التحقق من ارتفاع درجة الحرارة وفق IEC 61439، مساراً مساراً

التحقق من ارتفاع درجة الحرارة هو حيث تتحول جودة تصنيع قضبان التوزيع إلى ملاحظة تدقيق. فكل ما عدا ذلك في التحقق من تصميم مجموعة يمكن حسمه على الورق بيد شخص لم يلمس النحاس قط. أما هذا فلا، لأن الرقم الذي يجري التحقق منه تُنتجه وصلات صنعها مركّب بمفتاح عزم.

ومعظم الإرشادات المنشورة تتوقف عند تسمية المسارات الثلاثة. أما الأجزاء التي تقرر نجاح مشروع فهي الشروط الحدّية على كل مسار، وما الذي يضربه معامل التنويع المقنن فعلاً، وأي متغيرات التصنيع تحرّك النتيجة. والإشارات إلى البنود أدناه هي إلى IEC 61439-1

المسارات الثلاثة

البند 10.10.1 يسردها بوضوح. فالتحقق يجري بواحد أو أكثر مما يلي:

أ) الاختبار، البند 10.10.2. مجموعة مادية، محمَّلة، في مختبر معتمد.

ب) اشتقاق تقنينات لنسخ مشابهة من تصميم مختبَر، البند 10.10.3. مسار المقارنة: لديك أصلاً ترتيب مختبَر وأنت تسند تقنينات لنسخ منه بموجب قواعد معلنة.

ج) الحساب، بطريقتين منفصلتين بسقفَي تيار مختلفين. فالبند 10.10.4.2 يغطي مجموعة أحادية الحجرة لا تتجاوز 630 A؛ والبند 10.10.4.3 يغطي مجموعة لا تتجاوز 1600 A باستخدام طريقة IEC TR 60890.

ويقف قيدان فوق المسارات الثلاثة جميعاً. فكل مسار محدود بترددات مقننة حتى 60 Hz شاملةً بالنسبة لطرق الحساب، وللمجموعات المقننة فوق 60 Hz يشترط البند 10.10.1 التحقق بالاختبار أو بالاشتقاق من تصميم مختبَر عند التردد نفسه. والجمع مسموح ومعتاد: فمجموعة متعددة الأقسام يمكن أن يجري التحقق من أقسامها المختلفة بمسارات مختلفة.

المسار ج) بالتفصيل، لأنه المسار ذو الحواشي الدقيقة

مسار الحساب هو الذي يلجأ إليه معظم المصنّعين، لأنه لا يحتاج مختبراً. وهو يحمل أيضاً الشروط التي تُقصي مشروعاً بعد تجميد التصميم أكثر من غيرها.

طريقة 630 A (10.10.4.2)

ميزان خسائر قدرة. فتُقارَن خسائر القدرة الكلية من المكوّنات والموصلات داخل الغلاف بقدرة الغلاف على تبديدها دون أن يتجاوز الهواء الداخلي أقصى درجة حرارة تشغيل لأي جهاز. سريعة، ومتحفظة، وضيقة.

والشروط، وكلها يجب أن تُستوفى:

• بيانات خسائر القدرة لكل المكوّنات المدمجة متاحة من صانع المكوّن.
• خسائر القدرة موزّعة توزيعاً متساوياً تقريباً داخل الغلاف.
• التيار المقنن لكل دائرة لا يتجاوز 80 % من التيار الحراري الاصطلاحي المقنن في الهواء الطلق (Ith)، أو من التيار المقنن (In)، لأجهزة التبديل والمكوّنات في تلك الدائرة.
• الأجزاء الميكانيكية والمعدات المركّبة لا تعوق دوران الهواء بشكل ملحوظ.
• الموصلات التي تحمل أكثر من 200 A، والأجزاء الإنشائية المجاورة، مرتبة لتقليل خسائر التيارات الدوامية والتخلفية.
• كل الموصلات لها مقطع أدنى مبني على 125 % من تقنين التيار المسموح للدائرة المرتبطة بها.
• ارتفاع درجة حرارة الغلاف كدالة لخسائر القدرة المركّبة معلوم، سواء من صانع الغلاف، أو من اختبار وفق 10.10.4.2.2، أو من صانع معدات التبريد حيث يكون التبريد الفعّال مركّباً.

