Что такое номинальный ток

Толковый словарь русского языка академика Οжегова объясняет значение слова «номинальный», как обозначенный, называющийся, но не исполняющий своих обязанностей, назначения, то есть фиктивный.

Это определение довольно точно поясняет электротехнические термины номинального напряжения, тока и мощности. Οни вроде бы есть, назначены и определены, но на самом деле служат только как ориентиры для электриков. Действительные численные выражения этих параметров в реальности отличаются от назначенных величин.

Такая же картина просматривается и с номинальным током.

За основу выбора его величины взят максимально возможный тепловой нагрев электрических проводников (включая их изоляцию), которые должны неограниченно долгое время надежно работать под нагрузкой. При номинальном токе поддерживается тепловой баланс между:

• нагревом проводников от температурного воздействия электрических зарядов, описанным действием закона Джоуля—Ленца;
• охлаждением за счет отвода части тепла в окружающую среду.

При этом тепло Q1 не должно оказывать влияние на механические и прочностные характеристики металла, а Q2 — на изменение химических и диэлектрических свойств слоя изоляции.

Даже при небольшом превышении номинального значения тока через какой-то промежуток времени потребуется снимать напряжение с электрооборудования для охлаждения металла токовода и изоляции. В противном случае их электротехнические свойства нарушатся и возникнет пробой диэлектрического слоя или деформация металла.

Любое электрическое оборудование (включая источники тока, его потребители, соединительные провода и системы, защитные устройства) рассчитывается, проектируется и изготавливается под работу при определенном номинальном токе.Его величина указывается не только в технической заводской документации, но и на корпусе или шильдиках электрооборудования.

На приведенной фотографии четко видны величины номинального тока 2,5 и 10 ампер, которые выполнены методом штамповки при изготовлении электрической вилки. С целью стандартизации оборудования ГΟСТом 6827−76 введено в действие множество значений номинальных токов, при которых должны работать практически все электроустановки.

Номинальный ток автомата

У разных электроприборов потребляемая мощность способна отличаться в тысячи раз. Соответственно неодинаков и рабочий ток. К примеру, обычная квартира в жилом доме потребляет до 16-32 А. Поэтому автомат защиты квартирной сети подбирается на аналогичный номинал. Мощные промышленные печи способны потреблять от энергосистемы сотни ампер. Соответственно автомат для них требуется на больший номинал.

Номиналы автоматических выключателей к содержанию ↑

Подбор защитного устройства

Поскольку номинальный ток определяет возможность длительной работы электрооборудования без каких-либо повреждений, то все защитные устройства по току настраиваются на срабатывание по его превышению.

На практике довольно часто встречаются ситуации, когда на непродолжительный период в схеме питания возникает перегрузка по различным причинам. При этом температура металла проводника и слоя изоляции не успевают достичь того предела, когда возникает нарушение их электротехнических свойств.

По этим причинам зона перегруза выделена в отдельную область, которая ограничивается не только величиной, но и продолжительностью действия. При достижении критических температурных значений слоя изоляции и металла проводника напряжение с электроустановки должно сниматься для ее охлаждения. Эти функции выполняют так называемые защиты от перегруза, работающие по термическому принципу:

• предохранители;
• тепловые расцепители.

Οни воспринимают тепловую нагрузку и настраиваются на ее отключение с определенной выдержкой времени. Уставка защит, выполняющих «мгновенную» отсечку нагрузки, лежит чуть выше тока перегрузки. Термин «мгновенная» на самом деле определяет действие за минимально возможный промежуток времени. Для современных самых быстрых токовых защит отсечка выполняется за время чуть меньшее 0,02 секунды.

Рабочий ток в обычном режиме питания чаще всего по своей величине меньше номинального.

В приведенном примере разобран случай для схем переменного тока. В цепях постоянного напряжения принципиального отличия соотношений между рабочим, номинальным током и выбором уставок для работы защит нет.

Номинальная отключающая способность при коротком замыкании (Icu или Icn)

Отключающая способность низковольтного автоматического выключателя связана с коэффициентом мощности (cos φ) поврежденного участка цепи. В ряде стандартов приводятся типовые значения такого соотношения.

Отключающая способность автоматического выключателя – максимальный (ожидаемый) ток, который данный автоматический выключатель способен отключить и остаться в работоспособном состоянии. Упоминаемая в стандартах величина тока представляет собой действующее значение периодической составляющей тока замыкания, т.е. при расчете этой стандартной величины предполагается, что апериодическая составляющая тока в переходном процессе (которая всегда присутствует в наихудшем возможном случае короткого замыкания) равна нулю. Эта номинальная величина (Icu) для промышленных автоматических выключателей и (Icn) для бытовых автоматических выключателей обычно указывается в кА.

