Безопасность электрокотлов. На что обратить внимание при покупке?

В электрическом котле есть ряд конструктивных особенностей, игнорирование которых может привести к неприятным последствиям, вплоть до пожара. Рассмотрим, какие компоненты определяют безопасность электрокотла.

Электромагнитные и твердотельные реле

В электрических котлах для управления нагревательными элементами (ТЭН-ами) используется либо электромеханические, либо твердотельные реле/симисторы. К сожалению, обе технологии имеют как достоинства, так и недостатки, поэтому однозначно отдать предпочтение определенному типу реле нельзя.

Основной минус электромагнитных реле (механических) — ограниченный срок службы. По паспорту количество механических циклов срабатываний у реле значительное — порядка 10 млн., однако время жизни электрических контактов обычно указывают порядка 100 тыс. По результатам наших тестов реальное количество циклов срабатываний у реле хороших производителей превышает 150 тыс.

Для твердотельных реле/симисторов количество циклов срабатываний практически неограниченное. Главное обеспечить качественное охлаждение.

Огромный плюс электромеханических реле, что они практически не рассеивают тепло на контактах, т.е. не требуют специального охлаждения. Твердотельным реле и симисторам требуется хорошая система охлаждениия, иначе они перегреваются и выходят из строя. Наиболее распространенный способ охлаждения — крепление симисторов на медном патрубке обратки. Необходимость расеивания тепла от твердотельных реле/симисторов существенно увеличивает стоимость электрокотла, а при плохом проектировании системы охлаждения приводит к выходу из строя.

Электромеханические реле на большие токи стоят относительно недорого (в районе 1 USD) и их несложно приобрести в случае выхода из строя. Качественные симисторы на те-же токи стоят в районе 3 USD за штуку. Трехфазные твердотельные реле — более 1500 руб. за штуку.

С т.з. ремонтопригодности предпочтение стоит отдавать конструкциям котлов, где реле не распаиваются на плату, а крепятся на винтах. Такие реле несложно купить в специализированных магазинах, поэтому заменить можно быстро. Замена платы с распаянными реле — более сложный и дорогой процесс.

Реле выходит из строя несколькими способами:

• Сгорает обмотка электромагнита и реле перестает замыкать контакты при подаче напряжения на катушку.
• На контактах образуется нагар, который ухудшает сопротивление и приводит к разогреву контактов.
• Реле «залипает» — контакты остаются замкнутыми при снятии напряжения с управляющих контактов (электромагнита).

Наибольшую проблему с т.з. безопасности представляет «залипание» реле. При такой неисправности происходит неконтролируемый нагрев ТЭН-а. Если колба в которой находится ТЭН небольшая (малое количество теплоносителя охлаждаюшего ТЭН), скорость протока низкая (скорость на насосе выставлена минимальная), либо протока теплоносителя нет (например, насос вышел из строя), воздух из колбы удален не полностью, то вода в колбе закипит. Такая проблема может привести к оплавлению теплоизоляции и даже возгоранию. В интернете немало фотографий колб таких котлов.

Безопасность электрокотла возрастает, когда электроника может детектировать работоспособность реле (сгорела обмотка или «залипло»). Например, электрокотел Эван Expert Plus обнаруживает неисправное реле и сигнализирует об этой ситуации как на блоке индикации, так и в личном кабинете на сайте. Самодиагностика позволяет оперативно заказать запчасть и спокойно произвести замену, пока котел работает в аварийном режиме, отключая ТЭН-ы с помощью контактора. Такой аварийный режим работы позволяет не отключать котел при возникновении проблемы с реле и безопасно нагревать помещение, чтобы заморозить дом.

Качество реле и его цена определяется в т.ч. количеством серебра на контактах. Чем меньше содержание серебра на контактах, тем выше вероятность «залипания», но ниже цена. В недорогих котлах устанавливаются реле с минимальным количеством серебра, что значительно повышает риск «залипания» и, соответственно, перегрева котла. При выборе электрокотла предпочтение нужно отдавать производителям использующим качественные реле следующих производителей: Hongfa, Sanyou, Omron, TE и др. Например, реле Forward не отличается надежностью.

Контактор

В более дорогих электрокотлах для дополнительной защиты от перегрева колбы используются контакторы (электромагнитные размыкатели) или независимые расцепители. Эти устройства обеспечивают отключение фаз приходящих на ТЭН-ы в случае «залипания» реле. Это дополнительная ступень защиты, которая позволяет избежать перегрева и пожара, если реле вышло из строя.