طريقة 1600 A (10.10.4.3)

خفض التقنين نفسه بنسبة 80 % وقاعدة 125 % للموصلات، مع تحديد ارتفاع درجة الحرارة نفسه بطريقة IEC TR 60890 لا بميزان خسائر قدرة بسيط. وتضيف شرطين هندسيين يلتقطان التصاميم متعددة الحجرات:

• لا يوجد أكثر من ثلاثة حواجز أفقية في المجموعة أو في القسم قيد التقييم.
• للأغلفة ذات الحجرات والتهوية الطبيعية، يكون مقطع فتحات التهوية في كل حاجز أفقي 50 % على الأقل من المقطع الأفقي للحجرة.

وفوق 1600 A ينغلق مسارا الحساب معاً. فأنت على الاختبار أو على الاشتقاق من تصميم مختبَر، وذلك قرار يُتخذ قبل أن تبني لا بعده.

والمواصفة صريحة في سبب وجود الهوامش: فالبند 10.10.4.1 ينص على أنه لمّا كانت درجات الحرارة الموضعية الفعلية للأجزاء الحاملة للتيار غير قابلة للحساب بهذه الطرق، فبعض الحدود وهوامش الأمان ضرورية ومدرجة. وخفض التقنين بنسبة 80 % وتحجيم الموصلات بنسبة 125 % هما ذانك الهامشان. وليسا تحفّظاً يمكنك دحضه بتحليل أفضل.

خفض التقنين بنسبة 80 % عملياً

خفض التقنين ليس ملاحظة في الملف. بل يغيّر قائمة المواد.

فدائرة 200 A لا تستطيع استخدام جهاز 200 A. بل تحتاج جهازاً تقنينه في الهواء الطلق 250 A على الأقل، مضبوطاً أو مثبَّتاً عند 200 A، أو هيكلاً أكبر مضبوطاً أدنى. وخسارة القدرة المستخدمة في الحساب هي الخسارة عند 200 A، لكن الجهاز نفسه يجب أن يكون هيكل 250 A فما فوق. وقاعدة الموصلات تفاقم ذلك: فدائرة قضبان توزيع رئيسية 200 A تُحجَّم على 1.25 × 200 = 250 A، وذلك ينطبق على كل موصل داخلي في المجموعة.

ثم التكرار. فمقاطع الموصلات تُختار أولاً لحرارة هواء داخلي مفترضة. وبمجرد أن ينتج الحساب حرارات هواء فعلية، قد تحتاج المكوّنات والموصلات إلى تغيير ويُعاد تشغيل الحساب. ومرتان أو ثلاث هو المعتاد، وكل مرة قد تحرّك مقاس القضيب، وهو ما يحرّك نمط الثقوب، وهو ما يحرّك الأدوات. احسم مسار التحقق قبل تفصيل النحاس، لا بعده.

معامل التنويع المقنن، وما يفعله فعلاً

معامل التنويع المقنن أكثر مصطلح يُساء فهمه في المواصفة، ومعظم سوء الفهم يأتي من افتراض أنه خصم يُطبَّق داخل الحساب. وهو ليس كذلك.

يعرّفه البند 5.4: القيمة لكل وحدة من التيار المقنن، يسندها صانع المجموعة، والتي يمكن عندها تحميل الدوائر الخارجة باستمرار وفي وقت واحد، مع مراعاة التأثيرات الحرارية المتبادلة. ويمكن ذكره لمجموعات من الدوائر أو للمجموعة كلها. وبندان في التعريف يؤديان العمل. فمعامل التنويع المقنن مضروباً في التيار المقنن للدوائر يجب أن يساوي التحميل المفترض للدوائر الخارجة أو يزيد عليه، ومعامل التنويع المقنن ينطبق والمجموعة تعمل عند تيارها المقنن InA.