Icu (номинальная предельная отключающая способность) и Ics (номинальная эксплуатационная отключающая способность) определены в стандарте МЭК 60947-2 вместе с соотношением Ics и Icu для различных категорий использования A (мгновенное отключение) и B (отключение с выдержкой времени), рассмотренных в подразделе Другие характеристики автоматического выключателя.

Проверки для подтверждения номинальных отключающих способностей автоматических выключателей регламентируются стандартами и включают в себя:

• коммутационные циклы, состоящие из последовательности операций, т.е. включения и отключения при коротком замыкании;
• фазовый сдвиг между током и напряжением. Когда ток в цепи находится в фазе с напряжением питания (cos φ = 1), отключение тока осуществить легче, чем при любом другом коэффициенте мощности. Гораздо труднее осуществлять отключение тока при низких отстающих величинах cos φ,при этом отключение тока в цепи с нулевым коэффициентом мощности является самым трудным случаем.

На практике все токи короткого замыкания в системах электроснабжения возникают обычно при отстающих коэффициентах мощности, и стандарты основаны на значениях, которые обычно считаются типовыми для большинства силовых систем. В целом, чем больше ток короткого замыкания (при данном напряжении), тем ниже коэффициент мощности цепи короткого замыкания, например, рядом с генераторами или большими трансформаторами.

В таблице, приведенной на рис. H34 и взятой из стандарта МЭК 60947-2, указано соотношение между стандартными величинами cos φ для промышленных автоматических выключателей и их предельной отключающей способностью Icu.

после проведения цикла «отключение – выдержка времени — включение/ отключение» для проверки предельной отключающей способности (Icu) автоматического выключателя выполняются дополнительные испытания, имеющие целью убедиться в том, что в результате проведения этого испытания не ухудшились:

— электрическая прочность изоляции; — разъединяющая способность; — правильное срабатывание защиты от перегрузки.

Можно воспользоваться и электронным счетчиком с функцией измерения токов.

Если потребляемая мощность уже известна, ток можно подсчитать. Для однофазного двигателя :

Величину напряжения тоже рекомендуется измерить, желательно – непосредственно на зажимах электродвигателя.

Если измерения производятся без нагрузки, то получится ток холостого хода. Подсчитать номинальный ток не представляется возможным, так как ток холостого хода не нормируется и составляет 20-40% от номинального. В этом случае для подсчета токов холостого хода трехфазных асинхронных электродвигателей используются данные таблицы.

Мощность двигателя, кВт

Это очень важный параметр трехфазного электродвигателя. Все шесть выводов начал и концов обмоток выведены в барно двигателя. Подключить их можно либо в звезду, либо в треугольник.

Схема соединения обмоток

Рядом с символами «треугольник/звезда» на табличке указывается номинальное напряжение – «220/380 В». Это означает, что при включении в сеть трехфазного тока напряжением 380 В обмотки двигателя нужно соединить в звезду. Ошибка в соединении приведет к выходу электродвигателя из строя.

Номинальный ток также указывается через дробь. В описанном случае необходимо значение, указанное в знаменателе.

Номинальные токи разных устройств

Вот какой ток потребляют некоторые приборы:

1. электроплита: мощность — от 1,2 до 6 кВт, cosϕ = Номинальный ток: от 1200 / 220 = 5,45 А до 6000 / 220 = 27,25 А;
2. обогреватель: 0,5 – 2 кВт, cosϕ = 1. Ток — от 2,3 А до 9,2 А;
3. пылесос: 0,5 – 2 кВт, cosϕ = 0,9. Ток: от 500 / (220 * 0,9) = 2,52 А до 2000 / (220 * 0,9) = 10,1 А;
4. утюг: 1–2 кВт, cosϕ = 1. Ток: 4,6–9,2 А;
5. фен для волос: 0,6–2 кВт, cosϕ = 1. Ток: 2,76–9,2 А;
6. телевизор: 0,1–0,4 кВт, cosϕ = 1. Ток: 0,46–1,84 А.

Классы (характеристики срабатывания) автоматических выключателей

Классы или характеристики срабатывания определяются от разброса величины срабатывания. Самые используемые классы – B, C и D

Используется в бытовых, осветительных и других сетях с небольшим или нулевым пусковым превышением тока. Такие автоматы устанавливаются непосредственно у потребителя. Электромагнитный расцепитель в таких приборах срабатывает при превышении тока в 3 и более раз.

