Расчет электрической сети и выбор аппаратов защиты

Содержание:

1. Введение
2. Расчет тока сети (формулы)
3. Выбор сечения кабеля (провода) по току сети
4. Выбор аппарата защиты от сверхтока (тока перегрузки)
5. Выбор аппарата защиты от дифференциального тока (тока утечки)
6. Пример расчета бытовой электросети

1. Содержание

   • 1 Введение
   • 2 Расчет тока сети (формулы)
   • 3 Выбор сечения кабеля (провода) по току сети
   • 4 Выбор аппарата защиты от сверхтока (тока перегрузки)
   • 5 Выбор аппарата защиты от дифференциального тока (тока утечки)
   • 6 Пример расчета бытовой сети

   Введение

В данной статье описывается методика расчета электрической сети, в частности приведены формулы расчета тока сети, а так же порядок расчета и выбора аппаратов защиты, и сечения кабеля (провода). В заключительной части статьи приведен пример расчета бытовой электросети.

Приведенная в статье методика разработана с учетом требований ПУЭ «Правила устройства электроустановок (Издание седьмое)», ГОСТ 30331.5-95 «Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Защита от сверхтока», ГОСТ Р 50345-99 (МЭК 60898-95) «Аппаратура малогабаритная электрическая. Автоматические выключатели для защиты от сверхтоков бытового и аналогичного назначения».

Примечание: при выборе аппаратов защиты необходимо соблюдать требование селективности, т.е. при возникновении аварии (короткого замыкания, перегрузки) защита должна обеспечивать отключение поврежденного участка, а не всей сети. Обеспечивается это поступательным уменьшением величины номинального тока каждого последующего, последовательно установленного, аппарата защиты.

2. Расчет тока сети (формулы)

Для выбора как сечения кабеля (провода) так и аппарата защиты необходимо знать рабочий (расчетный) ток электросети значение которого можно определить по следующим формулам:

• Для однофазной сети:

I_р=P/U_ф*cosφ

• Для трехфазной сети:

I_р=P/√3*U_л*cosφ

где:

• P — Расчетная мощность сети, в Ваттах (как определить расчетную мощность бытовой сети читайте здесь.);
• U_ф — Фазное напряжение, в Вольтах (напряжение между фазой и нулем);
• U_л — Линейное напряжение, в Вольтах (напряжение между двумя фазами);
• cosφ— Коэффициент мощности — отношение активной мощности к полной (принимается равным: от 0,95 до 1 — для бытовых электросетей (как правило 1); от 0,75 до 0,85 — для промышленных электросетей);

Примечание: Ток электросети можно рассчитать с помощью нашего онлайн-калькулятора расчет тока сети.

3. Выбор сечения кабеля (провода) по току сети

Определив значение расчетного тока сети выбираем требуемое сечение кабеля исходя из следующего условия — расчетный (рабочий) ток сети (I_р) должен быть меньше либо равен длительно допустимому току кабеля (I_д):

I_р ⩽ I_д

Значение длительно допустимого тока кабеля принимается в соответствии таблицами 1.3.6. и 1.3.7. приведенных главе 1.3 ПУЭ исходя из материала жил (медь либо алюминий) и способа его прокладки.

Примечание:

1. Обратите внимание в таблице не приведены значения длительно допустимых токов для алюминиевых кабелей сечением менее 2,5мм² и для медных кабелей сечением менее 1,5мм², связано это с тем, что согласно требованиям ПУЭ применение для электропроводки кабелей с сечениями менее указанных не допускается.
2. В случае выполнения сети электроснабжения по системе TN-C-S, т.е. разделение в определенной точке электроустановки нулевого (PEN) проводника на нулевой рабочий (N) и нулевой защитный (PE) проводники в соответствии с пунктом 7.131. ПУЭ до точки такого разделения кабель (провод) должен иметь сечение не менее 10 мм² по меди или 16 мм² по алюминию.
3. Значения длительных допустимых токов приведены для кабелей и проводов выполненных по соответствующим ГОСТам (ГОСТ 16442-80; ГОСТ 31947-2012; ГОСТ 22483-77)

4. Выбор аппарата защиты от сверхтока (тока перегрузки)

Аппаратами защиты от сверхтоков (токов короткого замыкания и перегрузки) являются автоматические выключатели, дифференциальные автоматические выключатели и предохранители.

В соответствии с п. 433.1 ГОСТ 30331.5-95 устройства защиты должны отключать любой ток перегрузки, протекающий по проводникам, раньше чем такой ток мог бы вызвать повышение температуры проводников, опасное для изоляции, соединений, зажимов или среды, окружающей проводники.

