Расчет электрической сети и выбор аппаратов защиты

Приведенная методика выполняется 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 последовательным уменьшением величины номинального тока каждого последующего, последовательно установленного, аппарата защиты.

Все приведенные расчеты справедливы только для кабелей и аппаратов защиты характеристики которых отвечают требованиям соответствующих стандартов.

1. 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:
Iр=P/Uф*cosφ

Для трехфазной сети:
Iр=P/√3*Uл*cosφ

где:

P — Расчетная мощность сети, в Ваттах (как определить расчетную мощность бытовой сети читайте здесь.);
Uф — Фазное напряжение, в Вольтах (напряжение между фазой и нулем);
Uл — 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);

Для бытовых сетей допускается применение упрощенных формул:

Для бытовой однофазной сети:
Iр=Pбыт-сети*4,55, Ампер

Для бытовой трехфазной сети:
Iр=Pбыт-сети*1,52, Ампер

где: Pбыт-сети — расчетная мощность бытовой сети в киловаттах (кВт).

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

источник - здесь (https://elektroshkola.ru/elektrotexnicheskie-raschety/raschet-elektricheskoj-seti-i-vybor-apparatov-zashhity/)

2. Выбор сечения кабеля (провода) по току сети
Определив значение расчетного тока сети выбираем требуемое сечение кабеля исходя из следующего условия — расчетный (рабочий) ток сети (Iр) должен быть меньше либо равен длительно допустимому току кабеля (Iд):

Iр ⩽ Iд

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.

(https://meselectro.ru/ssl/u/79/0ce7a0377a11e9b934a21866767e61/-/%D0%A2%D0%B0%D0%B1%D0%BB%D0%B8%D1%86%D0%B0%201.3.6.%20%D0%94%D0%BE%D0%BF%D1%83%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BC%D1%8B%D0%B9%20%D0%B4%D0%BB%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9%20%D1%82%D0%BE%D0%BA%20%D0%B4%D0%BB%D1%8F%20%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D0%B2%20%D1%81%20%D1%80%D0%B5%D0%B7%D0%B8%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B9%20%D0%B8%D0%B7%D0%BE%D0%BB%D1%8F%D1%86%D0%B8%D0%B5%D0%B9%20%D0%B2%20%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D1%85%20%D0%B7%D0%B0%D1%89%D0%B8%D1%82%D0%BD%D1%8B%D1%85%20%D0%BE%D0%B1%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D1%87%D0%BA%D0%B0%D1%85.jpg)

(https://meselectro.ru/ssl/u/cb/e54d28377a11e99558a3cc35ceb3fe/-/%D0%A2%D0%B0%D0%B1%D0%BB%D0%B8%D1%86%D0%B0%201.3.7.%20%D0%94%D0%BE%D0%BF%D1%83%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BC%D1%8B%D0%B9%20%D0%B4%D0%BB%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9%20%D1%82%D0%BE%D0%BA%20%D0%B4%D0%BB%D1%8F%20%D0%BA%D0%B0%D0%B1%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%B9%20%D1%81%20%D0%B0%D0%BB%D1%8E%D0%BC%D0%B8%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%B2%D1%8B%D0%BC%D0%B8%20%D0%B6%D0%B8%D0%BB%D0%B0%D0%BC%D0%B8.jpg)
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 совмещенного 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)

источник - здесь (https://elektroshkola.ru/elektrotexnicheskie-raschety/raschet-elektricheskoj-seti-i-vybor-apparatov-zashhity/)

