Электропроект

Приблизительный расчет коэффициента мгновенного электромагнитного расцепителя для подбора время-токовой характеристики (ВТХ) автоматического выключателя

Каждый раз приходится обращаться к проблеме подбора время-токовой характеристики (ВТХ) для автоматического выключателя. Метод для подбора ВТХ автомат основан на пусковом токе. Если метод, который представляю здесь, т.е. было на что опереться, то проблема выбора пускового тока остается. Много факторов складывается при вычисления пускового коэффициента, поэтому расчет и подбор коэффициента мгновенного расцепителя остается неточным. Но мой метод "Приблизительный расчет коэффициента мгновенного электромагнитного расцепителя для подбора время-токовой характеристики (ВТХ) автоматического выключателя", который представляю здесь, хотя бы убирает в уравнении одно неизвестное из двух. Но все равно расчет остается приблизительным из-за невозможности подобрать пусковой коэффициент.

Ниже, что-то типа лицензионного соглашения, чтобы вдруг не сослались на меня, что где-то пошло как-то не совсем так и даже очень.

Метод "Приблизительный расчет коэффициента мгновенного электромагнитного расцепителя для подбора время-токовой характеристики (ВТХ) автоматического выключателя", далее метод не является официальным, а значит все риски за использование или применение данного метода Вы берете не себя. Вы не можете свободно распространять, перепечатывать, парсировать, копировать указанный метод без разрешения автора. Вы не можете извлекать коммерческую выгоду, распространяя данный метод любым образом.

ОГРАНИЧЕНИЯ

АВТОР НЕ ПРЕДОСТАВЛЯЕТ ОТНОСИТЕЛЬНО МЕТОДА НИКАКИХ ГАРАНТИЙ, ЯВНЫХ ИЛИ ПОДРАЗУМЕВАЕМЫХ, И НЕ НЕСЕТ ОТВЕТСТВЕННОСТИ ЗА КАКОЙ-ЛИБО ЯВНЫЙ, СЛУЧАЙНЫЙ, КОСВЕННЫЙ ИЛИ ИНОЙ УЩЕРБ, ВОЗНИКШИЙ В РЕЗУЛЬТАТЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ, ОБЛАДАНИЯ ИЛИ НЕВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИЛИ ОБЛАДАНИЯ МЕТОДА.

Полеванов Александр Николаевич, май 2023 г.


Когда-то и давно я задавался вопросом: как всё же выбрать время-токовую характеристику (ВТХ) для автоматического выключателя? Для подбора ВТХ автомата необходимо знать пусковой ток или пусковой коэффициент электротехнического устройства и коэффициент мгновенного электромагнитного расцепителя. Т.е. имеется уравнение с двумя неизвестными. Но ответ оказался на поверхности и хоты бы избавляемся от одного неизвестного.

Есть ГОСТ IEC 60898-1-2020 для подбора ВТХ, который вступил в действие в марте 2021 года, перетянув ошибки из старого ГОСТа и подцепив новые, который все равно не дает ответ на поставленную задачу. ГОСТы ГОСТами, а жизнь продолжается. Нам простым смертным как быть? Научу. Мой метод не является официальным, но метод правильный. Да, используя свой метод в работе, потом пишу, что применялись ГОСТы, правила и прочая нормативно-техническая документация (НТД), перечисляю. Но никогда и никому не приходит в голову при экспертизе, скажем проекта, делать проверку, никто и никогда не требует показания самих расчетов, если не покажешь сам. Даже, если и проверят, сойдет на неточность расчетов в цифрах. Если всё же найдется дотошный, не сможет доказать, что что-то здесь не так, ведь сам подбор ВТХ для автомата остается неизменным.

Разберем обозначения и необходимые формулы, как говорится, по полочкам.

1. Uн - номинальное напряжение электросети, В. По ГОСТ 29322-2014 для трехфазной сети 400 В, для однофазной - 230 В.

2. Uл - линейное напряжение, В. В рамках данной статьи Uл=Uн=400 В или 0,4 кВ.

3. Uф - фазное напряжение, В.

4. Kт - тепловой коэффициент, зависит от размещения, принимается от 0,85 до 1. Для размещения автоматических выключателей в щитах принимается 0,85, для остального размещения - 1.

