Схемы 230 В: квартирный щиток

Направление «230 В» — про переменный ток и про то, из чего собирают квартирный щиток: вводной автомат, счётчик, УЗО, групповые автоматы, шины N и PE, выключатели, розетки и светильники. Контроллера в этих схемах нет, прошивки нет; есть цепь и расчёт.

Запускать ничего не требуется: схема считается всё время. Отдельно управляется ход времени — он нужен нагреву, расцепителям и выдержкам, — и в панели над схемой его можно поставить на паузу или ускорить.

Смысл направления не в том, чтобы нарисовать щиток красиво. Он в том, что схему можно проверить до того, как она станет проводкой в стене: модель посчитает токи, отключит защиту там, где она должна отключиться, и объяснит ошибки, которые в готовой квартире не видно вовсе.

Как считается переменный ток

Цепь решается в комплексной форме на пятидесяти герцах: у каждого потенциала есть не только величина, но и фаза. Из этого получаются сами собой три вещи, которых в модели по действующим значениям взяться было неоткуда.

Межфазное напряжение. Между двумя фазами 400 вольт, а не 460 и не 230: векторы, сдвинутые на 120°, складываются именно так.

Ток в нулевом проводнике. Он равен векторной сумме фазных токов. При равной нагрузке гасится в ноль — ради этого три фазы и заводят.

Косинус фи. У двигателя ток отстаёт от напряжения, часть его не делает работы вовсе, но идёт по кабелю наравне с рабочей и греет его так же. Поэтому у нагрузки две мощности: активная, которую считает счётчик, и полная, по которой выбирают кабель и автомат.

Пуск двигателя считается квазистатически: на каждом шаге решается установившийся режим, но с тем сопротивлением, какое обмотка имеет при нынешних оборотах. Пока ротор стоит, двигатель — почти закороченный трансформатор: ток кратно выше рабочего, косинус фи около трёх десятых. За время разгона и то и другое приходит к паспортному. Самого броска в первую миллисекунду модель не показывает — она растягивает его по времени пуска, — но кратность и характер тока получаются верными.

Нагрев жилы тоже идёт во времени, с постоянной в двадцать секунд. Число это компромисс: у кабеля в стене она ближе к получасу, но ждать полчаса перед экраном никто не станет, а короткий пусковой бросок отсекается и при двадцати. Сопротивление меди растёт с температурой, а температура — с током: обратная связь замкнута, и решается она итерацией.

Гармоники считаются отдельными проходами — по одному на каждую. Импульсный блок питания (начинка светодиодной лампы, зарядки, компьютера) берёт ток не синусоидой, а короткими всплесками на пике напряжения. В разложении этих всплесков сильна третья гармоника, и вот что из этого следует: у трёх фаз третьи гармоники совпадают по фазе. Токи первой гармоники в нулевом проводнике гасят друг друга, третьей — складываются. В офисе с равномерно расставленными компьютерами ноль оказывается нагружен сильнее фазы при идеально распределённой нагрузке, и автомата на нуле нет — его туда не ставят.

Характер нагрузки задаётся свойством детали: резистивный, импульсный или импульсный с корректором коэффициента мощности. У последнего спектр почти чистый, и ноль остаётся пустым.

Чего по-прежнему нет: переходных процессов в первые миллисекунды, механики на валу и поверхностного эффекта в жиле на высоких гармониках. Считается установившийся режим — то, что показали бы клещи с измерением действующего значения.

Аппараты

Ввод 230 В задаёт фазу, ноль и защитный проводник, а вместе с ними — систему заземления. В TN-C-S защитный проводник соединён с нулевым на вводе, и ток утечки возвращается по меди. В TT он уходит через заземлитель сопротивлением в десятки ом: тока хватает, чтобы сработало УЗО, и заведомо не хватает, чтобы отключился автомат. Отсюда правило, которое иначе приходится заучивать: в системе TT дифзащита обязательна.

Автоматический выключатель имеет номинал и характеристику. Это два разных расцепителя в одном корпусе. Тепловой отключает медленно, при перегрузке: чем больше превышение, тем быстрее. Электромагнитный отключает мгновенно, при кратности выше пяти номиналов (характеристика B) или десяти (характеристика C). На длинной линии с тонким кабелем ток короткого замыкания может не дотянуть до порога автомата C — и тогда он не отключится вовсе.

УЗО не считает ток. Оно сравнивает то, что ушло по фазе, с тем, что вернулось по нулю. Пока вся нагрузка возвращает ток обратно, УЗО безразлично, сорок это ампер или четыре. Но тридцать миллиампер, ушедшие мимо — по защитному проводнику или через человека, — для него повод отключиться. Отсюда следует то, что путают чаще всего: автомат защищает провод, УЗО защищает человека, и заменить одно другим нельзя.

Характеристика D — двадцать номиналов — стоит там, где пусковой бросок законен: двигатели, трансформаторы. На розеточной группе она означает линию, фактически лишённую защиты от замыкания через переходное сопротивление.

Дифавтомат — оба в одном модуле.

