Рассеивание выделяемого тепла в распределительных щитах
После анализа основных источников тепла и мер по ограничению образования тепла ниже описываются способы рассеивания тепла в окружающую среду. Многие из этих соображений взяты из Стандарта МЭК 60890, в котором приведены формулы и таблицы, по которым можно определить превышение температуры в зависимости от конструкции и условий монтажа. В частности, в данной главе рассматриваются вопросы вентиляции распределительного щита, положение его поверхностей, вид внутреннего разделения и степень защиты.
Вентиляция распределительного щита
Для улучшения охлаждения распределительного щита необходимо обеспечить (см.рисунок) и поддерживать нормальную циркуляцию воздуха в распределительном щите. С этой целью, нужно правильно определить размер возможных вентиляционных отверстий и правильно их расположить.
Что касается размеров, Стандарт МЭК 60890 для оценки превышения температуры в низковольтных комплектных устройствах предписывает в отношении оболочек с вентиляционными отверстиями, чтобы поперечное сечение отверстий для выпуска воздуха было в 1,1 раза больше, чем сечение отверстий для поступления. Это требование объясняется большим объемом горячего воздуха (выходящего из распределительного щита) по сравнению с холодным воздухом (входящим в щит)При несоблюдении этого указания поверхность отверстия для поступления воздуха распределительного щита используется не полностью.
Вентиляционные отверстия должны быть расположены так, чтобы достигался эффект “вытяжной трубы”: одно отверстие должно располагаться внизу, на фронтальной части щита, и еще одно отверстие - наверху, на тыльной части, или на “крыше”щита. Важно помнить, что любые отверстия на средней высоте могут снизить эффект “вытяжной трубы”, ослабляя тягу воздуха.
Оборудование в распределительном щите должно располагаться так, чтобы из-за сужений на пути потока воздуха не было чрезмерного затруднения его циркуляции. В случае с выкатными автоматическими выключателями особое внимание следует уделять тому, чтобы не допускать заграждения вентиляционных отверстий в фиксированной части автоматического выключателя.
Боковые поверхности распределительных щитов и их расположение
Необходимо учитывать, что автоматический выключатель осуществляет теплообмен с окружающим пространством через поверхности (верхняя, нижняя и боковые стенки) и, следовательно, при одинаковом уровне рассеивания мощности внутренними компонентами, чем больше поверхность обмена с внешней средой, и чем лучше условия обмена в зависимости от метода установки, тем большее количество тепла отводится. Например, распределительный щит должен быть расположен так, чтобы облегчить циркуляцию воздуха вокруг его наружных поверхностей или же не затруднять ее.
Стандарт МЭК 60890, который, как уже было сказано, предлагает метод оценки превышения температуры в распределительных щитах, не учитывает реальную геометрию внешней поверхности щита, но вводит концепцию эффективной поверхности охлаждения “Ae”, определяемой как сумма отдельных площадей поверхностей (верхней, передней, боковой....) “A0“, умноженной на коэффициент поверхности “b”. Этот коэффициент учитывает рассеивание тепла отдельных поверхностей в соответствии с типом установки оболочки, т.е. различную способность рассеивания тепла в соответствии с положением поверхностей и того, открыты они или закрыты. Значения параметра “b” в отношении различных типов поверхности указаны в таблице.
Виды внутреннего разделения в распределительных щитах
Вид разделения, предусматривается для различных цепей внутри распределительного щита. Разделение выполняется посредством металлических или изоляционных барьеров или перегородок.
Очевидно, что разделение, как правило, ограничивает циркуляцию воздуха внутри распределительного щита, влияя на температуру внутри. Для учета этого явления в таблицах указан коэффициент “d”, который Стандарт МЭК 60890 предлагает использовать в конкретных условиях для определения превышения температуры внутри распределительного щита как функцию количества горизонтальных перегородок в рассматриваемой вертикальной секции.
Из таблиц следует, что горизонтальные перегородки могут вызвать превышение температуры до 30% (3 перегородки без вентиляционных отверстий).
Степень защиты распределительных щитов
Степень защиты IP указывает на защиту оболочки от доступа к опасным частям, от проникновения твердых инородных предметов и воды. Код IP представляет собой систему идентификации степеней защиты на основе предписаний ГОСТ Р 14254-96 (МЭК 60529).
Степень защиты распределительного щита определяет его способность рассеивать тепло: чем выше степень защиты, тем меньше тепла рассеивается распределительным щитом. Поэтому не рекомендуется выбирать высокие степени защиты, если в этом нет необходимости. Кроме того, следует помнить, что определенная степень защиты может быть обеспечена различными способами.
Например, защита от вертикального падения капель воды ((IPX1) может быть реализована такими способами, чтобы это не ухудшало рассеивание тепла и чтобы поддерживался “эффект трубы” внутри распределительного щита.
Рассеивание выделяемого тепла на выводах автоматических выключателей
После исследования основных источников тепла и возможностей рассеивания образованного тепла в распределительном щите необходимо провести анализ возможностей увеличения номинального тока автоматического выключателя путем уменьшения явления локального нагрева рядом с выводами.
На практике, если не была проведена оптимизация рассеивания тепла, очень часто имеют место явления локального нагрева, часто ограничивающие максимальный рабочий ток цепи, даже при низких средних температурах в распределительном щите.
Явления, влияющие на рассеивание тепла выводами автоматического выключателя, это, в основном, конвекция (через воздух, движущийся внутри распределительного щита) и теплопроводность (через шины, соединенные с выводами); эти явления должны рассматриваться с учетом используемых типов выводов и исполнения (стационарное, выкатное или втычное) установленного автоматического выключателя.
Проблемы, связанные с конвекцией
Общий принцип, связанный с явлением конвекции, основанном на конвективном движении воздуха, который при нагревании поднимается вверх, состоит в том, что шины должны быть расположены так, чтобы иметь относительно потока воздуха минимальную площадь поперечного сечения, и чтобы поток воздуха проходил по их наибольшей поверхности, т.е. “гребнеобразная” компоновка. Типология автоматических выключателей, наиболее подходящая для этой конфигурации, - это исполнение с вертикальными задними выводами.
Вот несколько практических соображений относительно способов использования и установки вертикальных задних выводов для автоматических выключателейю Использование этих выводов обеспечивает лучшее рассеивание тепла, так как по сравнению с горизонтальными выводами эти выводы имеют меньшее поперечное сечение по отношению к естественному движению воздуха и большую поверхность для теплообмена. Однако одна из основных проблем при использовании вертикальных выводов состоит в их сложном соединении с системой шин, когда она проходит горизонтально вдоль распределительного щита, а секция шин установлена вертикально. Эта проблема отсутствует в случае с той же системой шин, когда выводы автоматического выключателя горизонтальные, так как и шины, и выводы ориентированы по двум простым плоскостям соединения. Эта концепция будет более понятной при обращении к рисунку.
Вообще говоря, для улучшения теплового режима шин и выводов важное значение приобретает расположение шин; здесь приводится пример решений, которые могут быть использованы.
Следует учитывать, что чем больше расстояние между шинами, тем больше тепла они рассеивают, а верхний средний вывод в этом смысле обычно наиболее проблематичен. Поэтому рекомендуется разделять и поддерживать на возможно большем расстоянии друг от друга соединительные шины (от сборных шин до выводов автоматического выключателя) с тем, чтобы не увеличивался нагрев. Например, в случае трехполюсных автоматических выключателей внешние соединения могут быть смещены относительно выводов, так что расстояние увеличивается.
В случае соединения автоматических выключателей с системой шин, когда фазные сборные шины расположены на разном уровне по вертикали, рекомендуется чтобы места присоединения были как можно ближе к автоматическому выключателю.
Как уже упоминалось, верхние выводы и, особенно, верхний средний вывод, вследствие своего положения, нагреваются до самых высоких температур. Поэтому нужно принять особые меры для улучшения теплообмена этих выводов, например, путем удлинения горизонтальной части верхних соединительных шин по сравнению с нижними шинами.
Дальнейшее увеличение номинального тока цепей может быть достигнуто путем установки нескольких охладителей на соединительных проводниках – между автоматическим выключателем и шинной системой – для улучшения рассеивания тепла или путем обработки шин и охладителей специальными красками, которые позволяют усилить интенсивность тепла, не создавая дополнительной тепловой изоляции поверхности.
Проблемы теплообмена соединительных шин и способы их решения
Кроме теплообмена с окружающей средой посредством конвекции, происходит теплообмен между выводами автоматического выключателя и присоединенными к ним шинами или кабелями. Соединительные шины проводят ток, но и тепло на значительные расстояния. Поэтому при определении их размеров и положения необходимо учитывать эти аспекты.
Теплообмен возрастает как при увеличении поперечного сечения, через которое осуществляется теплообмен (площадь контакта между кабелями или соединительными шинами и выводами автоматического выключателя), так и при увеличении разности температур тел, участвующих в теплообмене. Отсюда следует, что соединительные шины должны эффективно рассеивать тепло для сохранения своей температуры на допустимом уровне. Чтобы получить соединение, обеспечивающее достаточный теплообмен между выводами и системой распределения щита, компания АББ указывает минимальную площадь поперечного сечения кабелей и шин, которые необходимо применять.
Для малогабаритных автоматических выключателей в литом корпусе, не существует значительной разницы между различными типами выводов, в то время как у крупногабаритных автоматических выключателей в литом корпусе предпочтение следует отдавать задним вертикальным выводам, если автоматический выключатель устанавливается в вертикальном положении.
Стационарное исполнение предпочтительнее чем выкатное и втычное исполнения. Если автоматический выключатель был установлен в горизонтальном положении, для определения его номинального тока следует обращаться к самой нижней кривой на графиках.
В качестве примера, в таблице указаны различные значения номинального тока, приведенные в Стандарте DIN 43671, для медных проводников прямоугольного поперечного сечения в установках в помещении, где коэффициент теплопередачи путем излучения принимается равным 0,4 для неокрашенных шин и 0,9 для окрашенных шин. Как можно видеть из таблицы, при тех же условиях в шинной системе, при переходе с неизолированных шин на окрашенные шины происходит увеличение номинального тока, которое может достигать 15%.