5. Kп - пусковой коэффициент. Самый неявный коэффициент. Чтобы его вычислить, необходимо знать много параметров устройства, вплоть до того, из чего изготовлено. Самый главный камень преткновения при расчете и подборе ВТХ автомата. По ГОСТ IEC 60898-1-2020 считается пусковой момент, если он не превышает 0,1 с, значит все, что выше, необходимо рассматривать как длительный режим и применять меры по защите электрооборудования.

6. Kн - коэффициент надежности, 1,4. Данный коэффициент указывает на то, что автомат не отключится, если пусковой ток не превысит указанное число.

7. Kнр - коэффициент нерасцепления магнитного расцепителя в холодном состоянии автомата. Коэффициент, который указывает на то, что автомат не отключится в самом начале подключения нагрузки, принимается 1,13.

8. Kмр - (Хар.) - коэффициент мгновенного электромагнитного расцепителя (характеристика электромагнитного расцепителя). Существуют несколько характеристик А, В, С, D, МА , K, Z. Самые распространённые - В, С, D. Самое интересное, что в ГОСТ IEC 60898-1-2020 нет ВТХ K и Z, а характеристика А упоминается вскользь и в том месте, где говорится про маркировку, т.е., если нет буквы, значит А. Приведен график ВТХ, где указаны зоны для ВТХ В, С и D, из которого можно понять, что до 3  это для характеристики А, выше 15 - для K и Z. В Интернете встречаются автоматы с ВТХ А, о которых говорится, что срабатывание произойдет, если превышение номинального тока составит более 1,3 раза. А что дело с теми устройствами, которые не дотягивают до числа 1,3? Сработает тепловой расцепитель в любом случае (во всех автоматах, если что, срабатывает тепловой расцепитель). Собственно, нам нужно рассчитать сам коэффициент мгновенного электромагнитного расцепителя. Поэтому, если попадает число 3 и ниже, это ВТХ А, выше 15 - ВТХ K или Z. Кстати, если пусковой коэффициент Kп=1, можно смело ставить автомат с ВТХ А, имеется наглядный пример.

В - электромагнитный расцепитель сработает при превышении номинального тока в 3...5 раз (5 включительно).
С - электромагнитный расцепитель сработает при превышении номинального тока в 5...10 раз (10 включительно).
D - электромагнитный расцепитель сработает при превышении номинального тока в 10...15 раз.

Но здесь надо быть очень осторожным с выбором коэффициента. Как показывает практика, если используете автоматы средней или низкой ценовой политики, то при числе больше или равном 2 необходимо выбирать автомат с ВТХ B, при ≥3,5 - ВТХ С, при ≥8 - ВТХ D, при ≥13 - ВТХ K. Т.е. производители таких автоматов не стали заморачиваться с настройкой автоматов при их изготовлении, а взяли среднее между пределами время-токовых характеристик автоматических выключателей каждой группы. Не изготовляют таких, которые бы держали, пример для В, и 3, и 4, и 5 значений пускового тока с учетом надежности самого автомата.

В Интернете встречается следующее:

Приборы типа K имеют большой разброс в величинах тока, необходимых для электромагнитного расцепления. Так, для цепи переменного тока этот показатель должен превышать номинальный в 12 раз, а для постоянного – в 18. Срабатывание электромагнитного соленоида происходит не более чем через 0,02 сек. Срабатывание теплового расцепителя в таком оборудовании может произойти при превышении величины номинального тока всего на 5 %.


Подробно о время-токовых характеристиках (ВТХ) электромагнитных расцепителей в ГОСТ IEC 60898-1-2020. Опять же, данный ГОСТ дает размазанный ответ, мол, сами выбираете, ошибетесь, ну, ладно, мы как попало написали, просим повторить. В одной статье я использую как раз такой подбор, указывая на ошибочное утверждение в ГОСТ IEC 60898-1-2020, который привел к ошибке применения автомата для оборудования. Поэтому, если раньше даже особо не приходило в голову, чтобы что-то считать, то этот случай меня озадачил. К тому же появились вопросы:
Почему нельзя использовать ВТХ В при защите электродвигателя?
Когда именно, скажем в быту, необходимо использовать ВТХ В, когда ВТХ С, а когда ВТХ А?
Почему необходимо использовать для электродвигателя автомат именно с ВТХ D?