см. так же

(https://meselectro.ru/ssl/u/72/30a978377811e9af71e1baf38de654/-/%D0%A2%D0%B0%D0%B1%D0%BB%D0%B8%D1%86%D0%B0%201.3.3.%20%D0%9F%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BE%D1%87%D0%BD%D1%8B%D0%B9%20%D0%BA%D0%BE%D1%8D%D1%84%D1%84%D0%B8%D1%86%D0%B8%D0%B5%D0%BD%D1%82%20%D0%BD%D0%B0%20%D1%82%D0%BE%D0%BA%D0%B8%20%D0%B4%D0%BB%D1%8F%20%D0%BA%D0%B0%D0%B1%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%B9%2C%20%D0%BD%D0%B5%D0%B8%D0%B7%D0%BE%D0%BB%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D1%85%20%D0%B8%20%D0%B8%D0%B7%D0%BE%D0%BB%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D1%85%20%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D0%B2%20%D0%B8%20%D1%88%D0%B8%D0%BD%20%D0%B2%20%D0%B7%D0%B0%D0%B2%D0%B8%D1%81%D0%B8%D0%BC%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8%20%D0%BE%D1%82%20%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D1%8B%20%D0%B7%D0%B5%D0%BC%D0%BB%D0%B8%20%D0%B8%20%D0%B2%D0%BE%D0%B7%D0%B4%D1%83%D1%85%D0%B0.jpg)

(http://images-on-off.com/images/182/primerviborasecheniyakabelyananapryazhen-ea554cb7.png)

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

Расчет и выбор аппарата защиты сети от перегрузки:
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) Iр ⩽ Iнз⩽ Iд

2) Iсрз⩽1,45Iд

где:

Iр — Расчетный (рабочий) ток сети;
Iнз — Номинальный ток аппарата защиты;
Iд — Допустимый длительный ток кабеля;
Iсрз — 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:

1,45Iнз⩽1,45Iд

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

Iнав⩽Iд

где: Iнав — номинальный ток автоматического выключателя

т.е. номинальный ток автоматического выключателя должен быть меньше либо равен длительно допустимому току кабеля, что в свою очередью является частью первого условия. Таким образом проверять автоматические выключатели по условию №2 не требуется.

Примечание: Защита выбранная по вышеприведенной методике 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 Iсрз, 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.

Важно! В случае если в рассчитываемой сети могут иметь место небольшие перегрузки в течении длительного периода времени автоматический выключатель для ее защиты следует выбирать исходя из следующих условий:

1) Iр ⩽ Iнав

2) 1,13Iнав⩽ Iд

т.е. расчетный ток сети должен быть меньше либо равен, номинальному току автоматического выключателя, а номинальный ток автоматического выключателя умноженный на коэффициент 1,13 должен быть меньше либо равен длительно допустимому току кабеля.

ВЫВОД: Исходя из вышесказанного, номинальный ток автоматических выключателей, предназначенных для защиты сети от перегрузки, должен выбираться по следующим условиям:

для сетей в которых исключена возможность возникновения небольших но продолжительных перегрузок:
Iр ⩽ Iнав⩽ Iд

для сетей в которых могут иметь место небольшие но продолжительные перегрузки:
1) Iр ⩽ Iнав

2) 1,13Iнав⩽ Iд

Iр — Расчетный (рабочий) ток сети;
Iнав — Номинальный ток автоматического выключателя
Iд — Допустимый длительный ток кабеля;
Выбор номинального тока автоматического выключателя производится исходя из приведенных выше условий из ряда стандартных значений, при этом согласно пункту 3.1.4. ПУЭ номинальный ток аппарата защиты следует выбирать по возможности наименьшим по расчетному току сети.
(https://elektroshkola.ru/wp-content/uploads/2019/12/%D1%81%D0%B7%D0%BD%D1%82%D0%B0%D0%B2.jpg)
стандартные значения номинальных токов автоматических выключателей

источник - здесь (https://elektroshkola.ru/elektrotexnicheskie-raschety/raschet-elektricheskoj-seti-i-vybor-apparatov-zashhity/)

4. Расчет и выбор аппарата защиты сети от тока короткого замыкания (тока КЗ):
Согласно пункту 3.1.8. ПУЭ электрические сети должны иметь защиту от токов короткого замыкания, обеспечивающую по возможности наименьшее время отключения. При этом указано, что надежное отключение поврежденного участка сети обеспечивается, если отношение наименьшего расчетного тока КЗ к номинальному току плавкой вставки предохранителя или расцепителя автоматического выключателя будет не менее значений, приведенных в пункте 7.3.139, в соответствии с которым ток однофазного КЗ, должен превышать не менее чем в 4 раза номинальный ток плавкой вставки ближайшего предохранителя и не менее чем в 6 раз ток расцепителя автоматического выключателя, имеющего обратнозависимую от тока характеристику.

