Схема подключения двух ТЭНов параллельно: расчёт токов, выбор автомата и типовые ошибки

Зачем инженеру параллельное включение ТЭНов

При проектировании промышленных нагревательных установок — блочно-модульных котельных, пастеризаторов, сушильных камер, экструдеров — часто требуется получить мощность, которую один ТЭН обеспечить не может. Например, для нагрева 5 м³ воды до 90 °C за час нужно около 120 кВт. Один ТЭН такой мощности (380 В, трёхфазный) будет иметь ток фазы ~182 А — это толстый кабель 95 мм², громоздкий пускатель и сложный теплосъём с корпуса. Практичнее поставить три ТЭНа по 40 кВт, включённых параллельно.

Параллельное соединение — стандартный приём в промышленности: каждый ТЭН работает независимо, при выходе из строя одного остальные продолжают нагрев, а ремонт сводится к замене отдельного элемента. Для расчёта такой схемы достаточно закона Ома для участка цепи и правил параллельного соединения резисторов.

Формулы для расчёта: напряжение, ток, сопротивление

Исходные данные: напряжение сети U (380 В для трёхфазной линии, 220 В между фазой и нулём), мощность одного ТЭНа P₁. Сопротивление каждого ТЭНа в горячем состоянии (при рабочей температуре) вычисляется по формуле:

R₁ = U² / P₁

Для двух одинаковых ТЭНов, включённых параллельно, общее сопротивление:

R_общ = R₁ / 2

Общий ток в цепи (для однофазного включения):

I_общ = U / R_общ = 2 × U / R₁ = 2 × P₁ / U

То есть при параллельном соединении двух одинаковых ТЭНов ток удваивается, а мощность суммируется: P_общ = 2 × P₁.

Пример. Два ТЭНа по 12 кВт, 380 В (однофазное включение между двумя фазами). Ток одного: I₁ = 12000 / 380 = 31,6 А. Общий ток: 63,2 А. Выбор автомата — на 80 А (с запасом 20–25%).

Если ТЭНы разной мощности — общий ток находится суммированием токов каждого элемента. Сопротивление каждого считается отдельно, затем находится общее через формулу для параллельных резисторов:

1 / R_общ = 1 / R₁ + 1 / R₂

Таблица: типовые варианты параллельного включения для 380 В

Примечание: токи указаны для активной нагрузки (cos φ = 1). Для трёхфазного включения (звезда/треугольник) расчёт ведётся по фазным токам — см. раздел ниже.

Особенности параллельного включения в трёхфазной сети

В промышленных установках чаще используют трёхфазную сеть 380 В. Здесь возможны два варианта.

Вариант 1: ТЭНы на 220 В, включены звездой

Каждый ТЭН рассчитан на фазное напряжение 220 В. Три ТЭНа (или шесть — по два на фазу) соединяются в звезду: нулевая точка подключается к нейтрали, а свободные концы — к фазам A, B, C. При параллельном включении двух ТЭНов на одну фазу (например, два ТЭНа между фазой A и нулём) — это два резистора по 220 В, включённых параллельно. Ток фазы A будет равен сумме токов этих двух ТЭНов. Мощность на фазу: 2 × P₁.

Общая мощность установки: P_общ = 3 × 2 × P₁ = 6 × P₁ (если на каждой фазе по два ТЭНа).

Вариант 2: ТЭНы на 380 В, включены треугольником

Каждый ТЭН рассчитан на линейное напряжение 380 В. Два ТЭНа включаются параллельно между фазами, например, A и B. Ток в линейном проводе A будет равен сумме токов всех ТЭНов, подключённых к этой фазе. Для двух ТЭНов между A и B — ток фазы A от этой пары: I_A = 2 × (P₁ / 380). Если на других парах (B-C, C-A) тоже по два ТЭНа — ток фазы A будет складываться из токов от пар A-B и C-A.

Важно: при параллельном включении ТЭНов разной мощности на одну пару фаз общий ток не равен простому удвоению — считайте через сопротивления.

Типовые ошибки при параллельном подключении

• Разная мощность без раздельного управления. Если два ТЭНа разной мощности включить параллельно на один контактор, они будут включаться и отключаться одновременно. Меньший ТЭН может перегреваться, если больший работает дольше (несимметричный теплосъём). Решение: каждый ТЭН — через свой пускатель или использовать ТЭНы одинаковой мощности.
• Игнорирование сопротивления холодного ТЭНа. У ТЭНа сопротивление в холодном состоянии (при 20 °C) примерно на 10–15% ниже, чем в горячем (рабочем 200–300 °C). Пусковой ток может быть выше номинального на 10–15%. Для двух параллельных ТЭНов этот эффект удваивается. Автомат должен допускать кратковременное превышение — выбирайте с характеристикой C или D.
• Перегрузка нулевого провода. При включении двух ТЭНов между фазой и нулём (звезда) ток в нулевом проводе может достигать суммы фазных токов при несимметричной нагрузке. Если на фазу A повесили два ТЭНа, а на B и C — по одному, ток нейтрали будет значительным. Сечение нулевого провода должно быть не меньше фазного.
• Неправильный выбор автомата по току. Для двух ТЭНов по 12 кВт (380 В) общий ток ~63 А. Автомат на 63 А будет на границе — лучше 80 А. Учитывайте температуру в щите и возможное увеличение тока при пониженном напряжении (мощность ТЭНа пропорциональна квадрату напряжения).

Пример расчёта: два ТЭНа по 15 кВт в блочной котельной

Условие: требуется установить два ТЭНа по 15 кВт, 380 В (однофазное включение между фазами) для нагрева воды в баке 3 м³. ТЭНы включаются параллельно через один магнитный пускатель.

Расчёт:

Ток одного ТЭНа: I₁ = 15000 / 380 = 39,5 А.
Общий ток: I_общ = 2 × 39,5 = 79 А.
Выбор автомата: 100 А (характеристика C).
Сечение кабеля: для 79 А в воздухе — медь 16 мм² (по ПУЭ табл. 1.3.4 для четырёхжильного кабеля).
Сопротивление одного ТЭНа: R₁ = 380² / 15000 = 9,63 Ом.
Общее сопротивление двух параллельных: R_общ = 9,63 / 2 = 4,81 Ом.

Проверка: при падении напряжения на 5% (до 361 В) мощность каждого ТЭНа снизится до P₁' = 361² / 9,63 = 13,5 кВт. Общая мощность станет 27 кВт вместо 30. Если нужна стабильная мощность — ставьте регулятор или выбирайте ТЭН с запасом по напряжению.

FAQ по схеме подключения двух ТЭНов параллельно

Если вам нужны ТЭНы под конкретную схему включения — параллельную, звезду или треугольник — изготовим по вашим размерам и мощности. Работаем по чертежам, фото или техзаданию, партия от 1 штуки. Срок изготовления типового ТЭНа — 5–10 дней. Обращайтесь в ТЭН-Миасс для расчёта оптимальной конфигурации.