Получается так, что ответы на заданные вопросы во всех источниках имеют рекомендательный характер в том числе и в ГОСТ IEC 60898-1-2020, т.е., что выбрал, тем можно пользоваться. Но при расчете автомата и так допускаются неточности, особенно при использовании пускового коэффициента, к тому же такой разбег в пределах у время-токовых характеристик (ВТХ). Если все остальные коэффициенты либо имеют одно значение, либо их пределы объясняются в НТД, то пусковой коэффициент и коэффициент мгновенного электромагнитного расцепителя, их значения, представляются размазанными. Пусковой коэффициент не поддается точному использованию, он будет расходиться, и в разных источниках, например в этой таблице, пусковой коэффициент представляется одними цифрами, в каком-нибудь другом источнике цифры будут соверщенно иными. Худо-бедно обстоят дела у асинхронных электродвигателей из этой таблицы.

Поэтому хоть один коэффициент, как коэффициент мгновенного электромагнитного расцепителя, сможем представить уже расчётным числом, которое очень и очень близко укажет букву ВТХ.

9. Iн - номинальный ток нагрузки, А. Для трехфазной нагрузки

\[I\html'<i><sub>н</sub></i>'= {P\html'<i><sub>н</sub></i>'} / {U\html'<i><sub>л</sub></i>'×cosϕ×η×√\html'<i>3</i>'\]

Для однофазной нагрузки

\[I\html'<i><sub>н</sub></i>'={P\html'<i><sub>н</sub></i>'}/{U\html'<i><sub>л</sub></i>'×cosϕ×η\]

В статье √(3) ≈ 1,73, принимаем 1,73.

10. Рн - номинальная активная мощность нагрузки, кВт. Данная мощность - это та мощность, которая уже выдается устройством для выполнения какой-либо работы. Если нужна электрическая активная мощность, то ее можно вычислить по формуле

\[P={P\html'<i><sub>н</sub></i>'}/{η}\]

где - η - коэффициент полезного действия (КПД) в условных единицах, т.е. нужно проценты поделить на 100. Например, 85 % - это

\[{85/{100}=0,85\]

Активная электрическая мощность никого особо, кроме электриков, не интересует, поэтому в паспорте или на шильдике устройства пишется номинальная активная мощность, которая поможет выполнить ту или иную работу.

11. cosϕ - коэффициент мощности. Показатель отношения активной мощности к полной. Чем выше cosϕ, тем активная мощность ближе к полной. В рамках данной статьи полная мощность не учитывается.

12. Iт - тепловой ток, А.

\[\html'<i>I<sub>т</sub></i>  = ' {\html'<i>I<sub>н</sub></i>'} / {\html'<i>K<sub>т</sub></i>'}\]

13. Iав - номинальный ток автоматического выключателя, А. Подбирается по условию Iав ≥ Iт, причем, если больше на любое число, автомат выбирается следующим по номинальному току. Это неравенство дает возможность выбора такого автомата, чтобы, в случае чего, работала время-токовая характеристика электромагнитного расцепителя. Да, если слукавить, скажем, получился тепловой ток Iт=16,001 А, а подбор остановился все равно на Iав=16 А, скорее всего Вы выйдете на ВТХ следующей ступени.

