Оболочки для НКУ в аспекте влияния внешних и внутренних факторов

Любое низковольтное комплектное устройство (НКУ), поставляемое в защитной оболочке (шкаф, щит, щиток, ящик, пульт и др.):

• подвергается влиянию внешних факторов (см. рис. ниже), причем из климатических воздействий по степени негативного влияния на эффективность, работоспособность, долговечность, аварийность НКУ можно выделить температуру и влажность;
  
  
  Рис. Внешние факторы, влияющие на эффективность, работоспособность, долговечность, аварийность НКУ.
• создает и изменяет условия эксплуатации внутри защитной оболочки за счет генерации тепловой энергии, электромагнитных возмущений, что сокращает срок службы электронных, электрических, электромеханических компонентов, а также приводит к серьезному повреждению или выходу из строя самой защитной оболочки.

Так, например, исследования показывают, что современный VFD (variable frequency drives - частотно-регулируемый привод) обычно имеет эффективность 93-97 процентов при работе ниже 40 °C, а при повышении температуры на каждый градус выше рабочей эффективность привода снижается на 2 процента и это в «дополнение» к повышению риска отказа оборудования. Еще более проблемной является ситуация с конденсаторными установками повышения коэффициента мощности, особенно фильтровыми (с реакторами, активно генерирующими тепловую энергию) и управлением программируемым логическим контроллером (чувствительным к температуре эксплуатации).

Риски аварийных ситуаций существенно возрастают в случаях, если НКУ используется во влажной среде, что способствует конденсации влаги и коррозионным процессам в электрических, электромеханических, электронных, радиоэлектронных компонентах НКУ, а также в помещениях, процессах с горючими, взрывоопасными средами. Такие проблемы в целом нивелируются технически грамотным проектированием, однако решение может быть достаточно сложным, поскольку:

• частота отказов большинства электронных компонентов зависит от их температуры, но эта зависимость может включать, как максимальную температуру (температурный порог), так и скорость ее изменения.
• каждый блок НКУ или вид, тип электрического (электронного, электромеханического) компонента имеет свою собственную максимальную рабочую температуру, указанную производителем, т.е. реальный «порог» в сборке НКУ будет определяться наиболее «чувствительным» к температуре компонентом, однако:
  - распределение температуры в оболочке неравномерно, как при естественной, так и принудительной вентиляции;
  - на распределение температуры в оболочке будет влиять соотношение размеров, материал и высота (шкафа, щита, ящика), местоположение источника тепла, а также размещение оболочки в помещении.
• на выбор материала, конструктивного решения оболочки, использование (или нет) системы принудительного охлаждения, управления температурным режимом влияет конечная (потребительская) цена НКУ, причем комплектация НКУ в большинстве случаев индивидуальная (по запросу Заказчика), а такое же индивидуальное проектирование увеличивает цену.

Текущая актуальная нормативно-правовая база подбора оболочек НКУ по температурным условиям эксплуатации.

Наиболее полезным и для проектирования, и для Заказчика в аспекте превентивной оценки требуемой оболочки НКУ пока следует признать IEC TR 60890:2022 (IEC Technical Report 60890) «A method of temperature-rise verification of low-voltage switchgear and controlgear assemblies by calculation» (Методика расчетной поверки низковольтных распределительных устройств и устройств управления методом повышения температуры).

В актуальной версии IEC TR 60890:2022 предлагается эмпирически обоснованный метод расчета температуры воздуха внутри низковольтного распределительного устройства и в целом можно предположить, что этот метод может быть применен и для оценки повышения температуры воздуха внутри оборудования среднего напряжения (СН). Однако этот метод предполагает равномерное распределение генерируемой мощности, что в норме близко к реальности для низковольтного оборудования с определенным количеством небольших теплогенерирующих устройств внутри НКУ, но вряд ли относится к оборудованию среднего напряжения, в котором распределение тепла очень неравномерно из-за больших нормируемых изоляционных расстояний и значительной мощности комплектующих.

Кроме того, распределение температуры будет зависеть от:

• размещения источников тепла в оболочке и высоты корпуса НКУ, что наглядно показано на графиках рис. ниже.

  
  
  Рис. Распределение температуры в оболочке НКУ при размещении теплогенерирующего оборудования на высоте в 25%, 50% и 75% от высоты шкафа.

  Видно, что максимально «пологое» распределение температуры внутри будет при расположении теплогенерирующего оборудования посреди НКУ, в случае размещения ниже или выше центра следует ожидать подъема температуры, а значит размещать наиболее «чувствительные» компоненты внизу.

• материала (и обработки) оболочки (из-за особенностей теплопередачи) и мощности теплогенерирующего оборудования (см. таблицу и рис. ниже).

  
  
  Рис. Изменение температуры внутри оболочки при разном материале и способе обработки поверхности шкафа (щита, ящика) и мощности теплогенерирующего оборудования.
  
  
  
  Таблица. Коэффициент теплопередачи (k) для разных материалов оболочек (шкафов, щитов, щитков, ящиков) НКУ.

  Материал шкафа (щита, щитка, ящика, пульта)	Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2*К)
  Неокрашенная сталь	5,5
  Нержавеющая сталь	3,7
  Алюминий	12
  Пластик или термоизолированная нержавеющая сталь	3,5

  
  
• расположения шкафа, щита, щитка, ящика, от которого зависит и площадь теплообмена с окружающей средой.

Так, IEC TR 60890:2022 предлагает формулы расчета площади поверхности эффективного теплообмена для:

- размещенных на расстоянии от стен отдельно стоящего шкафа A = 1.8 (H x W) + 1.8 (H x D) + 1.8 (W x D), шкафа, состыкованного с другим шкафом A = 1.8 (H x W) + 1.4 (H x D) + 1.8 (W x D), шкафа между двумя соседними шкафами A = 1.8 (H x W) + (H x D) + 1.8 (W x D).

- настенных шкафов, щитов, щитков – автономных A = 1.4 (H x W) + 1.8 (H x D) + 1.8 (W x D), в паре с другим шкафом A = 1.4 (H x W) + 1.4 (H x D) + 1.8 (W x D) и между двумя шкафами, щитами, щитками A = 1.4 (H x W) + (H x D) + 1.8 (W x D).

- напольных шкафов у стен - автономных (отдельно стоящих) A = 1.8 (H x W) + 1.8 (H x D) + 1.4 (W x D), в паре с другим шкафом A = 1.4 (H x W) + 1.4 (H x D) + 1.4 (W x D) и между двумя шкафами A = 1.8 (H x W) + (H x D) + 1.4 (W x D).

Тогда, если:

- известны усредненные значения температуры снаружи корпуса Тн и есть плановое значение температуры внутри Твн, то можно найти температурный градиент ΔT (°C) = Твн – Тн;

- мощность электрических и электронных компонентов внутри, то можно найти их суммарную мощность (Component Heating Power) PV в Вт.

Затем находят мощность системы вентиляции (или нагрева) по формулам для НКУ:

• монтажа внутри здания - PH = (A x k x ΔT) - PV (в Вт), где k – коэффициент теплопередачи (из таблицы выше);
• наружной установки PH = 2 x (A x k x ΔT) – PV (в Вт).

Безусловно, расчет является ориентировочным, но позволяет превентивно оценить необходимость в вентиляции (или нагреве) и мощность требуемой системы