Контактор — это, по сути, электромагнитное реле, расчитанное на коммутацию значительных токов. Оно имеет мощные контакты, отводящие пружины и электромагнитную катушку, поэтому вероятность «залипания» минимальная.

На корпусе электромагнитного пускателя указывается ток категории AC-3, расчитанный на индуктивную нагрузку. Например, это электромоторы у которых пусковой ток в несколько раз превышает номинальный.

Категория AC-1 подходит для тэнов, ламп накаливания и пр. неиндуктивных или слабоиндуктивных нагрузок c Cosφ ≥0,95. Пусковые токи таких приборов не превышают номинальные.

Например, на фото двух электромагнитных пускателей указаны значения токов AC3 = 9A при 380 V, при этом ток AC1 = 25A.

Электромагнитные пускатели габаритные и стоят дорого. Цена на качественные контакторы ведущих производителей в зависимости от тока находится в районе 1000 руб. Срабатывание электромагнитного пускателя достаточно звучное, но в электрическом котле оно срабатывает один раз при включении. Хотя, если напряжение в сети прерывается, контактор может периодически звонко щелкать.

Электромагнитный пускатель плохо переносит значительную просадку напряжения в сети. При пониженном напряжении катушка электромагнита не может обеспечить хорошее примыкание контактов. На месте плохого контакта начинается разогрев, который приводит, в лучшем случае, к выходу контактора из строя, а в худшем — оплавлению пластика и даже возгоранию.

Для минимизации таких рисков в электрокотлах «Эван» на плате электроники есть отдельный вход для стабилизатора напряжения/ИБП. При запитываниии котла от стабилизированного источника питания защищается не только электроника котла, но и циркуляционный насос и контактор.

Модульные контакторы гораздо более компактные, имеют более субтильные контакты и, соответственно, электромагнит слабее. Срабатывают тихо, почти бесшумно. При этом они менее чувствительны к просадке напряжения, поэтому лучше выживают в условиях плохого энергообеспечения. К сожалению, качественные модульные контакторы стоят существенно дороже, чем электромагнитные пускатели, поэтому применяются в электрокотлах довольно редко.

В некоторых электрокотлах используется независимый расцепитель работающий в паре с автоматом. При подаче напряжения на катушку независимого расцепителя он срабатывает и отключает автомат. Возврат автомата в рабочее состояние дистанционно невозможен. Нужно подойти к котлу и перевести автомат в рабочее положение.

Независимый расцепитель вместе с автоматом стоит дешевле электромагнитного пускателя. Однако, поскольку контактор является усиленным вариантом реле, его можно использовать в случае «залипания» реле, чтобы управлять нагревом ТЭН-ов котла. Такое решение шумное, однако позволяет безопасно эксплуатировать котел даже при «залипании» реле. Можно спокойно дождаться сервисного инженера если на улице минусовая температура. С независимым расцепителем такой фокус не пройдет.

Дешевые электрокотлы ни контакторами, ни электромагнитными расцепителями не оснащаются, поэтому при залипании реле высока вероятность возгорания.

В недорогом котле «Эван» NEXT PLUS есть возможность подключения внешнего контактора для повышения безопасности котла. В этом случае котел будет управлять обмоткой контактора, защищая котел при возникновении аварийной ситуации.

NTC датчик температуры

Для измерения температуры подачи используется аналоговый NTC датчик температуры. Он может ввинчиваться в стенку колбы, чтобы был непосредственный контакт с теплоносителем.

Более простой/дешевый и несколько менее надежный вариант размещения NTC датчика — на медном патрубке подачи/обратки. Такой датчик имеет пружинное крепление в виде клипсы. Для нормального контакта необходимо, чтобы на место контакта была нанесена термопаста. Важно, чтобы патрубок был медным. Теплопроводность стали значительно ниже, кроме того окисление металла также ухудшает теплопередачу. В этом случае растет инерционность в определении температуры теплоносителя. Может возникнуть ситуация, когда теплоноситель уже перегрет, а на датчике ещё нормальная температура.

Когда электроника определяет, что температура в колбе или на патрубке подачи достигла максимальных значений, хотя такого случится не должно при нормально работающих реле, то отключается контактор. Такая ситуация говорит о том, что реле «залипло», нагрев неконтролируемый. Бывают вполне штатные причины такого поведения системы.

