Время-токовая характеристика (ВТХ) или характеристика расцепления определяет зависимость времени срабатывания автоматического выключателя (АВ) от величины тока, который проходит через него. ВТХ изображается собственным графиком для каждого АВ. (см. рисунок 1).
По оси ординат откладывается время срабатывания в секундах, а по оси абсцисс - отношение текущего тока в цепи к номинальному току АВ. На графике две линии: нижняя описывает срабатывание АВ из нагретого состояния, верхняя - из холодного, а зона между двумя линиями - это вероятность срабатывания, которое произойдет в указанное время в зависимости от рабочей температуры и величины протекающего в цепи тока. Термин «холодное состояние» означает, что при контрольной температуре калибровки (30°С) перед испытанием ток не пропускают. Таким образом ВТХ описывает зависимость скорости срабатывания АВ от величины тока и рабочей температуры.
Примечание: в данной статье рассматриваются автоматические выключатели бытового и аналогичного назначения, рассчитанные на работу при частоте 50 или 60 Гц на номинальное напряжение не более 440В и номинальный ток не более 125А.
Проясним, что номинальным значением тока (In) автоматического выключателя называется ток, который может протекать в цепи бесконечно долго, не вызывая срабатывание АВ. Именно для этого тока он был спроектирован и собран. Да, срабатывание этот ток не вызывает, но важно понимать, что это значение не максимальное, есть и большая величина. Если мы посмотрим на график (см. рисунок 2), то увидим, что есть прямая (асимптота), к которой стремится линия графика нагретого состояния. Асимптота соответствует значению на оси абсцисс, равному 1,13.
Ток, который в 1,13 раз больше номинального, называется условным током нерасцепления. Это самое минимальное значение тока, которое может вызвать срабатывание, причем, согласно ГОСТ Р 50345-2010, этот ток не вызывает его в течение часа для АВ c In ≤ 63А и в течение двух часов для АВ с In > 63А. Получается, что ток, который в 1,129 раз превышает номинальное значение автоматического выключателя, будет протекать бесконечно долго.
Следующей важной характеристикой является условный ток расцепления, который равен 1,45In. К этой отметке стремится линия срабатывания из холодного состояния (см. рисунок 3).
Согласно ВТХ при протекании через автоматический выключатель тока, равного 1,45In расцепитель АВ срабатывает во временной период от сорока секунд до одного часа в зависимости от температурного состояния. Давайте теперь разберем, как это влияет на проектирование систем электроснабжения и на подбор оборудования в частности.
У каждого кабеля есть такой параметр, как максимально допустимая токовая нагрузка - ток, который может бесконечно долго протекать по кабелю и не создавать опасный нагрев, вызывающий разрушение изоляции и впоследствии приводящий к обрыву цепи и пожару. Именно для того, чтобы ограничить этот ток, необходимо устанавливать в цепь автоматический выключатель. Рассмотрим детально на примере:
Розетки комнаты подключены кабелем ВВГнг(А)-LS 3x2,5, допустимая токовая нагрузка которого равна 27А (данную информацию можно получить в каталогах производителей). Исходя из этого значения делаем вывод, что автоматический выключатель с номинальным током 25А должен обеспечить необходимую защиту. Для проверки рассчитаем условный ток нерасцепления и расцепления:
1,13In = 1,13×25 = 28,25А - значение тока, которое не будет отключено АВ в течение часа, а может и больше, так как верхнего предела ГОСТ не регламентирует. Значение превышает допустимую нагрузку на кабель.
1,45In = 1,45×25 = 36,25А - значение тока, которое может протекать через АВ до одного часа, а время отключения будет зависеть от температуры, в которой изначально находился АВ. Иными словами, остается большая вероятность, что по кабелю в течение часа будет течь ток, который почти в полтора раза превышает допустимое значение, и может привести к разрушению изоляции и, как следствие, к пожару.
Теперь рассчитаем данные характеристики у АВ с номинальным током 20А и 16А, а результаты сведем в таблицу:
Согласно расчетам автоматический выключатель способен обеспечить защиту цепи, которая проложена заданным кабелем с допустимой токовой нагрузкой 27А без риска аварийной ситуации. если его номинальное значение будет 16А. Данный расчетный пример показывает, как важно не ограничиваться номинальным значением АВ и учитывать его характеристики при проектировании.
Примечание: розетки имеют собственное ограничение в виде номинального тока 16А, что обязывает нас на эту линию ставить автоматический выключатель с номиналом не выше 16А.
Следующей отметкой на графике является ток, равный 2,55In. Данный ток используется для дополнительной проверки теплового расцепителя.
По ГОСТ Р 50345-2010 при пропускании тока равного 2,55In через автоматический выключатель, время расцепления будет не менее 1с и не более 60 с для АВ с In ≤ 32А, а для АВ с In > 32А не более 120с.
На графике ВТХ (рисунок 4) для данного автоматического выключателя можно увидеть, что нижний предел срабатывания при токе 2,55In будет около 6 с, а верхний - 20 с. Отметим, что предписания ГОСТ носят общий характер для всех автоматических выключателей, однако производители в праве устанавливать собственные критерии для своей продукции, (НЕОБХОДИМОЕ УСЛОВИЕ-) главное соответствовать требованиям стандарта.
