизм расцепления, вызывая отключение модульного автомата. В зависимости от количества витков и конструкции расцепителя диапазон токов мгновенного расцепления может быть разным, и обозначаться буквами «А» (2...3 In), «В» (3...5 In), «C» (5...10 In), «D» (10...20 In) и другие. Подробнее об этом вы можете почитать в статье «Характеристики автоматических выключателей» и в ГОСТ IEC 60898-1-2020, который вступил в действие в марте 2021 года, перетянув ошибки из старого ГОСТа и подцепив новые. Только про характеристику «А» вы не прочитаете нигде, кроме как у меня — скоро планирую статью.
Для защиты электрической сети от токов, которые могут возникнуть при перегрузке предназначен тепловой расцепитель. Можно сказать, что тепловой и электромагнитный расцепитель взаимно резервируют или дублируют выключение автомата, делая это в разных диапазонах токов (которые пересекаются на графике ВТХ) и за разное время (от времени больше часа до времени меньше полупериода напряжения).
Кто хочет освежить график ВТХ автоматов, я приведу его, напомнив, что отличаются они только в областях работы разных характеристик (В, С, Д).
Основным элементом теплового расцепителя является биметаллическая пластина. Эта пластина состоит из двух соединённых вместе металлов с разными коэффициентами теплового расширения. При прохождении по ней электрического тока она нагревается, при этом меняя свою форму и воздействует на механизм расцепления.
У этой пластины есть один «маленький» минус, связанный и температурой. Если она много-много раз при изменении температуры принимает свои крайние состояния (от выключенного состояния на морозе до работе на токах выше номинального), она, как и любая металлическая пружина или пластина, «устаёт», становится «расхлябанной». Результат может привести к фиаско и к пожару — пластина начинает реагировать на сверхток слишком вяло. А это значит, что реальный номинал автомата понижается. И если автомат 10 лет назад покупался как на номинальный ток 25 А, то не исключено, что его номинал стал 35 А. Естественно, с учётом ВТХ. Независимо от бренда — физика работы у всех одинакова, от Китая до Германии.
К чему я? Меняйте автоматы после 10-15 лет работы! Особенно, если они часто работали и выключались при сверхтоке.
Как влияет температура окружающей среды на работу автоматического выключателя
Теперь рассмотрим такую ситуацию — автоматический выключатель IEK с характеристикой тока мгновенного расцепления типа «В», установлен в щитке, который находится на открытом воздухе. В жаркий солнечный день температура внутри такого щитка достигает +50 °С и даже выше.
Отметим, что время-токовые и другие характеристики автоматических выключателей, согласно ГОСТ IEC 60898-1-2020, должны определяться при температуре окружающей среды + 30 °С.
Согласно этой ВТХ, тепловой расцепитель автомата сработает при прохождении сверхтока, который будет больше тока нерасцепления (113 % от номинала). Причём автомат должен отключиться в пределах от 1 часа до нескольких секунд, при контрольной температуре +30 °С.
Как же будет реагировать биметаллическая пластина при более высокой температуре окружающей среды? Правильно! Срабатывание теплового расцепителя произойдёт при меньшем токе. Ведь свою добавку вносит не только тепловое действие проходящего через пластину тока, но и действие температуры окружающей среды.
Подобная ситуация может также возникнуть и при недавнем срабатывании автомата, когда пластина ещё до конца не остыла. В этом случае можно говорить, что биметаллическая пластина обладает тепловой инерционностью.
Температурный коэффициент биметаллической пластины теплового расцепителя. Кт
Для правильного выбора автоматов по номинальному току, в зависимости от температуры окружающей среды применяются поправочные температурные (тепловые) коэффициенты Кт, показанные в виде графика:
Отправная (контрольная) температура — плюс 30 °С, при её уменьшении автомат сработает позже (номинальный ток может увеличиться при сильном морозе в 1,4 раза!), а когда в помещении жарко — автомат выключится раньше.
Коррекция номинального тока также производится, если температура окружающей среды сильно отличается от контрольной температуры +30 °С. Для оценки изменения номинального тока теплового расцепителя существует таблица коррекции номинального тока от температуры:
Фактически, автоматы с одинаковым номиналом по паспорту, расположенные в щитке на улице и в доме в котельной — это два автомата с разными параметрами тепловых расцепителей. При этом характеристики ЭМ-расцепителей остаются неизменными. Исходя из этого графика можно сделать интересный вывод. При установке автоматов одной марки, с одинаковыми характеристиками, в разных условиях окружающей среды, их следует рассматривать как два разных автомата с различными характеристиками срабатывания.