فمعامل التنويع المقنن تقنين معلَن، لا مُدخل حساب. ويضعه البند 10.10.1 بدقة: فقدرة حمل التيار للدوائر التي يجري التحقق منها يحددها التيار المقنن ومعامل التنويع المقنن. إنه يعرّف ما الذي تتحقق منه.

أين يدخل معامل التنويع المقنن في مسار الاختبار

في طرق الاختبار يكون معامل التنويع المقنن صريحاً ومادياً.

• البند 10.10.2.3.5، التحقق من المجموعة الكاملة: تُحمَّل الدوائر الداخلة والخارجة عند تياراتها المقننة، وهو ما تنص المواصفة على أنه يكافئ معامل تنويع مقنن قدره 1. سريع، ومتحفظ، ولا يثبت شيئاً عن التنويع لأنه لم يفترض أي تنويع.
• البندان 10.10.2.3.6 و10.10.2.3.7 د): يجري التحقق من المجموعة بتحميل الدائرة الداخلة إلى تيارها المقنن والوحدات الوظيفية الخارجة إلى تيارها المقنن مضروباً في معامل التنويع. وهنا يُكتسَب فعلاً معامل تنويع مقنن معلَن دون 1.

ويعرض الملحق O المقايضة: فالطريقة أ) تحتاج أقل عدد من الاختبارات لكن ترتيب الاختبار أشقّ من اللازم والنتيجة تنطبق على ذلك الترتيب وحده.

وأين لا يدخل: مسار الحساب

يقول بندا الحساب الشيء نفسه: خسائر القدرة الفعّالة لكل الدوائر بما فيها الموصلات الرابطة تُحسَب انطلاقاً من التيار المقنن للدوائر. ولا يوجد مضاعِف لمعامل التنويع المقنن. والتنويع يدخل من باب مختلف. فخسارة القدرة الكلية تُحسَب مع مراعاة أن إجمالي تيار الحمل محدود بالتيار المقنن للمجموعة.

والملاحظة المحسوبة في المواصفة نفسها تجعل ذلك ملموساً. فمجموعة أحادية الحجرة مقننة عند 100 A، محدودة بقضبان التوزيع، مركّب فيها 20 دائرة خارجة يُفترض أن كلاً منها 8 A. فتُحسَب خسارة القدرة الفعّالة الكلية لـ 12 دائرة خارجة عند 8 A لكل واحدة، لأن 12 × 8 = 96 A هو ما سيوزّعه تقنين الدخول 100 A فعلاً. اثنتا عشرة دائرة بحمل كامل، لا عشرون دائرة عند معامل تنويع.

وذلك التمييز هو التمييز العملي. فالإرشادات المنشورة من BEAMA حول التحقق بغير الاختبار تضعها بأوضح ما وضعها أحد: معامل التنويع المقنن لا يُؤخذ في الاعتبار عند التحقق من ارتفاع درجة الحرارة بالحساب، وتُستخدم أشقّ تركيبة خسائر قدرة لدوائر تعمل عند تيارها المقنن لتوزيع التيار المقنن للمجموعة. فمن كان يطبّق خصم معامل تنويع مقنن داخل جدول بيانات TR 60890 كان يحسب ارتفاع درجة حرارة أدنى مما تسمح له المواصفة بادعائه.

القيم الجدولية

حيث لم يتفق المصنّع والمستخدم على تيارات حمل فعلية، تعطي أجزاء المنتجات قيماً احتياطية للتحميل المفترض، مفهرسة على عدد الدوائر الرئيسية أو الخارجة. ففي الجزأين 1 و2 تبدأ القيمة عند 1,0 لدائرة داخلة وتنزل درجةً درجة مع ارتفاع عدد المخارج، بالغةً 0,6 عند عشر دوائر فأكثر. وفي الجزء 3، للوحات التوزيع التي يشغّلها أشخاص عاديون، يقع السلّم درجةً أدنى في كل مواضعه وينتهي عند 0,5.