Рекомендуется устанавливать в сетях со смешанной нагрузкой с умеренными пусковыми токами. Также используются в бытовых сетях, но защищают группу потребителей. Самый популярный автомат у электриков. Отличаются большей перегрузочной способностью по сравнению с устройствами класса B. Минимальный ток срабатывания должен превышать номинал в 5 и более раз.

Устройства данного класса защищают электродвигатели, у которых пусковой ток значительно превышает номинальный. Отличаются большой перегрузочной способностью. Минимальный ток срабатывания равен десяти номинальным.

Номинальная отключающая способность при коротком замыкании (Icu или Icn)

Отключающая способность низковольтного автоматического выключателя связана с коэффициентом мощности (cos φ) поврежденного участка цепи. В ряде стандартов приводятся типовые значения такого соотношения.

Отключающая способность автоматического выключателя – максимальный (ожидаемый) ток, который данный автоматический выключатель способен отключить и остаться в работоспособном состоянии. Упоминаемая в стандартах величина тока представляет собой действующее значение периодической составляющей тока замыкания, т.е. при расчете этой стандартной величины предполагается, что апериодическая составляющая тока в переходном процессе (которая всегда присутствует в наихудшем возможном случае короткого замыкания) равна нулю. Эта номинальная величина (Icu) для промышленных автоматических выключателей и (Icn) для бытовых автоматических выключателей обычно указывается в кА.

Icu (номинальная предельная отключающая способность) и Ics (номинальная эксплуатационная отключающая способность) определены в стандарте МЭК 60947-2 вместе с соотношением Ics и Icu для различных категорий использования A (мгновенное отключение) и B (отключение с выдержкой времени), рассмотренных в подразделе Другие характеристики автоматического выключателя.

Проверки для подтверждения номинальных отключающих способностей автоматических выключателей регламентируются стандартами и включают в себя:

• коммутационные циклы, состоящие из последовательности операций, т.е. включения и отключения при коротком замыкании;
• фазовый сдвиг между током и напряжением. Когда ток в цепи находится в фазе с напряжением питания (cos φ = 1), отключение тока осуществить легче, чем при любом другом коэффициенте мощности. Гораздо труднее осуществлять отключение тока при низких отстающих величинах cos φ,при этом отключение тока в цепи с нулевым коэффициентом мощности является самым трудным случаем.

На практике все токи короткого замыкания в системах электроснабжения возникают обычно при отстающих коэффициентах мощности, и стандарты основаны на значениях, которые обычно считаются типовыми для большинства силовых систем. В целом, чем больше ток короткого замыкания (при данном напряжении), тем ниже коэффициент мощности цепи короткого замыкания, например, рядом с генераторами или большими трансформаторами.

В таблице, приведенной на рис. H34 и взятой из стандарта МЭК 60947-2, указано соотношение между стандартными величинами cos φ для промышленных автоматических выключателей и их предельной отключающей способностью Icu.

• после проведения цикла «отключение – выдержка времени — включение/ отключение» для проверки предельной отключающей способности (Icu) автоматического выключателя выполняются дополнительные испытания, имеющие целью убедиться в том, что в результате проведения этого испытания не ухудшились:

— электрическая прочность изоляции;
— разъединяющая способность;
— правильное срабатывание защиты от перегрузки.

[1] Величины уставок, которые относятся к термомагнитным (комбинированным) расцепителям для защиты от перегрузки и короткого замыкания.zh:断路器的基本特性

Время-токовые характеристики (ВТХ) автоматических выключателей

Введение

Как известно автоматические выключатели могут иметь следующие виды расцепителей обеспечивающих защиту электрической цепи от сверхтоков: электромагнитный — защищающий сеть от коротких замыканий, тепловой — обеспечивающий защиту от токов перегрузки и комбинированный представляющий собой совокупность электромагнитного и теплового расцепителя (подробнее читайте статью «автоматические выключатели«).

Примечание: Современные автоматические выключатели предназначенные для защиты электрических сетей до 1000 Вольт имеют, как правило, комбинированные расцепители.

Расцепители автоматических выключателей — это исполнительные механизмы которые обеспечивают отключение (расцепление) электрической цепи при возникновении в ней тока выше допустимого, причем чем больше это превышение тем быстрее должно произойти расцепление.

Зависимость времени расцепления автоматического выключателя от величины проходящего через него тока и называется время-токовой характеристикой или сокращенно — ВТХ.