Например, если производительности циркуляционного насоса недостаточно (минимальная скорость выставлена для экономии электроэнергии), либо мощность электрокотла выбрана с запасом (нередко бывает ситуация, когда котел приобретается для здания 200 м2, но на этапе строительства им греют 30 м2), то котел может уходить в перегрев. Мощности даже одного ТЭН-а при небольшой системе отопления настолько с избытком, что даже кратковременные включения приводят к перегреву теплоносителя в колбе. В этом случае нужно в настройках котла зарезать мощность и/или увеличивать скорость насоса. В этом случае перегрев штатный, т.е. он не связан с выходом из строя каких-то компонентов электрокотла.

Например, при монтаже не до конца выгнали воздух из системы. Он скапливается в верхней части колбы и приводит к локальному перегреву датчика температуры, который устанавливается вверху, где самая высокая температура. В этом случае возможно также оплавление теплоизоляции, которая не рассчитана на температуры свыше 100 градусов.

Алгоритм нагрева в котле универсальный, под любое помещение. Однако, адаптивности алгоритма не всегда достаточно, чтобы он оптимально работал на любом помещении. Помимо площади здания накладывается масса факторов: гидравлика системы, степень утепления здания (теплопотери), мощность котла, производительность насоса и т.п.

Биметаллический термостат/термореле

При «залипании» реле происходит неконтролируемый нагрев ТЭН-а, который запитывается через это реле. Но даже в этом случае при нормальной работе насоса, ТЭН охлаждается теплоносителем и котел может проработать долго.

Электроника котла, если у неё есть функционал определения залипшего реле, как, например, в котлах Эван Expert+, обнаруживает залипание реле и перераспределяет нагрузку так, чтобы залипшее реле работало постоянно, а остальные ТЭН-ы подключались, когда мощности одного ТЭН-а недостаточно.

Если температура в колбе котла превышает температуру порядка 85-92 градусов — срабатывает аварийный термостат, который разрывает цепь питания электромагнитной катушки контактора. Такое управление контактором происходит, минуя электронику котла. Даже если проблема с неконтролируемым нагревом возникла из-за сбоя электроники, котел защищен от перегрева.

Если в электрокотле нет контактора, то разрывается питание обмоток реле. В случае залипания это не поможет, но если проблема с перегревом возникла из-за некорректной работы электроники — сработает.

В электрокотлах используется несколько конструкции аварийных термостатов.

• Вариант с плоской крышкой. Тогда монтаж на корпус производится на термопасту, при этом колба должна быть из нержавеющей стали, либо алюминия.
• Второй вариант — винтовое соединение, когда термостат ввинчивается на бобышку на корпусе колбы (без непосредственного контакта с теплоносителем). Этот вариант более надежен.
• Третий вариант — на медный патрубок подачи на клипсу.

При использовании колбы из нержавеющей стали или алюминиевого теплообменника вместо контактора иногда используется трехфазный аварийный термостат, рассчитанный на коммутацию больших токов. При превышении температуры такой термостат обесточивает питание ТЭН-ов.

Такие термостаты бывают самовозвратные, когда при остывании колбы происходит коммутация ТЭН-ов и котел продолжает работу. Этот вариант предпочтителен в ситуации, когда отключение котла может привести к заморозке отопления в доме, а ехать далеко. Другой тип термостата — несамовозвратные, которые после срабатывания нужно вернуть в рабочее состояние нажатием на кнопки посередине на корпусе.

В некоторых случаях используется аварийный термостат с креплением на клипсу для установки на медный патрубок подачи.

Такой способ крепления в обязательном порядке требует наличия реле протока. В противном случае, при остановке насоса (вышел из строя) датчик не будет получать актуальную температуру теплоносителя в самом горячем месте колбы, поскольку на патрубке без протока она может отличаться значительно. На колбе уже будет плавится теплоизоляция, а термостат в отсутствии протока будет определять нормальную температуру и не отключать контактор.

Датчик давления/реле давления

Для контроля давления в системе в котле устаналивается либо электронный манометр (датчик давления), либо реле давления. Реле давления отключает ТЭН-ы котла при снижении давления ниже определенной границы.

Для обогрева помещения в системе давление должно быть в диапазоне 1,5 – 2 атм. Если давление падает ниже 0,5 атм, то теплоноситель может подтекать через жиклер воздухоотводчика.