ورقم 0,4 يتداول على نطاق واسع على الإنترنت كقاع لهذا النطاق. وهو لا يظهر في قيم التحميل المفترض الجدولية في الأجزاء 1 أو 2 أو 3. وللمصنّع طبعاً أن يعلن معامل تنويع مقنناً أدنى من الاحتياطي الجدولي، لأن معامل التنويع المقنن يسنده المصنّع والجدول لا ينطبق إلا في غياب اتفاق. لكن إن استشهدت مواصفة بـ 0,4 على أنه آتٍ من المواصفة القياسية، فاسأل من أين.

والملحق E من الجزء 1 يعمل أمثلة عند قيم معامل تنويع مقنن مثل 0,68. والرقم ليس رقماً مستديراً من جدول؛ بل يخرج من حساب التحميل.

الحدود التي تتحقق مقابلها

الجدول 6 من IEC 61439-1 يقول أكثر من الرقمين اللذين يُقتبسان منه عادةً.

فالأطراف المخصصة للموصلات المعزولة الخارجية محدودة بـ 70 K. والحاشية تقيّد ذلك مرتين. فقيمة 70 K مبنية على الاختبار الاصطلاحي في البند 10.10، والمجموعة المستخدمة تحت شروط تركيب حقيقية قد تكون فيها توصيلات يختلف نوعها وترتيبها عن الاختبار، فينتج ارتفاع درجة حرارة مختلف عند الطرف قد يكون مطلوباً أو مقبولاً. وحيث تكون أطراف مكوّن مدمج هي أيضاً أطراف الموصلات المعزولة الخارجية، يحكم الأدنى من الحدّين المنطبقين: حدّ صانع المكوّن و70 K، بأخذ الأصغر.

وقضبان التوزيع والموصلات لا تحصل على رقم واحد في الجدول. فالصف ينص على أن الحدّ تحدده المتانة الميكانيكية للمادة الموصلة، والآثار الممكنة على المعدات المجاورة، وحدّ الحرارة المسموح لمواد العزل الملامسة للموصل، وأثر حرارة الموصل على الجهاز الموصول به، وبالنسبة للتلامسات القابسية، طبيعة مادة التلامس ومعالجة سطحها.

وترد 105 K في الملاحظة ز، كسقف فوق تلك المعايير: فبافتراض استيفاء كل المعايير المسرودة، يجب ألا يُتجاوز ارتفاع درجة حرارة أقصاه 105 K لقضبان التوزيع والموصلات النحاسية العارية. وتعطي الملاحظة 1 السبب: فـ 105 K مرتبطة بدرجة الحرارة التي يُرجَّح فوقها حدوث تلدين النحاس. إنه حدّ ميتالورجي. ابلغه فيلين القضيب، وذلك نمط فشل ميكانيكي لا كهربائي.

وافتراضات الحرارة المحيطة تقع تحت ذلك كله. فحدود الجدول 6 تنطبق عند متوسط حرارة هواء محيط حتى 35 °C في الخدمة. ويضيف الملحق O الذروة: متوسط يومي وذروة لحرارة المحيط لا يتجاوزان 35 °C و40 °C على التوالي. وأثناء الاختبار نفسه يجب أن تكون الحرارة المحيطة بين 10 °C و40 °C، مقيسةً بمستشعرين على الأقل حول المجموعة عند نصف ارتفاعها تقريباً وعلى بُعد نحو 1 m، محميين من تيارات الهواء ومن الإشعاع.

