Почему при срабатывании одного автоматического выключателя обесточивается половина дома?

То, что вы наблюдаете (отключение нескольких цепей из-за перегрузки одной цепи), — довольно распространённое явление в некоторых типах жилых помещений. Однако для того, чтобы понять причину, нужно знать, как устроены электрические щиты.

Каждое сооружение, которое получает электроэнергию от коммунального предприятия или от отдельной системы (такой как генератор), должно иметь легкодоступные средства отключения электросети от проводки здания не более чем шестью движениями рук, согласно NEC 230.70 и 230.71. Кроме того, 230.90, 230.91 и 230.94 означают, что это средство также должно обеспечивать защиту от перегрузки по току. На практике для этой задачи используются только электрические щиты (в просторечии — блоки предохранителей или автоматические выключатели), оснащённые устройствами защиты от перегрузки по току (предохранителями, автоматическими выключателями). Это обеспечивает защиту обслуживающих и ответвлённых цепей в одном удобном корпусе.

В первых панелях использовались предохранители, и в них было всего несколько цепей на 120 В для освещения и некоторых электроприборов, а также главный предохранительный патрон и устройство защитного отключения. По мере роста популярности электроприборов с более высоким энергопотреблением в эту базовую конструкцию добавлялись дополнительные цепи на 120 В, а также ветви на 240 В с предохранительными патронами для водонагревателей и электроплит.

Затем, в период строительного бума после Второй мировой войны, автоматические выключатели стали популярными в новом строительстве, поскольку они обеспечивали удобство и повышали безопасность. Больше не нужно было бежать в хозяйственный магазин за запасным предохранителем, когда в доме гас свет из-за того, что ваш ребёнок подключил слишком много приборов к розеткам в спальне. Кроме того, больше не было возможности перегружать предохранители или обходить их, что слишком часто делалось в эпоху предохранителей.

Кроме того, по мере того как здания становились больше и в них появлялось больше цепей, в одной распределительной коробке переставало хватать места. Более того, согласно электротехническим нормам, в распределительных коробках могло быть не более 42 цепей, и в больших зданиях это ограничение легко нарушалось. Это означало, что требовалось больше одной распределительной коробки: в одной коробке с входным распределительным щитом было небольшое количество автоматических выключателей или предохранителей, а затем провода от неё подключались к дополнительным распределительным коробкам в здании. Эти подпанели, как их обычно называют, не обязательно должны быть оснащены главным автоматическим выключателем или главным разъединителем. Они просто оснащены автоматическими выключателями или предохранителями меньшего номинала, которые обычно питают ответвления, но могут питать и другие подпанели, хотя в жилых домах редко можно встретить такие «вложенные подпанели», если только вы не живёте в высотном здании.

Ещё одним нововведением, на этот раз в бюджетном сегменте рынка жилья, стала «раздельная шина». Главные автоматические выключатели большие (на 100 А и более), громоздкие и дорогие. Кроме того, некоторые производители автоматических выключателей не выпускали или редко выпускали автоматические выключатели на 60 или 100 А. Однако нагрузка на домашнюю электросеть продолжала расти: от 30 А в начале до 60 А, затем до 100 А и более, вплоть до современных бытовых сетей на 200 А. В распределительном щите есть два набора «горячих» шин с автоматическими выключателями: верхний набор питается от электросети и содержит не более шести двухполюсных автоматических выключателей для таких мощных потребителей, как сушильные машины, электроплиты, кондиционеры/тепловые насосы и водонагреватели. Нижний комплект шин питается от двухполюсного выключателя в верхнем комплекте и содержит однополюсные выключатели для цепей на 120 В переменного тока. Такая конструкция была и остаётся допустимой в соответствии с электротехническими нормами (230.Правило шести 71-го года); однако в 1980-х и позже оно вышло из употребления, отчасти из-за консолидации рынка автоматических выключателей. Многие производители автоматических выключателей, находившиеся в самом низу рынка, обанкротились или были поглощены известными компаниями, занимающимися защитой цепей. Все они без труда производили автоматические выключатели большой мощности благодаря опыту изготовления автоматических выключателей для коммерческого и промышленного применения, и поэтому им не нужны были панели с разделёнными шинами.

В большинстве электрических конфигураций будет по крайней мере два последовательных выключателя, защищающих любую заданную цепь ответвления 120 В, а иногда и больше. Однако свойства последовательных выключателей предсказать сложно: иногда первым срабатывает выключатель с меньшей силой тока, но в других случаях вместо него срабатывает выключатель с большей силой тока при замыкании на болт (короткое замыкание). Это происходит из-за различий во времени возникновения дуги и динамическом сопротивлении дуги в процессе отключения выключателя, поскольку для срабатывания выключателя и устранения неисправности в случае короткого замыкания требуется короткий промежуток времени (примерно один полупериод для хорошо спроектированного автоматического выключателя). В случае перегрузки у разных выключателей разная постоянная времени теплового отключения из-за производственных различий, но результат один: невозможно заранее предсказать, какой выключатель сработает при перегрузке.

В некоторых системах (например, в системах аварийного электроснабжения или непрерывной промышленной обработки) это свойство нежелательно. Поэтому крупные производители коммерческих/промышленных автоматических выключателей публикуют таблицы, с помощью которых инженер может выбрать набор совместимых (одной марки и серии) выключателей, чтобы при коротком замыкании гарантированно срабатывал выключатель, расположенный дальше всего от источника питания, а остальные цепи оставались под напряжением и работали, пока электрик устраняет неисправность. Это называется выборочной координацией.

Однако, как правило, считается нецелесообразным выборочно согласовывать работу автоматических выключателей в жилых домах. Мало что известно о токах короткого замыкания в жилых системах или о характеристиках срабатывания автоматических выключателей в жилых домах. Кроме того, усилия, необходимые для выборочной согласованной работы автоматических выключателей, значительны по сравнению с последствиями срабатывания фидерного или главного выключателя при коротком замыкании в ответвленной цепи. То есть в жилых домах это просто неприятность, а не катастрофа. Это может представлять угрозу безопасности в случае аварийного отключения электроэнергии в больнице, где вы не хотите, чтобы свет и оборудование отключались во время операции, или в случае непрерывного производственного процесса, когда беспорядочное отключение может привести к разливу химических веществ по всему цеху.

Это значит, что ваша единственная надежда — подключить холодильник к менее нагруженной цепи, чтобы он вообще не отключался. Либо так, либо ваш холодильник неисправен (потребляет слишком большой пусковой ток при запуске компрессора) и скоро ему понадобится помощь (или место на свалке)...

А почему так было не всегда? Автоматические выключатели, как и всё остальное, со временем изнашиваются. Из-за этого износа они могут чаще срабатывать (например, из-за изменений в микроструктуре теплового элемента или смещения сердечника в магнитной катушке отключения), и если это происходит с фидерным выключателем или выключателем на разделенной шине в результате многократных срабатываний, то это явление (когда одна перегрузка выводит из строя несколько ответвлений цепи, а не одно) будет происходить независимо от того, были ли поданы документы на разделение.