Влияние внешних факторов на работу автоматических выключателей

Рабочие параметры автоматических выключателей, принцип срабатывания которых основан на деформации при нагревании контактной биметаллической пластины протекающим через нее током, очень зависят от внешних факторов. Внешние факторы, влияющие на текущую температуру защитного устройства, такие как: температура окружающего воздуха, высота над уровнем моря, атмосферные условия, расположение нескольких устройств рядом друг с другом, - приводят к отклонению в значении тока срабатывания выключателя от номинального, соответствующего конкретной модели.

Так, например, типичное среднее отклонение от номинального тока срабатывания, при изменении температуры устройства на 1°C, составляет примерно 1,2%. То есть в случае если нет особых указаний от производителя, необходимо вносить корректировку в расчеты относительно тока срабатывания.

Номинальный ток срабатывания автомата определяется при температуре в 30°C, значит при температуре устройства в 20°C ток срабатывания изменится в большую сторону, и окажется равен 1,12 от номинала. Если же температура устройства (окружающей среды) будет 40°C, то ток срабатывания автомата уменьшится на 12%, и будет составлять 0,88 от номинального значения. Это связано с вполне определенной теплоемкостью биметалла, из которого изготовлена пластина.

И если имеется автомат с характеристикой расцепления C, например С50, то при температуре окружающей среды в 20°C ток срабатывания будет равен 56 ампер. Исходные границы отсечки были 250 и 500 ампер, что соответствует кратностям 5 и 10 по отношению к номинальным 50 амперам, но теперь кратности изменятся, и будут составлять 250/56 = 4,46 и 500/56 = 8,92. Если температура окружающей среды будет понижаться и дальше, то автомат приблизится к характеристике расцепления автомата B50, а при повышении за 40°C — к D50.

Очевидно, все автоматические выключатели, содержащие комбинированный термоэлектрический расцепитель, и оснащенные биметаллическими пластинами, чувствительными к температуре, имеют время-токовые характеристики, зависящие от температуры. 

Согласно ГОСТ Р 50345-99, нормальный температурный режим для работы автоматических выключателей должен быть таким, чтобы среднесуточная температура окружающего воздуха составляла 35°C, и не превышала бы 40°C. Минимальная температура не должна быть ниже 5°C. Для иных условий работы требуются специальные выключатели, либо необходимо обеспечить условия окружающей среды, которые указывает в документации производитель.

Высота над уровнем моря

— немаловажный фактор для автоматических выключателей. Если высота над уровнем моря превышает 2 км, изолирующие и охлаждающие свойства воздуха уже иные, и их нужно будет учитывать. Так, воздух на высоте становится более разряженным, менее теплопроводным, соответственно вероятность перегрева автомата повышается. Но при этом на большей высоте температура воздуха обычно ниже, значит ток срабатывания увеличивается.

Таким образом, если автомат должен работать на высоте над уровнем моря более 2000 метров, то автомат такой модели должен быть специально спроектирован для этих условий, - потребителю необходимо сопоставить свои требования с данными от производителя.

Когда несколько автоматов, или автомат и другие модульные устройства, размещены вплотную друг к другу на одной DIN-рейке, то передача тепла окружающему воздуху затруднена, аппараты нагревают один другой, и модули расположенные по бокам остывают лучше, чем те, что стоят между другими модулями. Модули в центре охлаждаются хуже всего, поэтому нагреваются сильнее других.

Как правило изготовитель оговаривает условия монтажа в своей документации. Практически же можно считать, что каждый дополнительно установленный модуль, если речь идет об автоматических выключателях, способствует снижению номинального тока срабатывания приблизительно на 2,25%, и при установке 9 штук, поправочный коэффициент составит 0,8, а при еще большем количестве легко дойдет до 0,5.

Зависимость характеристик расцепителей автоматов от температуры

Если говорить про конечные уровни распределения в сетях 0,4 кВ (РЩ — нагрузка), то главная особенность выбора автоматов там — учет рабочей температуры. И это не только температура окружающего воздуха. Важно насколько нагревается сам автомат в ходе эксплуатации, а на этот процесс влияет несколько факторов. О них и поговорим в сегодняшней статье.

Когда температуру автомата 0,4 кВ нужно учитывать?

Есть два типа тепловых расцепителей автоматических выключателя по отношению к влиянию температуры — компенсированные и некомпенсированные.

Первые имеют встроенные системы компенсации температурных колебаний в широких пределах. Это относится к промышленным автоматам (ГОСТ Р 50030.2-2010 / МЭК 60947-2:2006) с термомагнитными и электронными расцепителями. Современные электронные расцепители по-сути представляют собой полноценные блоки релейной защиты и по принципу действия нечувствительны к температуре. Электромагнитные расцепители промышленных автоматов могут иметь температурную компенсацию (например, автоматы защиты двигателей), а могут не иметь. Это нужно уточнять по каталогу на конкретный автомат.

Обратная ситуация с бытовыми автоматами (ГОСТ Р 50345-2010 / МЭК 60898-1:2003). Их параметры срабатывания сильно зависят от температуры, причем как в сторону нагрева, так и в сторону охлаждения.

Таким образом, получаем краткую инструкцию:

• Бытовой автомат: всегда учитываем температуру при выборе автомата;
• Выключатель с термомагнитным расцепителем: наличие температурной компенсации уточняем по каталогу. Если ее нет, то учитываем влияние температуры;
• Выключатель с электронным расцепителем: температура не влияет на уставки расцепителя.