وثمة قراءتان عمليتان. الأولى أن سقف 105 K نادراً ما يكون القيد الملزم. فمادة العزل الملامسة للقضيب، أو الجهاز الذي يحطّ عليه القضيب، تعضّ أولاً عادةً. والثانية أن المجموعة الذاهبة إلى بيئة أسخن من متوسط 35 °C تحتاج تكييف حدودها، ويلاحظ البند 9.2 أنه إن غُيّرت الحدود لتغطية حرارة محيط مختلفة، فقد تحتاج التيارات المقننة لقضبان التوزيع والوحدات الوظيفية إلى تغيير معها.

ماذا يكلف كل مسار وكم يستغرق

قوائم الأسعار المنشورة لاختبار ارتفاع درجة الحرارة المعتمد غير موجودة، لأن الكلفة يهيمن عليها عدد ترتيبات الاختبار وما عليك بناؤه. وبنية الكلفة هي ما تحتاجه للقرار على أي حال.

• الاختبار: تبني مجموعة أو أكثر ممثِّلة بأشقّ ترتيب، وتشحنها، وتدفع مقابل وقت المختبر. ويستمر الاختبار حتى يبلغ ارتفاع درجة الحرارة قيمة ثابتة، وهو ما يعرّفه البند 10.10.2.3.1 عملياً بأن التغيّر عند كل النقاط المقيسة، بما فيها المحيط، لا يتجاوز 1 K/h. وذلك عادةً معظم يوم عمل لكل ترتيب، قبل التجهيز بالأجهزة والإعداد. ويُوصَّل التيار عبر موصلات اختبار تحددها المواصفة بالتفصيل. وفوق 800 A يعني ذلك قضبان نحاس بمقاسات معلنة بأطوال توصيل دنيا قدرها 3 m، قابلة للتقليص إلى 2 m فقط بشرط حراري معلن. وفوق 4000 A يحدد المصنّع الأصلي الترتيب ويصبح جزءاً من التقرير. والكلفة يهيمن عليها بناء العينة وعدد الترتيبات. والتأخير يهيمن عليه زمن انتظار المختبر، أشهر لا أسابيع في العمل عالي التيار. لا تحجز الموعد قبل أن تُصنع وصلاتك بالطريقة التي ستُصنع بها في الإنتاج.

• الاشتقاق من تصميم مختبَر: أرخص وأسرع حيث تملك أصلاً التصميم المختبَر، ولهذا يبيعه موردو أنظمة المجموعات ضمن الحزمة. ابقَ داخل قواعده ويكون معظم العمل منجَزاً. اخرج عنها وتعود إلى الاختبار.

• الحساب: لا مختبر، فالكلفة وقت هندسي زائد بيانات مكوّنات. والكلفة غير المرئية هي جمع البيانات: فالشرط أ) يتطلب بيانات خسائر قدرة لكل المكوّنات المدمجة، ومطاردة ذلك من كل مورّد جهاز لقائمة مواد مختلطة تستغرق أطول مما يستغرقه الحساب. ارصد أياماً لا ساعات لأول مجموعة، وأقل بعد ذلك مع تراكم بيانات المكوّنات. والخطر الحقيقي هو اكتشاف عند نهاية التكرار أنك احتجت هيكلاً أكبر أو قضيباً أكبر، فأجرِ تمريرة تقريبية مبكراً.

لماذا تحسم جودة التصنيع النتيجة

كل مسار يقيس في النهاية الشيء المادي نفسه، والبند 10.10.2.3.3 يسمّيه مباشرة: يجب إيلاء عناية خاصة للوصلات في الموصلات والأطراف داخل الدوائر الرئيسية. فالوصلات نقاط قياس مسمّاة.

ولمقاومة الوصلة جزآن. مقاومة الانتشار، من انحراف التيار عبر التراكب، وهي دالة لنسبة التراكب إلى السماكة ولنمط الثقوب: فثقوب البراغي عبر عرض القضيب تعاقبها أكثر مما تفعل الثقوب المصطفّة على امتداد طوله. ومقاومة التلامس دالة لحالة السطح وللضغط.