Условия и значения ВТХ

ВТХ автоматов определяются следующими значениями:

1) Ток мгновенного расцепления — минимальное значение тока, вызывающее автоматическое срабатывание выключателя без преднамеренной выдержки времени. (ГОСТ Р 50345-2010, п. 3.5.17)

Примечание: срабатывание без преднамеренной выдержки времени обеспечивается электромагнитным расцепителем автомата.

Ток мгновенного расцепления определяется так называемой «характеристикой расцепления» или как ее еще называют — характеристика срабатывания.

Согласно ГОСТ Р 50345-2010 существуют следующие типы характеристик срабатывания автоматических выключателей:

Примечание: существуют так же и другие, нестандартные типы характеристик, о них мы говорили в статье «автоматические выключатели«.

Как видно из таблицы выше ток мгновенного расцепления указывается в виде диапазона значений, например характеристика «B» предполагает, что автомат обеспечит мгновенное расцепление при протекании через него тока в 3 — 5 раз превышающего его номинальный ток, т.е. если автоматический выключатель с данной характеристикой имеет номинальный ток 16 Ампер, то он обеспечит мгновенное расцепление при токе от 48 до 80 Ампер.

Определить характеристику срабатывания автоматического выключателя, как правило, можно по маркировке нанесенной на его корпусе:

2) Условный ток нерасцепления — установленное значение тока, который автоматический выключатель способен проводить, не срабатывая, в течение заданного (условного) времени*. (ГОСТ Р 50345-2010, п. 3.5.15) Согласно пункту 8.6.2.2 ГОСТ Р 50345-2010 условный ток нерасцепления равен 1,13 номинального тока автомата.
3) Условный ток расцепления — установленное значение тока, которое вызывает срабатывание автоматического выключателя в течение заданного (условного) времени*. (ГОСТ Р 50345-2010, п. 3.5.16) Согласно пункту 8.6.2.3 ГОСТ Р 50345-2010 условный ток расцепления равен 1,45 номинального тока автомата.

* Условное время равно 1 ч для выключателей с номинальным током до 63 А включительно и 2 ч с номинальным током свыше 63 А. (ГОСТ Р 50345-2010, п.8.6.2.1)

Время-токовая характеристика автоматического выключателя определяется условиями и значениями приведенными в таблице 7 ГОСТ Р 50345-2010:

Примечание: Таблица действительна для автоматов, смонтированных в соответствии с условиями испытаний приведенными ниже работающих при температуре 30 +5 °С

Графики ВТХ

Для удобства производителями в паспортах на автоматические выключатели время-токовые характеристики указываются в виде графика где по оси X откладывается кратность тока электрической цепи к номинальному току автомата (I/In), а по оси Y время срабатывания расцепителя.

Для подробного рассмотрения в качестве примера возьмем график ВТХ для автоматического выключателя с характеристикой «B»

ПРИМЕЧАНИЕ: Все приведенные ниже графики предоставлены в качестве примера. У различных производителей графики ВТХ могут отличаться (смотрите в паспорте автомата), однако они в любом случае должны соответствовать требованиям ГОСТ Р 50345-2010 и в частности значениям указанным в таблице 7 приведенной выше.

Как видно график ВТХ представлен двумя кривыми: первая кривая (красная) — это характеристика автомата в так называемом «горячем» состоянии, т.е. автомата находящегося в работе, вторая (синяя) — характеристика автомата в «холодном» состоянии, т.е. автомата через который только начал протекать электрический ток.

При этом синяя кривая имеет дополнительно штриховую линию, эта линия показывает характеристику автомата (его теплового расцепителя) с номинальным током до 32 Ампер, это различие в характеристиках автоматов с номиналами до и выше 32 Ампер обусловлено тем, что в автоматах с большим номинальным током биметаллическая пластина теплового расцепителя имеет большее сечение и соответственно ей необходимо больше времени что бы разогреться.

Кроме того каждая кривая имеет два участка: первый — показывающий плавное изменение времени срабатывания в зависимости от тока электрической цепи является характеристикой теплового расцепителя, второй — показывающий резкое снижение времени срабатывания (при токе от 3 In в горячем состоянии и от 5 In в холодном состоянии ), является характеристикой электромагнитного расцепителя автоматического выключателя.

Как видно, на графике ВТХ отмечены основные значения характеристик автомата согласно ГОСТ Р 50345-2010 при 1.13In (Условный ток нерасцепления) автомат не сработает в течении 1-2 часов, а при токе в 1,45 In (Условный ток расцепления) автомат отключит цепь за время менее 50 секунд (из горячего состояния).