14. Iп - пусковой ток, А.

\[\html'<i>I<sub>п</sub></i>  = ' {\html'<i>I<sub>т</sub> × K<sub>п</sub></i>'}\]

15. Iкн - пусковой ток с учетом надежности автомата, А.

\[\html'<i>I<sub>кн</sub></i>  = ' {\html'<i>I<sub>п</sub> × K<sub>н</sub></i>'}\]

16. Iмс - ток мгновенного срабатывания А.

\[\html'<i>I<sub>мс</sub></i>  = ' {\html'<i>I<sub>ав</sub> × K<sub>мр</sub></i>'}\]

17. Проверка правильности подбора автоматического выключателя для нагрузки - Iмс ≥ Iкн. Вот то место, где мы сможем вычислить коэффициент мгновенного электромагнитного расцепителя (Kмр). В условии Iмс  Iкн имеется знак больше или равно, эта неявность нам поможет!

Кто сказал больше? Да, не равно, даже больше, но и не приравнивать никто не запрещает, поэтому запишем Iмс = Iкн, т.е. уже не Iмс = Iав × Kмр [16], а Iкн = Iав × Kмр, и делаем вывод, пересчитывая уже коэффициент мгновенного электромагнитного расцепителя, но обязательно с учетом коэффициента нерасцепления магнитного расцепителя в холодном состоянии автомата Кнр:

\[\html'<i>K<sub>мр</sub></i>  = ' {\html'<i>K<sub>нр</sub> * I<sub>кн</sub></i>'} / {\html'<i>I<sub>ав</sub></i>'}\html',  [18]'\]

Как же так? Зачем учитывать коэффициент нерасцепления? При включении автомат не находился под действием электрического тока, а значит он холодный, его механизм не реагирует так, как прогретый, поэтому необходимо учесть этот коэффициент.

Чтобы было более или менее понятно, рассмотрим несколько примеров.

Пример 1.
Имеется трехфазная электроплита (автомат будет устанавливаться в щите): Рн=6 кВт, cosϕ=1, η=0,6, Kп=1 из этой таблицы.
Iн=6/(0,4*1*0,6*1,73)=14,451 А [9]
Iт=14,451/0,85=17 А [12]
Выбераем автоматический выключатель Iав=20 А [13]
Iп=17*1=17 А [14]
Iкн=17*1,4=23,8 А [15]
Kмр=1,13*23,8/20=1,35 [18]
ВТХ А

Пример 2.
Имеется Микроволновая печь: Рн=0,8 кВт, cosϕ=0,85, η=0,6, Kп=2 из этой таблицы.
Iн=0,8/(0,23*0,85*0,6)=6,82 А [9]
Iт=6,82/0,85=8 А [12]
Выбираем автоматический выключатель Iав=10 А [13]
Iп=8*2=16 А [14]
Iкн=16*1,4=22,47 А [15]
Kмр=1,13*22,47/10=2,9 [18]
ВТХ В

Пример 3.
Имеется кипятильник, котел (бойлер) (автомат будет устанавливаться в щите): Рн=4 кВт, cosϕ=1, η=0,6, Kп=3,4 из этой таблицы.
Iн=4/(0,23*1*0,6)=28,99 А [9]
Iт=28,29/0,85=34,1 А [12]
Выбераем автоматический выключатель Iав=40 А [13]
Iп=34,1*3,4=115,94 А [14]
Iкн=115,94*1,4=162,32 А [15]
Kмр=1,13*162,32/40=4,6 [18]
ВТХ С

Подытожим. Не знаю, наверное, после выхода данного материала, будет много критики, типа, подгон. Сразу отвечу: нет никакого подгона? Разве при расчете не употребляются все эти обозначения и формулы? Употребляются. Разве знак между Iмс и Iкн строгий? Нет, в этом знаке есть знак равенства, значит не запрещается приравнивать значения. Он указывает на желание, чтобы одно значение было больше другого, но не возражает, если оба значения будут одинаковыми. Разве нет такого коэффициента нерасцепления магнитного расцепителя в холодном состоянии автомата, который я добавил в формулу? Конечно, есть. У холодного автомата механизмы более жесткие, поэтому его действия будут жесткими. Если не учитывать этот коэффициент, значит не будет сделан анализ автоматом, и в холодном состоянии включится защита, т.к. расчет дает результат в меньшую сторону или при идеальных условиях.

Надеюсь, что данный материал стал для Вас полезным. В общем, письма с обоснованной критикой или хвалебными одами прошу присылать на мой собачий адрес.