ومساحة التلامس ليست مساحة التراكب. فنحو 1 % فقط من التراكب الظاهري يوصّل، عبر تلامسات خشونات متفرقة. ومقاومة التلامس تهبط بحدّة مع الضغط حتى نحو 10 N/mm² وتستوي حول 30 N/mm²؛ ودون نحو 7 N/mm² لا يُنصح بالتشغيل إطلاقاً. ولمّا كان الضغط غير قابل للقياس في الميدان، فهو يُستنتج من العزم عبر معامل الصامولة، الذي يتباين من نحو 0.20–0.22 جافاً نزولاً إلى 0.15–0.16 مع مزلّق حدّي. فضبط المفتاح نفسه على أسنان مشحّمة يعطي شدّاً مسبقاً أكبر بنحو 30 % مما يعطيه على أسنان جافة. ويجب أن تأتي قيم العزم وتعليمات التزييت من المصدر نفسه، وإلا فالرقم في إجراءاتك خيال.

وتحضير السطح أرخص المتغيرات وأكثرها تخطياً. فينبغي أن تكون الأوجه مستوية ومجلوخة حديثاً قبل التجميع مباشرة، حتى يفكّك ضغط التثبيت الأكسيد ويشكّل تلامساً معدنياً مباشراً عند أكبر عدد ممكن من النقاط. والنتوء المتروك على وجه الوصلة يفعل العكس: فهو يُبقي القضبان متباعدة، ومساحة التلامس التي حسبتها ليست مساحة التلامس التي تحصل عليها. ولهذا تنتمي إزالة النتوءات إلى مسار العملية لا إلى يدي المركّب، ولهذا يوجد خط مثل BND800-2 يعالج قضباناً بسماكة 0.5 إلى 50 mm بسرعة 5 إلى 30 m/min أصلاً.

والبصم هو الرافعة الأخرى، وهي المُبخَسة الاستعمال. فرفع أرض تلامس مضبوطة يركّز الشدّ المسبق المتاح للبرغي على مساحة محددة ومستوية بدل تركه ينتشر عبر تراكب قد يكون في تلامس وقد لا يكون. وحيث تكون وصلة حدّية حرارياً، يكون تصميم أرض تلامس جواباً أفضل عادةً من إضافة برغي آخر.

ودقة نمط الثقوب تصبّ مباشرة في كل ما سبق. فخطأ التباعد عبر وصلة متعددة البراغي يعني براغي تتصارع في ثقوب أكبر من اللازم وشدّاً مسبقاً موزّعاً بشكل غير منتظم. والتثقيب الذي يحافظ على الموضع بإحكام لا يكلف شيئاً إضافياً للثقب الواحد ويزيل متغيراً من اختبار تدفع لمختبر مقابله. ومركز تشغيل مثل IMAC-CENTER 80 يعمل بدقة ±0.05 mm. وتغطي صفحة عملية التثقيب جانب الأدوات، ويغطي مقال أنماط الثقوب مسافة الحافة والتباعد.

قبل أن تلتزم بمسار

حجّم القضيب مقابل مصدر تقنينات بمعاملات تصحيحه سليمةً لا مقابل جدول عند شرط مرجعي. فـDIN 43671 تقنّن قضبان النحاس عند 35 °C حرارة محيطة و65 °C حرارة قضيب، مع تصحيحات للحرارة المحيطة من 0 إلى 60 °C، وحرارة تشغيل حتى 125 °C، ومعاملات لترتيب القضبان ولعددها في الوجه الواحد. وداخل غلاف عند 55 °C هواء داخلي، تكون تلك التصحيحات هي الفرق بين قضيب يجتاز التحقق وقضيب لا يجتازه.

وحاسبة سعة تيار قضبان التوزيع لدينا تطبّق التصحيحات بدل افتراض الشروط المرجعية. وحيث تكون المجموعة ذاهبة إلى سوق أمريكية شمالية، تتغير الحدود تماماً ويتغير القضيب معها. وتلك المقارنة في UL 891 مقابل IEC 61439.