Правда есть один момент — при очень высоких температурах работы (50-70 гр. С) расцепитель должен защитить силовую часть выключателя от теплового повреждения. Тогда “жертвой” температуры становятся даже электронные расцепители, а вернее специалист, который считает для них уставки. Ему приходится ограничивать уставку теплового расцепителя (фактически снижать номинальной ток), чтобы автомату “не стало дурно” от таких тепловых режимов.

На просторах интернета много раз уже описывались характеристики автоматических выключателей. Они имеют определённое время срабатывания защиты в зависимости от нагрузки. Согласно требованиям, изложенных в ГОСТ 50345-2010 все время токовые характеристики автоматов представлены при температуре окружающей среды +30˚С.

Друзья, перед тем как выяснить причину отключения автоматов в жару, давайте сразу уточним, что в нашем случае все они исправны, повреждение в проводке нет, но автомат срабатывают спустя некоторое время после повторного включения.

Почему в жару автомат не держит нагрузку и отключается

Автоматический выключатель производит защиту электропроводки от перегрузки методом теплового контроля. Превышение допустимого значения тока приводит к нагреванию специального элемента – биметаллической пластины.

Она изготавливается из двух, сваренных между собою пластин из металлов, имеющих отличные друг от друга термические свойства – разные температурные коэффициенты линейного расширения. Так как одна сторона пластины имеет высокий коэффициент, а вторая низкий.

При протекании тока пластина начинает нагреваться, при повышении температуры происходит изгиб пластины, которая толкает спусковой механизм автоматического выключателя. Чем выше температура биметаллической пластины, тем больше угол её изгиба, следовательно, отключение автомата. Вот почему в жару срабатывает автоматический выключатель.

Автомат начинает срабатывать от «тепловой защиты», когда через него проходит ток от 13% до 45% выше номинального. При таком значении тока автомат отключится в пределах 1 часа. Это справедливо при окружающей температуре +30˚С.

Но при большем значении окружающей температуры биметаллическая пластина уже является разогретой и имеет определенный изгиб. Следовательно, пластина может нагреться до температуры, при которой происходит ее срабатывание, уже при меньшем значении тока по отношению к номинальному.
Ниже имеется таблица, параметров автоматов марки «hager». Зависимость тока нагрузки и температуры окружающей среды.

Давайте возьмем за пример самый распространенные автоматические выключатели по номинальному току и ВТХ – С16. Данные таблицы показывают, почему отключается автомат в жару уже при 11 – 12 А, хотя предельный порог срабатывания – 16 А. Аналогично и в распределительных щитах жарких помещений в банях или саунах. Естественно, в самих парилках никто их не ставит.

Влияние рядом стоящих автоматов

Что может повлиять на то, почему в жару срабатывает автомат? Большое их количество, когда рядом находится много различных автоматических выключателей. Хотя это считается нормальным для распределительных щитов и везде практикуется. Но срабатывать при токе, превышающем номинальный, они будут лишь при нормальной вентиляции воздушного пространства внутри щитов.

В такой ситуации необходимо учитывать взаимное влияние, когда оказывается тепловое воздействие на рядом стоящие друг возле друга автоматы.

Установленные в одном ряду и плотно прилегающие автоматы, передают часть тепла друг другу. Это происходит из-за выделения тепла, находящимися под нагрузкой автоматами. Такой взаимный нагрев приводит к тому, что биметаллическая пластина дополнительно нагревается от соседнего автомата. В этом случае также можно наблюдать срабатывание автоматов при нагрузке меньшей номинальной.

Помните, вначале статьи мы оговаривали, что все характеристики представлены при температуре воздуха +30°С. Соответственно если повышается температура, то падает значение нагрузки, которую может держать автомат. Вот почему в жару срабатывает автомат защиты. Поэтому при других значениях температуры необходимо учитывать коэффициенты представленные выше.

Что нам дают эти знания для практического применения? Рассмотрим небольшой пример в щитке установлены пять автоматических выключателей С16 расположенных на одной дин-рейке и плотно прилегающих друг к другу. Температура окружающей среды составляет +45˚С.

Давайте по таблицам найдем токи, при которых они будут срабатывать. Вначале учтем влияние окружающей температуры, так автоматический выключатель, рассчитанный на 16 А, при указанном значении температуры имеет порог срабатывания по току – 13 А.
То есть получается что тепловой ресцепитель автомата который должен срабатывать при токе более 16 А начнет срабатывать при меньшем токе.

Теперь возьмем во внимание коэффициент учитывающий количество рядом стоящих автоматов. Он в данном примере будет равен 0.9. Получаем что тепловая защита автоматов С16 при температуре +45°С и их количестве установленных в ряд до 5 штук будет срабатывать при токе 13х0,9=11,7А.

Вот почему в жару срабатывает автоматический выключатель, в то время когда нагрузки практически нет. К сожалению, при расчетах мало кто учитывает эти поправочные коэффициенты.

В зимнее или прохладное время картина меняется в противоположную сторону. При низких температурах биметаллическая пластина будет дольше нагреваться и соответственно автомат может пропустить нагрузку немного больше номинальной.

Довольно частая ситуация, когда в летнее время можно наблюдать срабатывание автоматов в жарких офисных помещениях. При этом подключенная нагрузка не является чересчур мощной, как правило, это компьютеры, ксероксы и другая оргтехника.

Происходит это потому что щиты для таких помещений, как правило плотно укомплектованы (в одном ряду можно наблюдать 10, 12 и более автоматов) к тому же их устанавливают в холлах и лестничных площадках где нет кондиционирования. Практика показывает, что это не является редкостью.