Поэтому необходимо обеспечить согласованность выбранных проводников и аппаратов защиты. Такая согласованность в соответствии с п.433.2 ГОСТ 30331.5-95 должна обеспечиваться выполнением следующих двух условий:

1) I_р ⩽ I_нз⩽ I_д

2) I_срз⩽1,45I_д

где:

• I_р — Расчетный (рабочий) ток сети;
• I_нз — Номинальный ток аппарата защиты;
• I_д — Допустимый длительный ток кабеля;
• I_срз — Ток обеспечивающий надежное срабатывание аппарата защиты, его принимают равным:

• • — Току срабатывания при заданном времени срабатывания для автоматических выключателей;
  • — Току плавления плавкой вставки при заданном времени срабатывания для предохранителей.

На токе срабатывания автоматического выключателя остановимся более подробно, для исключения разночтений данного требования:

В соответствии с п. 3.5.16 ГОСТ Р 50345-99 Установленное значение тока, вызывающее расцепление выключателя в пределах заданного времени — это так называемый условный ток расцепления, который согласно п. 8.6.2.3 для автоматического выключателя равен 1,45 его номинального тока.

Таким образом вышеприведенное условие №2 для автоматических выключателей будет иметь следующий вид:

1,45I_нз⩽1,45I_д

т.к. коэффициент 1,45 находится и в левой, и в правой частях данного уравнения его можно сократить (1,45I_нз⩽1,45I_д) в результате условие №2 для автоматических выключателей примет вид:

I_нз⩽I_д

т.е. номинальный ток автоматического выключателя должен быть меньше либо равен длительно допустимому току кабеля.

Примечание: Защита в соответствии с п.433.2 ГОСТ 30331.5-95 не обеспечивает полной защиты в некоторых случаях, например от длительного сверхтока, меньшего по значению, чем I_нз, и не всегда обеспечивает экономически целесообразное решение.

При этом предполагается, что электрическая сеть спроектирована так, что небольшие перегрузки с большой продолжительностью будут иметь место не часто.

Выбор номинального тока автоматического выключателя производится исходя из приведенных выше условий из ряда стандартных значений:

5. Выбор аппарата защиты от дифференциального тока (тока утечки)

В некоторых случаях помимо защиты от сверхтоков (токов короткого замыкания и перегрузки) требуется обеспечить защиту сети от так называемого дифференциального тока или тока утечки, такая защита обеспечивается дифференциальным автоматическим выключателем (дифавтоматом) либо устройством защитного отключения (УЗО), данные устройства отключают сеть при возникновении утечки тока защищая тем самым от возникновения пожара и поражения человека электрическим током.

Расчет номинального тока аппарата защиты от тока утечки:

Как известно дифавтомат — это устройство совмещающие в себе функции автоматического выключателя, т.е. кроме тока утечки он защищает сеть от сверхтоков, поэтому расчет его номинального тока производится в соответствии с методикой рассмотренной в разделе 4 настоящей статьи (как для автоматического выключателя).

В отличии от дифавтомата УЗО не имеет защиты от сверхтока и в соответствии с  п.7.1.76. ПУЭ само должно быть защищено от сверхтока вышестоящим аппаратом, обеспечивающим эту защиту. Таким образом УЗО может быть установлено в сеть только совместно с автоматическим выключателем (последовательно, после автомата), поэтому номинальный ток УЗО определяется исходя из следующего условия:

I_ав⩽I_узо

где:

• I_ав — Номинальный ток вышестоящего автоматического выключателя;
• I_узо — Номинальный ток УЗО;

При этом рекомендуется что бы номинальный ток УЗО был минимум на ступень выше номинального тока вышестоящего автомата, т.е. при установке автомата на 10 Ампер в паре с УЗО номинальный ток последнего рекомендуется принять 16 Ампер.

Номинальный ток аппарата защиты от тока утечки выбирается исходя из приведенных выше условий из следующего ряда стандартных значений:

Расчет дифференциального тока аппарата защиты от тока утечки.

В отличие от номинального тока дифференциальный ток для УЗО и дифавтомата рассчитывается аналогично: В соответствии с пунктом 7.1.83. ПУЭ: Суммарный ток утечки сети с учетом присоединяемых стационарных и переносных электроприемников в нормальном режиме работы не должен превосходить 1/3 номинального тока УЗО. При отсутствии данных ток утечки электроприемников следует принимать из расчета 0,4 мА на 1 А тока нагрузки, а ток утечки сети — из расчета 10 мкА на 1 м длины фазного проводника. Т.е. дифференциальный ток аппарата защиты можно рассчитать по следующей формуле:

ΔI_сети=((0.4*I_сети)+(0.01*L_{провода}))*3, миллиАмпер

Произведя данный расчет необходимо выбрать ближайшее большее стандартное значение номинального отключающего дифференциального тока:

ΔI_защиты⩾ ΔI_сети

Стандартными величинами дифференциального тока являются: 6, 10, 30, 100, 300, 500мА

При выборе дифференциального тока аппарата защиты следует помнить, что согласно пункту 1.7.50. ПУЭ для защиты от поражения электрическим током должны применяться устройства с номинальным отключающим дифференциальным током не более 30 мА. Таким образом если по расчету значение диф. тока сети составляет более 30 мА нагрузку необходимо разделить по нескольким линиям с установкой отдельного аппарата защиты на каждую.