Таким образом согласно ПУЭ аппараты защиты от тока короткого замыкания следует выбирать исходя из следующих условий:

для предохранителей:
4Iнп ⩽ I1кз

для автоматических выключателей:
6Iнав ⩽ I1кз

где:

Iнп — номинальный ток плавкой вставки предохранителя
Iнав — номинальный ток автоматического выключателя
I1кз — ток однофазного короткого замыкания

Примечание: Методику и пример расчета тока однофазного короткого замыкания читайте в теме: «Расчет тока короткого замыкания в сети 0,4 кВ»
см. подробнее - здесь (http://forum.electro51.ru/index.php/topic,1245.0.html)

Однако в том же пункте (3.1.8.) ПУЭ дана ссылка на пункт 1.7.79. в котором говорится, что в системе TN время автоматического отключения питания не должно превышать следующих значений:

0,4 секунды — в групповых сетях
5 секунд — в распределительных сетях
Примечание: При определенных условиях допускается в сетях питающих только стационарные электроприемники от распределительных щитов время отключения более 0,4 секунды, но не более 5 секунд (в настоящей статье данный вопрос не рассматривается, подробнее об этом вы можете прочесть в пункте 1.7.79 ПУЭ).

Изучив время-токовые характеристики автоматических выключателей можно увидеть, что выбранные, по приведенной выше методике (6Iнав ⩽ I1кз), автоматические выключатели не всегда будут способны обеспечить требуемое время автоматического отключения в групповой сети (0,4 секунды). Поэтому для выбора защиты групповых сетей от тока КЗ целесообразно использовать следующее условие:

 1,1Iмр ⩽ I1кз

где:

I1кз — ток однофазного короткого замыкания;
1,1 — коэффициент запаса — учитывает погрешность расчета, отклонение величины питающего напряжения и т.д. (может применяться другое значение коэффициента запаса, однако оно в любом случае не должно быть меньше чем 1,1)
Iмр— максимальный ток мгновенного расцепления — зависит от характеристики срабатывания автоматического выключателя и составляет:
при характеристике «B» — 5Iном.автомата
при характеристике «C» — 10Iном.автомата
при характеристике «D» — 20Iном.автомата

Подробнее о характеристиках срабатывания читайте тему: «Время-токовые характеристики автоматических выключателей»
см. подробнее -

источник - здесь (https://elektroshkola.ru/elektrotexnicheskie-raschety/raschet-elektricheskoj-seti-i-vybor-apparatov-zashhity/)

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:

Iав⩽Iузо

где:

Iав — Номинальный ток вышестоящего автоматического выключателя;
Iузо — 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:
(https://elektroshkola.ru/wp-content/uploads/2019/12/%D1%81%D0%B7%D0%BD%D1%82%D1%83%D0%B7%D1%80%D0%BD%D0%B4%D1%82.jpg)
стандартные значения номинальных токов УЗО и дифавтоматов

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:

ΔIсети=((0.4*Iсети)+(0.01*Lпровода))*3, миллиАмпер

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

ΔIзащиты⩾ ΔIсети

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).

источник - здесь (https://elektroshkola.ru/elektrotexnicheskie-raschety/raschet-elektricheskoj-seti-i-vybor-apparatov-zashhity/)

Определение сечения провода по заданной потере напряжения, мощности нагрузки и длины линии

калькулятор от КЭАЗ - здесь (https://keaz.ru/help/service/configurators/calc#?calculator=1)