Тип УЗО решает вопрос селективности. Обычное (AC) отключается сразу. Селективное (S) имеет выдержку времени и ставится на вводе: при утечке в группе успевает сработать групповое УЗО, и гаснет одна линия, а не дом. Пара считается селективной, если верхний аппарат типа S и его уставка хотя бы втрое выше нижней — два УЗО по 30 мА не селективны при любых типах.

Двигатели — однофазный и трёхфазный, с косинусом фи. Трёхфазный соединён звездой: три обмотки сходятся в точке, к нулю сети не присоединённой, поэтому исправный двигатель нулевой проводник не нагружает вовсе.

Конденсатор компенсирует реактивную мощность: включённый параллельно двигателю, он даёт опережающий ток навстречу отстающему току обмотки, и по кабелю идёт меньше при той же полезной работе.

Кабель — деталь с сечением, длиной и материалом жилы. Из них считаются два числа, которых иначе взять негде: допустимый ток жилы и потеря напряжения на длине. Пара «C16 на кабеле 1,5 мм²» — самая частая ошибка домашнего щитка, и разбор называет её ошибкой независимо от того, какая нагрузка включена сегодня: опасна сама пара.

Трёхфазный ввод даёт три фазы, ноль и защитный проводник. Нагрузка распределяется по фазам руками, и главное число здесь — ток в нулевом проводнике: он равен не сумме фазных токов, а их векторной сумме. При равной нагрузке ноль почти ничего не несёт — ради этого три фазы и заводят; при перекосе он нагружается разницей. Модель считает по действующим значениям, поэтому межфазных 400 вольт не знает: нагрузку, включённую между двумя фазами, разбор назовёт тем, чего он не считает, вместо того чтобы показать неверное число.

Трёхполюсный автомат имеет один рычаг на три полюса: расцепители связаны механически, и перегрузка одной фазы обесточивает все три. Именно этим он отличается от трёх однополюсников, поставленных рядом, — и именно поэтому трёхфазный двигатель не остаётся работать на двух фазах.

Шины N и PE собирают обратные и защитные проводники. Разделение этих двух шин — не формальность: рабочий ток по защитному проводнику не идёт никогда, и модель об этом скажет, если его туда завести.

Выключатели — одноклавишный, двухклавишный, проходной. Проходной отличается тем, что у него нет положения «выключено»: он всегда замкнут на одно из двух направлений.

Розетка имеет три контакта и свойство «прибор в розетке» — сколько ватт потребляет то, что в неё включено. Отдельно задаётся состояние изоляции прибора: исправна или пробита на корпус.

Опасные ситуации вынесены отдельными деталями: пробой изоляции и человек, который касается корпуса. Собрать их случайно нельзя, а показать нужно — без них разговор про УЗО остаётся разговором про модульную коробочку с кнопкой «тест».

Что схема подскажет сама

Разбор работает после каждого расчёта и объясняет не только то, что схема сломана, но и то, что она собрана неправильно, хотя работает.

Выключатель в разрыве нуля. Свет включается и выключается как положено, но фаза приходит на светильник напрямую: при выключенном свете патрон, провод и клеммы остаются под напряжением. В готовой квартире это обнаруживается ровно в тот момент, когда кто-то меняет лампочку.

Ноль, взятый с шины PE. Схема работает, и именно этим опасна: при обрыве защитного проводника все заземлённые корпуса в квартире оказываются под фазой.

Розетка без заземления. Пока изоляция цела, разницы нет. При пробое на корпус защите нечем сработать, и корпус остаётся под напряжением до тех пор, пока за него не возьмутся.

Розеточная линия без УЗО. Автомат от утечки не защищает вовсе — это разные задачи и разные приборы.

Ток через человека — с величиной и с тем, что она означает: выше 10 мА рука не разжимается, выше 30 мА начинается фибрилляция.

Автомат крупнее кабеля. Если линия описана кабелем, номинал сверяется с сечением жилы напрямую: 1,5 мм² — 16 А, 2,5 мм² — 25 А, 4 мм² — 32 А (по прокладке в стене). Автомат защищает провод, а не прибор.

Кабель перегружен и большая потеря напряжения — с током, длиной и процентом от питания. Норма потери — пять процентов. Судится это по длительному току, а не по мгновенному: пусковой бросок жиле безразличен.

Жила перегрета — отдельно от перегрузки. У длинного кабеля с запасом по сечению перегрузки может не быть вовсе, а греться он будет. Изоляция при перегреве не плавится — она стареет, и между ошибкой и пожаром проходят годы.

Двигатель не может разогнаться — худшее из положений: пусковой ток идёт, работы нет, обмотка греется. Причина почти всегда в питающей линии.

Нулевой проводник нагружен сильнее расчётного — с током первой гармоники отдельно от полного, чтобы видно было, откуда взялась разница.

Ток прибора далёк от синусоиды — с коэффициентом искажений.

Перекос фаз — с токами всех трёх фаз и током в нулевом проводнике.

Короткое замыкание — с указанием пути без нагрузки, сопротивления этого пути и расчётного тока.

Схема на экране и схема на стене

Модель безопасна, проводка — нет. Работы в действующей электроустановке выполняются при снятом напряжении; подключение к сети, ввод и узел учёта делает организация, имеющая на это право. Всё, что здесь есть, объясняет, как схема работает, и не заменяет ни проекта, ни допуска.