Аппараты защиты с дифференциальными токами 100, 300 и 500 мА используются в качестве противопожарных, обычно их устанавливают в качестве общего аппарата защиты во вводном электрощите (они так же могут устанавливаться в распределительных щитах при необходимости).

6. Пример расчета бытовой сети

В заключении, для закрепления приведенного в статье материала, приведем пример расчета небольшой бытовой электрической сети.

В первую очередь необходимо составить однолинейную схему электроснабжения:

Примечание: Для расчетов необходимо использовать значение мощности в Ваттах (1 киловатт =1000 Ватт), коэффициент мощности (cosφ) принимаем равным 1.

1) Рассчитаем питающий кабель и вводной автомат:

Определяем ток во вводном кабеле по максимальной разрешенной к использованию мощности:

I_р=P/U_ф*cosφ=6000/220*1=27,3 Ампер

По таблице длительно допустимых токов видно, что для тока 27,3 Ампера будет более чем достаточно кабеля сечением 6 мм² по алюминию, однако т.к. для ввода будет использован двухжильный кабель т.е. его нулевая жила будет выполнять роль PEN-проводника, а ее разделение будет только во вводном электрощитке, то согласно 1.7.131. ПУЭ вводной кабель необходимо принять с сечением не менее 10 мм² по меди или 16 мм² по алюминию.

• Принимаем в качестве питающего вводного кабеля алюминиевый кабель АВВГ 2х16

Теперь по рассчитанному току определим номинальный ток вводного автомата.

Справочно: Вводной автоматический выключатель помимо своей защитной функции выполняет так же функцию ограничителя мощности, т.е. не позволяет потребителям превысить разрешенную к использованию мощность. Данный вопрос находится в компетенции энергоснабжающей организации, поэтому при установке автомата с завышенным номиналом, он не будет принят и опломбирован представителем энергоснабжающей организации.

Исходя из сказанного выше выберем ближайшее большее стандартное значение номинального тока вводного автомата (по соответствующей таблице выше) :

• Принимаем номинальный ток вводного автоматического выключателя равным 32 Ампера

2) Рассчитаем кабель и автомат для сети освещения

Ток сети освещения составит:

I_росв=P/U_ф*cosφ=1500/220*1=6,8 Ампер

По справочным таблицам приведенным выше определяем сечение кабеля и номинальный ток автоматического выключателя для сети освещения. Принимаем:

• Номинальный ток автоматического выключателя 10 Ампер.
• Сечение кабеля принимаем 1,5 мм² по меди (длительно допустимый ток — 19 Ампер). Выбираем кабель типа ВВГ 3х1,5.

Проверяем согласованность выбранных проводников и аппаратов защиты по ГОСТ 30331.5-95:

1) I_р ⩽ I_нз⩽ I_д → 6,8 А⩽10⩽19 — условие выполняется

2) I_нз⩽I_д→ 10⩽19- условие выполняется

Вывод: кабель и автомат выбраны верно.

3) Рассчитаем кабель и дифавтомат для силовой сети

Ток силовой сети составит:

I_роз=P/U_ф*cosφ=4500/220*1=20,5 Ампер

По справочным таблицам приведенным выше определяем сечение кабеля и номинальный ток дифференциального автоматического выключателя для сети освещения. Принимаем:

• Номинальный ток дифавтомата 25 Ампер.
• Сечение кабеля принимаем 2,5 мм² по меди (длительно допустимый ток — 25 Ампер). Выбираем кабель типа ВВГ 3х2,5.

Проверяем согласованность выбранных проводников и аппаратов защиты по ГОСТ 30331.5-95:

1) I_р ⩽ I_нз⩽ I_д → 20,5 А⩽25⩽25 — условие выполняется

2) I_нз⩽I_д→ 25⩽25- условие выполняется

Вывод: кабель и номинальный ток дифавтомата выбраны верно.

Так же рассчитываем дифференциальный ток дифавтомата:

ΔI_сети=((0.4*I_сети)+(0.01*L_{провода}))*3=((0.4*20,5_сети)+(0.01*30))*3=(8,2+0,3)*3=25,5 миллиАмпер

• Выбираем ближайшее большее стандартное значение дифференциального тока — 30 мА

В итоге получаем электрическую сеть со следующими характеристиками:

В случае необходимости для данных расчетов вы также можете воспользоваться следующими нашими онлайн-калькуляторами:

---

Была ли Вам полезна данная статья? Или может быть у Вас остались вопросы? Пишите в комментариях!