Заключительной характеристикой АВ являются токи мгновенного расцепления, значения которых вызывают срабатывание автоматического выключателя без преднамеренной выдержки времени.
Согласно ГОСТ Р 50345-2010 п. 5.3.5 стандартные диапазоны токов мгновенного расцепления делятся на три группы, которые определяют собой различные типы АВ. Первый тип - «B», диапазон мгновенных токов которого находится в пределах от 3In до 5In (см. рисунок 5) , именно его график мы рассматривали в данной статье.
Следующий тип - «С» с диапазоном токов мгновенного расцепления от 5In до 10In и последний тип - «D» от 10In до 20In. Чем больше диапазон, тем выше ток, который может протекать в цепи без мгновенного срабатывания автоматического выключателя.
Примечание: существуют и другие типы АВ, например: «K», «Z», «E», но они не актуальны в бытовом секторе и поэтому не рассматриваются в данной статье.
АВ имеет два расцепителя: электромагнитный и тепловой. За мгновенное срабатывание АВ отвечает электромагнитный и обеспечивает защиту от токов короткого замыкания. Тепловой отключает токи перегрузки. Срабатывание происходит за время, которое соответствует величине сверхтока, а сверхток - это любой ток, превышающий номинальный. Рассмотрим подробнее на графике ВТХ (см. рисунок 6)
На графике видно, что до значения тока, равного 3In, время срабатывания теплового расцепителя одинаково для всех типов АВ. Начиная с 3In, для АВ типа «В», идет область срабатывания электромагнитного расцепителя, а значит ток равный 4In отключится приблизительно за 0,1с, в то время как для АВ типа «С» это зона работы теплового расцепителя и, согласно данному графику, он отключит ток 4In примерно за 3с. Аналогично при токе равном 8In. АВ типа «С» отработает приблизительно за 0,1с, а АВ типа «D» за 1с. Для электросетей эти данные имеют важное значение.
Для того, чтобы на стадии проектирования правильно выбрать тип автоматического выключателя необходимо знать два параметра: пусковые токи приборов, которые подключаются к данной линии, и ток короткого замыкания сети ( далее КЗ).
Величина тока КЗ определяется параметрами всех участников сети, начиная от трансформатора и заканчивая лампочкой в доме. Так, чтобы получить значение тока КЗ в розетке квартиры, необходимо учитывать параметры всех кабелей и устройств, которые являются частью линии, соединяющей трансформаторную подстанцию и данную розетку. Конечно, в управляющей компании должны знать параметры своей сети и токи КЗ в месте, где вы к ней подключаетесь, например в этажном щитке, что упрощает расчеты. Значение данного тока КЗ может быть как 1000А, так и 150А. Например, если значение 150А, то у АВ типа «С» с номинальным током 32А не сработает электромагнитный расцепитель (5In = 160А), и этот ток будет отключен тепловым расцепителем примерно за 3с ( данное значение нужно уточнять на графике ВТХ конкретного АВ), вместо 0,1с, что может стать критичным для участка цепи, находящейся под нагрузкой тока КЗ, равного 150А.
Помимо токов короткого замыкания в сети могут появляться пусковые токи - это токи, в разы превышающие значения номинальных рабочих токов оборудования, которые появляются при запуске оборудования (насосы, электродвигатели, блоки питания и т.д.). Такой ток появляется в сети на микросекунды и не приводит к повреждениям проводки, однако своим значением может вызвать срабатывание АВ. В бытовом секторе в роли оборудования с высоким пусковым током чаще всего выступают блоки питания светодиодных лент. Подробнее рассмотрим на примере:
Линии освещения, как правило, прокладываются кабелем 3х1,5. Следуя аналогичному расчету, который был приведен выше, такие линии защищают автоматическим выключателем с номинальным током 10А. Для данного АВ рассчитаем значение токов мгновенного расцепления всех типов, а результаты сведем в таблицу:
Добавим значения токов условного расцепления и нерасцепления для наглядности. Разница только в величине тока, который будет отключен мгновенно. Теперь представим, что в нашу линию устанавливают блок питания со стартовым током равным 45А (значения стартовых токов указано в паспорте каждого блока питания). Если на эту линию поставить АВ типа «B», то, согласно расчетам при запуске блока питания, АВ сработает, и линия будет обесточена. Необходимо выбирать тип АВ так, чтобы пусковой ток не превышал минимальный ток мгновенного расцепления. Конечно, скорость срабатывания еще зависит от рабочей температуры, однако всегда стоит предусматривать именно крайние значения. Для данной задачи разумно использовать АВ типа «С». В таком случает стартовый ток равный 45А не вызовет преждевременного срабатывания.
При выборе типов автоматических выключателей необходимо с одной стороны учитывать величину токов короткого замыкания, чтобы АВ смог вовремя его отключить и обезопасить сеть от повреждений, а с другой стороны - стартовые токи оборудования, которые не должны вызывать ложное срабатывание защиты. Все эти моменты важно просчитать еще на стадии проектирования.
В данной статье был детально раскрыт смысл графика время-токовых характеристик автоматического выключателя. Изученные характеристики четко описаны в ГОСТ Р 50345-2010 «Автоматические выключатели для защиты от сверхтоков бытового и аналогичного назначения». Понимание ВТХ имеет важное значение в выборе защитного оборудования на стадии проектирования, грамотный подход к которому гарантирует качество и безопасность каждой системы электроснабжения.