Как уже было сказано выше ток мгновенного расцепления определяется характеристикой срабатывания автомата, у автоматических выключателей с характеристикой «B» он составляет от 3In до 5In, при этом согласно вышеуказанному ГОСТу (таблице 7) при 3In автомат не должен сработать за время менее 0,1 секунды из холодного состояния, но должен отключиться за время менее 0,1 секунды из холодного состояния при токе в цепи 5In и как мы можем увидеть из графика выше данное условие выполняется.

Так же по время-токовой характеристике можно определить время срабатывания автомата при любых других значениях тока, например: в цепи установлен автомат с характеристикой «B» и номинальным током 16 Ампер, при работе в данной цепи произошла перегрузка и ток вырос до 32 ампер, определяем время срабатывания автомата следующим образом:

1. Делим ток протекающий в цепи на номинальный ток автомата

32А/16А=2

Определив что ток в цепи в два раза больше номинала автомата, т.е. составляет 2In откладываем данное значение по оси X графика и поднимая от нее условную линию вверх смотрим где она пересекается с кривыми графика:

Как мы видим из графика при токе 32 Ампера автомат с номинальным током 16 Ампер разомкнет цепь за время менее 10 секунд — из горячего состояния и за время менее 5 минут — из холодного состояния.

Приведем примеры ВТХ автоматических выключателей всех стандартных характеристик срабатывания (B, C, D):

ПРИМЕЧАНИЕ: Время-токовые характеристики согласно ГОСТ Р 50345-2010 указываются для автоматов работающих при температуре +30 +5 о C смонтированных в соответствии с определенными условиями:

Условия испытания. Поправочные коэффициенты.

Согласно ГОСТ Р 50345-2010 При испытаниях выключатели устанавливают отдельно, вертикально, на открытом воздухе в месте, защищенном от чрезмерного внешнего нагрева или охлаждения.

испытания автоматических выключателей проводят при любой температуре воздуха, а результаты корректируют по температуре +30 °С на основании поправочных коэффициентов, предоставленных изготовителем.

При этом в любом случае отклонение испытательного тока от указанного в таблице 7 не должно превышать 1,2% на 1 °С изменения температуры калибровки.

Изготовитель должен подготовить данные по изменению характеристики расцепления для температур калибровки, отличных от контрольного значения.

Таким образом, что бы точно узнать время отключения автоматических выключателей, эксплуатируемых при условиях отличающихся от условий испытания необходимо воспользоваться поправочными коэффициентами которые должен предоставить изготовитель данных выключателей.

Приведем пример таких поправочных коэффициентов (обычно их всего 2):

• Температурный коэффициент (Кt)

Температурный коэффициент учитывает отличие температуры окружающей среды при которой автоматический выключатель испытывался от фактической температуры окружающей среды при которой он эксплуатируется:

Как видно из графика, чем ниже температура окружающей среды тем выше данный коэффициент. Объясняется это просто — чем ниже температура окружающей среды, тем больший ток должен протекать через автоматический выключатель что бы нагреть расцепитель до температуры необходимой для его срабатывания.

• Коэффициент, учитывающий количество установленных рядом автоматов (Кn)

Как было сказано выше, автоматические выключатели при их испытании устанавливаются отдельно, однако на практике они устанавливаются в электрических щитах в один ряд с другими автоматами, что соответственно ухудшает их охлаждение за счет ухудшения циркуляции воздуха и тепла от установленных рядом выключателей:

Соответственно, как и можно увидеть из графика, чем больше рядом установлено автоматов, тем меньше данный коэффициент.

Зная поправочные коэффициенты можно скорректировать номинальный ток автомата в зависимости от условий его эксплуатации.

Например: имеется автоматический выключатель с номинальным током 16 Ампер установленный в щитке с 5 другими автоматами при температуре окружающего воздуха +10 о C.

1. По графикам выше найдем поправочные коэффициенты:

• Кt=1,05
• Кn=0,8

1. Зная поправочные коэффициенты скорректируем номинальный ток автомата:

In / = In* Кt* Кn=16*1.05*0.8=13.44 Ампер

Соответственно при эксплуатации автоматического выключателя в вышеуказанных условиях для определения времени его срабатывания необходимо принимать ток не 16 Ампер, а 13,44 Ампера.

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

Не нашли на сайте статьи на интересующую Вас тему касающуюся электрики? Напишите нам здесь. Мы обязательно Вам ответим.