Если в трубы попал воздух, давление падает. Это происходит из-за того, что воздух имеет меньшую плотность в сравнении с теплоносителем. Воздух в системе приводит к падению напора, замедлению движения жидкости, появлению постороннего шума и вибраций, образованию коррозии и может привести к выходу из строя электрокотла.

Попасть воздух в систему может вместе с теплоносителем или вследствие:

• выделения воздуха из теплоносителя при нагреве;
• протечек (плохой герметичности соединительных элементов);
• малой емкости расширительного бака;
• допущенных ошибок при выполнении монтажа отопительной системы;
• и т.д.

Если давление в системе либо снижается ниже заданного уровня, либо возрастает до предельных значений, котел отключается и сигнализирует о проблемах с давлениием.

Датчики давления бывают в различном исполнении. Может быть пластиковый корпус или из нержавеющей стали.

Реле давления визуально похоже на датчик давления, но имеет только два контакта, вместо трех.

Автоматический воздухоотводчик

Автоматический воздухоотводчик ставится в самой высшей точке котла — на колбе и предназначен для своевременного удаления из системы воздуха, чтобы не допустить завоздушивания колбы и перегрева ТЭН-ов. Видео работы воздухоотводчика.

На бюджетных котлах воздухоотводчик не устанавливается. Он входит в состав группы безопасности, которая в обязательном порядке устанавливается снаружи котла.

Сбросной (предохранительный) клапан (сбросник)

Сбросной клапан в котле автоматически удаляет часть теплоносителя, если давление в системе выросло до значений близких к предельным для котла. Видео демонстрирующее работу сбросногно клапана.

На бюджетных котлах сбросной клапан не ставится. Воздухоотводчик + сбросной клапан + манометр образуют группу безопасности котла. Она в обязательном порядке должна быть установлена снаружи котла.

Стабилизатор напряжения/ИБП

Основная причина выхода электроники из строя — проблемы с качеством питания. Возможность запитать электронику котла от стабилизатора или источника бесперебойного питания крайне важна, особенно в условиях, когда качество поставляемой электроэнергии не соотвествует ГОСТ-у. Стоимость электроники котла составляет значительный процент от его стоимости и в случае выхода из строя — стоимость ремонта значительная.

Для защиты котла от высоковольных импульсных перенапряжений рекомендуется устанавливать на вводе УЗИП. Импульсные перенапряжения могут стать следствием попадания молнии в систему молниезащиты или линию электропередач, переключения мощных индуктивных потребителей, таких как электродвигатели, сварочные аппараты и трансформаторы и пр.

Источники бесперебойного питания (ИБП) и стабилизаторы дополнительно защищают электронику от проблем с электропитанием.

В электротронике котла производители используются некоторые элементы защиты, вроде варисторов и разрядников, но заменить ИБП/стабилизатор, конечно, не получится.

Помимо электроники защищать нужно обмотку контактора от просаженного напряжения и обмотку циркуляционного насоса.

Помимо защиты от перепадов напряжения целесообразно предусмотреть защиту от отказа фазы от которой происходит питание электроники. В этом случае целесообразно использовать электронный коммутатор/переключатель фаз, например, ПЭФ-301. Это устройство позволяет запитывать электронику от любой рабочей фазы. Если пропадет фаза от которой запитывается электроника, то даже при рабочих оставшихся фазах котел отключится и в мороз можно заморозить систему отопления.

Реле протока

Если NTC термодатчик и/или аварийный термостат устанавливается на клипсу, то в обязательном порядке должно тестироваться наличие нормального протока теплоносителя через колбу/теплообменник. Для определения наличия протока используется либо реле протока, либо датчик протока.

Это механический прибор, в котором под действием напора теплоносителя либо вращается крыльчатка с магнитом и через геркон передает скорость вращения электронике котла, либо лопатка, которая отклоняется под действием протока. В последнем случае скорость протока не определишь, только наличие. Вот подробное объяснение как работает механизм реле протока. Здесь видео с описанием датчика протока.

Поскольку реле протока — механический прибор, качество его конструкции и производства имеет очень большое значение. При выходе из строя датчика протока котел остановится по ошибке, поскольку в противном случае возможен перегрев котла, вплоть до возгорания.

Выводы

Если свести все компоненты безопасности в таблицу, то она будет такая: