Под электрооборудованием я в первую очередь сейчас понимаю электрические сборки в виде шкафов, щитов, ячеек.
Есть два аспекта, которые заставляют конструкторов и проектировщиков обращаться к вопросу тепловыделений от электрооборудования. Первый касается микроклимата внутри щита, второй — системы вентиляции помещения, где оно размещается. Существует распространенное заблуждение, что если такое оборудование спроектировано хорошо, то его тепловые потери весьма незначительны. Иногда в качестве примера (он же доказательство) приводят старые подстанции, где охлаждение сугубо естественное, а из всех климатических систем присутствуют только вентиляционные решетки. Все так, но с тех давних пор кое-что в элементной базе, да в строительных решениях изменилось.
Вместе с тем ситуация осложняется тем, что величина тепловыделений штука непостоянная, на практике зависит от множества факторов. Ну, например, от фактически протекающей по оборудованию мощности, качества его сборки, принятых технических решений. Служба эксплуатации не даром взяла привычку обходить свое хозяйство с тепловизором. Потому как сейчас это только теплопотери, что неприятно и дорого, но не смертельно. А потом — задорный пожар и много материальной ответственности.
Помнится мы разрабатывали ячейку КСО на вакуумном выключателе и решили ее сертифицировать по-честному — средний вольт все-таки. Вакуумник был от очень популярной и известной компании, продукция которой и сейчас на нас смотрит из каждого распределительного устройства 6-10кВ. Смонтировали его в полном соответствии с инструкцией. Отвезли готовую ячейку на испытания, а испытывают ее на мощностях, близких к номинальным параметрам. Облом — тепловые испытания не проходим, места соединения шин и выключателя греются не по-детски. Все проверили еще раз — все по нормам и как требует завод-изготовитель. И главное, ничего и не изменить — конструктив выключателя не позволяет электрический контакт увеличить. Токопроводящая смазка не помогла. Почесали затылки, да поставили туда на шины радиаторы — ситуация выправилась, испытания позволила пройти. Но скажите, знатоки электрооборудования — часто вы в ячейках КСО, КРУ видите радиаторы?
А еще в среде проектировщиков нет четкого понимания, кто должен тепловыделения считать. Возьмем технологическое оборудование — технолог запрашивает данные у изготовителя оборудования, либо использует различные хитрые методики. В любом случае, он выдает задание специалисту ОВ исходные данные. С электрооборудованием я видел разный подход — иногда какие-то цифры придумывает вентиляционщик, иногда муками выбора страдает электрик, автоматчик. И как не спросишь кого — вот как эти цифры вы получили, в ответ: экспертная оценка, йопта.
Еще одна проблема в том, что если страховаться, оценивать потери исходя из полной номинальной мощности, то цифры получаются такими большими, что систему вентиляции делать тоже болезненно и затратно. А на практике она будет, конечно, избыточной… ну при условии отсутствия грубых ошибок разработчиков и нарушений эксплуатации.
Давайте кратко вспомним, откуда вообще берутся тепловыделения. Для каждого электрического аппарата характерно протекание в нем электрического тока и выделения на токоведущих частях определенного количества теплоты за счет сопротивления. В общем случае его можно прикинуть по известной формуле.
В формуле используются следующие переменные:
Значение сопротивления (не учитывает вестимо сопротивления электрических контактов), которое как вы видите, зависит от температуры проводника (справочное значение), значение взято из какого-то каталога Rittal. Была такая немецкая компания, которая нынче нашу страну покинула. Ну как… привезти ее продукцию до сих пор можно, но на фиг кому нужно. Раньше у них была только одна позиция, над которой все ржали — бетонный цоколь, теперь же все их когда-то знаменитые шкафы стали сродни тому цоколю: дорого настолько, что проще сделать самим. Но надо отметить, что одно время они распространяли неплохую программку RiTherm, которая позволяла считать тепловыделения шкафа и позволяла подбирать систему его охлаждения, естественно, из компонентов собственного производства.
Если оборудование работает в аварийном режиме (перегрузка, короткое замыкание), то протекающий ток может многократно превышать номинальный. Конечно, для целей вентиляции эти теплопотери (благо, они при правильно подобранном защитном оборудовании они кратковременные) никто не считает, адресую возможную проблему уже пожарнику (см. "Какой раздел проектной документации требует особого внимания").
Можно вспомнить, что при переменном токе потери вообще-то больше за счет поверхностного эффекта и эффекта близости. Но про них читатель при желании может прочитать сам.
Иные тепловые потери характерны для различного индуктивного оборудования (трансформаторы, фильтры, реакторы). В магнитных материалах, находящихся в переменном магнитном поле, возникают потери, обусловленные появлением вихревых токов и гистерезисов. Там формула расчета куда неприятнее, содержит величину частоты, индукцию, разные коэффициенты… Но как правило, для заводских изделий величина потерь определена производителем.
Когда должен напрячься конструктор щита? Во-первых, когда у используемых им компонентов есть критические температурные диапазоны использования. Так различные панели, ЖК-индикаторы не любят холод, а микропроцессорные элементы еще и жару. Во-вторых, когда в его шкафу присутствуют блоки со своей вентиляцией: ИБП, частотники, устройства плавного пуска и т. д. В наличие всякие тормозные резисторы, различное индуктивное оборудование. В любом из этих случаев конструктору следует считать все суммарные тепловыделения от каждого элемента (по данным заводов-изготовителей, по аналогам) и, видимо, закладывать вспомогательную систему поддержания микроклимата внутри изделия. Как считать, смотри чуть дальше.
Давайте, пройдется по основным типам электрооборудования, которое может быть сконцентрировано в электропомещениях и щитовых.
Тепловыделения от трансформаторов
Методики расчета, а часто с примерами, но главное — с необходимыми справочными данными дают непосредственно изготовители такого оборудования.
В общем случае формула для оценки следующая.
Например, для случайного ТМЗ-1600кВА, который у меня появился в поиске, потери могут составить 37 кВт. Другое дело, что для сухих трансформаторов потери получаются куда больше, чем для масляных. С ними вообще нужно быть очень внимательными, так как без системы принудительной вентиляции их использовать, как правило, нельзя.
А теперь случай из практики про то, как печально, когда сочетание факторов и отсутствие общего комплексного подхода к принятию технических решений способно привести к неприятностям.
Силовой сухой трансформатор большой мощности, где в инструкции дан расчет системы вентиляции для него, размещается в блок-контейнере. При этом по старинной доброй традиции для отсеков с трансформаторами утепление не предусматривают. Электрик считает производительность вентиляторов, площадь решеток. Специалист ОВ видит расчет и радостно умывает руки. Все это дело изготавливается, поставляется на объект и даже сдается в эксплуатацию. Уже догадались, что будет дальше? Добро пожаловать в комментарии.
И да, согласно ПУЭ (п.4.2.102): «вентиляция помещений трансформаторов и реакторов должна обеспечивать отвод выделяемой ими теплоты в таких количествах, чтобы при номинальной их нагрузке (с учетом перегрузочной способности) и максимальной расчетной температуре окружающей среды нагрев трансформаторов и реакторов не превышал максимально допустимого». Официально допустимая перегрузочная способность указывается либо в инструкции по эксплуатации, либо в ПТЭЭП.
Тепловыделения силовых низковольтных комплектных устройств (НКУ), шинопроводов
Я видел методику расчета, где потери рассчитываются исходя из длины щита НКУ или шинопровода. Так тепловыделения определяются, как произведение длины изделия (в м) на величину удельных теплопотерь: для щитов 0,4кВ и щитов постоянного тока — 0,12 кВт/ 1 п.м; для закрытых комплектных трехфазных шинопроводов — до 1,5 кВт/ 1 п.м. При этом в другой методике от «Тяжпромэлектропроект» для укрупненного расчета предполагалось закладывать около 0,2-0,25кВт на один шкаф НКУ.
Я в своих укрупненных расчетах я ориентируюсь на РД 22.18-355-89 (далее РД), где указано что для силовых НКУ в пределах электропомещения в качестве теплопотерь следует принимать 0,25% передаваемой ими мощности — расчетной, естественно. Тепловые потери по всей длине шинопровода (в электропомещении) следует принимать 2% для всей его длины.
Тепловыделения щитов автоматики
Как правило, шкафы автоматики как раз содержат свои системы поддержания микроклимата, то есть производитель производит какую-то свою оценку тепловыделений от входящего в их состав оборудования и может по запросу предоставить данные. Если нет, то я сталкивался с неким экспертным мнением, что надо учитывать не менее 0,5 кВт на щит. Я даже примерно догадываюсь, как она могла получиться (взяли 0,25кВт на щит и на всякий случай умножили на 2). Но в реальности, конечно, разница с фактическим расчетом может быть очень значительной.
При приблизительном расчете, если нет данных от производителей компонентов, я, например, считаю так (ни на что не претендую — если нужна точность, то травмируйте производителей и суммируйте данные от них):
1) для оценки потерь на автоматах, проводах, иных электрических соединениях можно считать потери в 0,2 кВт (как для обычного НКУ);
2) тепловые потери катушек контакторов и реле считаю равными мощности источника питания, питающего цепи управления;
3) для ПЛК — согласно данным изготовителя или 50% от мощности источника его питания;
4) для блоков питания, бесперебойников, частотных преобразователей и т. д. Pп = P(1-η)/η, где Р — мощность блока питания или частотника, η — его КПД;
5) ну и запас в 5-30%, куда без него (максимальное значение, если ЧП работают с двигателями в тяжелом режиме).
Про программу от Rittal я уже писал выше, можете поискать. Далее по ссылке сходный калькулятор от IEK, который на момент написания статьи исправно работал. Как вы понимаете, данные, полученные с помощью таких инструментов имеют также оценочный характер.
Тепловыделения установок компенсации реактивной мощности
В методике от «Тяжпромэлектропроект» приводятся следующие данные тепловыделений от конденсаторных установок: 0,004кВт на 1 кВАр для установок до 1000В и 0,003кВт на 1 кВАр для установок выше 1000В.
В РМ есть следующие указания:
Но УКРМ обычно ставят с фильтрами (ну если не хотят приключений с тушением пожара). Такие установки выделяют куда больше тепла. Согласно каталогу, например, ушедшей от нас ШнайдерЭлектрик, потери мощности для установок с дросселями составляют 6Вт/кВАр.
Тепловыделения высоковольтного оборудования
В РД на этот счет дано указание:
Я при расчетах исхожу, что вводные ячейки нагружены в номинал, а отходящие линии на 20-30%. Альтернативная методика предлагает грубо считать исходя из удельного значения потерь 0,27 (для шинопровода — 0,26) кВт/ 1 п.м.
Если вдруг статья оказалась полезной, то Вы можете даже поблагодарить автора.
Источники, дополнительная информация:
1. Родштейн Л. А. Электрические аппараты: Учебник для техникумов. — 4-е изд., — Л. Энергоатомиздат., 1989. — 304 м.: ил.
2. РД 22.18-355-89 «Методика определения тепловыделений от электротехнического оборудования», ГИПРОНИИСТРОЙДОРМАШ.
3. «Правила устройства электроустановок» (ПУЭ).
4. «Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей» (ПТЭЭП).
5. «Тепловые потери во внутрицеховых комплектных трансформаторных подстанциях», инструктивные материалы Тяжпромпроекта № 2 за 1982 год
6. Исследование теплопоступлений от ПЭВМ в помещении (https://www.c-o-k.ru/articles/issledovanie-teplopostupleniy-ot-pevm-v-pomeschenie)
7. Конфигуратор подбора климатического оборудования IEK(https://www.iek.ru/products/configurators/enclosure-climate/)
Уважаемые коллеги, желаю хорошего дня. Подписывайтесь, чтобы иметь возможность обсудить со мной вашу задачу в комментариях. Буду рад лайку, альтернативному мнению или истории по теме статьи.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ №1: Оценки, суждения и предложения по рассматриваемым вопросам являются личным мнением автора.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ №2: Техническая информация, представленная на сайте, не является официальной и предоставлена только в целях ознакомления. Владелец сайта не несет никакой ответственности за риски, связанные с использованием информации, полученной из данного источника.
Все изображения, если не указано иное, либо выполнены автором, либо взяты из открытых источников.