Например, один из автоматов будет установлен на отрытом воздухе, при температуре −40 °С, а другой, будет установлен в помещении котельной, где температура составляет +30 °С. В этом случае, даже если номиналы этих АВ по паспорту равны, ток срабатывания автомата при температуре −40 °С будет отличаться в 1,4 раза, а это значит, что при перегрузке он отключится позже, чем автомат в помещении.
Как количество совместно установленных автоматических выключателей влияет на работу. Кn
Нужно отметить, при работе автомат нагревается, что вполне допустимо. При установке в щитке нескольких автоматов они будут нагревать друг друга. Следовательно, тепловой расцепитель сработает при токе меньшем, чем номинальный ток.
Для исключения погрешностей при выборе количества автоматов по номинальному току применяется поправочный коэффициент Кn. Как его узнать? Для расчета взаимного влияния существует таблица коррекции номинального тока In в зависимости от количества установленных вплотную автоматов:
Используя понижающий поправочный коэффициент из таблицы, можно приблизительно узнать, насколько уменьшится номинальный ток каждого из установленных автоматов. Для удобства таблица может быть представлена в виде графика. Причём в этом случае вместо количества установленных автоматов принимается общее количество полюсов.
То же самое, в виде графика поправочного коэффициента Kn:
Не важно, установлены несколько однополюсных или многополюсных автоматов — считается общее количество полюсов.
Данные поправочные температурные коэффициенты должны учитываться при проектировании электрической проводки и электрощитков. Например, если 10 автоматов стоят в щитке в жарком помещении, их номинальный ток может быть в Kn×Кт=0,8×0,95=0,76 раза отличаться от указанного у них на корпусе!
Если даже это не учитывается при проектировании, зная эту информацию, вы не будете делать удивленные глаза, когда автомат сработает при, кажется, небольшом токе.
Важно! При температурных воздействиях изменяется только реальный номинальный ток теплового расцепителя, при этом ток срабатывания электромагнитного расцепителя (диапазон токов мгновенного расцепления) остается неизменным. Добавлю, что приведенные графики и таблицы — чисто экспериментальные, гуляют уже много лет по сайтам и каталогам, и не имеют никакого подтверждения в официальных документах.
Повторяю — никакой ток не меняется. Меняется лишь время-токовая характеристика автоматического выключателя в области тепловой защиты от перегрузки.
График при нагреве и охлаждении будет примерно таким:
Влияние других факторов на нагрев автоматического выключателя
Помимо вышеописанных факторов, на работу автоматического выключателя могут оказывать влияние следующие особенности:
- Наличие загрязнений. Следствие — плохой теплоотвод, косвенно можно сказать об отсутствии ТО и протяжки контактов.
- Активная эксплуатация. Я уже говорил о негативном влиянии частых больших перепадов рабочего тока и частых работах и выключениях при сверхтоке.
- Механические, температурные или другие виды воздействий при хранении и эксплуатации.
- Длительный срок эксплуатации. Секрет Полишинеля — автомат, как и любое электромеханическое устройство, подвержен износу. Согласно инструкциям производителей, срок службы самых ходовых автоматов ВА47-29 — 15 лет, срок эксплуатации — 10 лет. И дело тут не только в маркетинге.
- Установка автоматов в тесном распределительном щитке. Тут, кроме вышеописанной ситуации с рядомстоящими модулями (полюсами), играет роль низкая конвекция в тесно набитом шкафу. А значит — плохое охлаждение, естественное или принудительное.
Кроме того, оказывать влияние на нагрев автоматического выключателя может повышенное переходное сопротивление контактов. Такое явление может возникать при подключении алюминиевых проводов, плохой затяжке, зачистке и подготовке проводов, а также при неправильном выборе их сечения.
Недавно я писал, что бывает когда неправильно подключается провод СИП. И как правильно его подключать.
Почему особенно тщательно нужно подходить к алюминию? Как известно, алюминиевые провода обладают текучестью, что со временем приводит к ослаблению момента затяжки. Это обстоятельство совместно с образованием окислов, которые также обладают повышенным сопротивлением может приводить к значительному нагреву контактного соединения в автомате. Дальнейший нагрев контактного соединения может привести к образованию электрической дуги, что в свою очередь, может привести к перегреву, короткому замыканию и пожару. Производители автоматов допускают применение алюминия наравне с медью, но перестраховываются, заставляя каждые пол года протягивать контакты.
Заключение
Нужно учитывать, что любой из перечисленных факторов будет в различной степени оказывать влияние на точность срабатывания автоматического выключателя. На практике обычно встречаются распределительные щитки, в которых присутствуют несколько факторов, перечисленные выше, или даже всё сразу.
