Weryfikacja przyrostu temperatury według IEC 61439, droga po drodze

Weryfikacja przyrostu temperatury jest miejscem, w którym jakość obróbki szyn prądowych staje się ustaleniem audytu. Wszystko inne w weryfikacji projektu zestawu da się rozstrzygnąć na papierze przez kogoś, kto nigdy nie dotknął miedzi. Tego nie, bo weryfikowaną liczbę wytwarzają połączenia, które monter wykonał kluczem dynamometrycznym.

Większość publikowanych wytycznych kończy się na wymienieniu trzech dróg. O powodzeniu projektu decydują natomiast warunki brzegowe każdej z nich, to, co naprawdę mnoży współczynnik jednoczesności, oraz to, które zmienne produkcyjne przesuwają wynik. Powołania na punkty odnoszą się poniżej do IEC 61439-1

Trzy drogi

Punkt 10.10.1 wymienia je wprost. Weryfikację przeprowadza się jednym lub kilkoma z poniższych sposobów:

a) Badanie, punkt 10.10.2. Fizyczny zestaw, obciążony, w akredytowanym laboratorium.

b) Wyprowadzenie parametrów znamionowych dla podobnych odmian z projektu zbadanego, punkt 10.10.3. Droga porównawcza: masz już zbadany układ i przypisujesz parametry jego odmianom według określonych zasad.

c) Obliczenie, dwiema odrębnymi metodami o dwóch różnych granicach prądowych. Punkt 10.10.4.2 obejmuje zestaw jednoprzedziałowy o prądzie nieprzekraczającym 630 A; punkt 10.10.4.3 obejmuje zestaw nieprzekraczający 1600 A, metodą według IEC TR 60890.

Nad wszystkimi trzema stoją dwa ograniczenia. Każda droga jest w metodach obliczeniowych ograniczona do częstotliwości znamionowych do 60 Hz włącznie, a dla zestawów o częstotliwości znamionowej powyżej 60 Hz punkt 10.10.1 wymaga weryfikacji badaniem albo wyprowadzenia z projektu zbadanego przy tej samej częstotliwości. Łączenie dróg jest dopuszczalne i normalne: w zestawie wieloczłonowym różne człony mogą być zweryfikowane różnymi drogami.

Droga c) szczegółowo, bo to ona ma drobny druk

Po drogę obliczeniową sięga większość producentów, bo nie wymaga laboratorium. Niesie też warunki, które najczęściej dyskwalifikują projekt już po jego zamrożeniu.

Metoda 630 A (10.10.4.2)

Bilans strat mocy. Całkowite straty mocy aparatów i przewodów wewnątrz obudowy porównuje się ze zdolnością obudowy do ich odprowadzenia bez przekroczenia przez powietrze wewnętrzne maksymalnej temperatury pracy któregokolwiek aparatu. Szybkie, zachowawcze i wąskie.

Warunki, z których wszystkie muszą być spełnione:

• Dane o stratach mocy wszystkich wbudowanych aparatów są dostępne od ich producenta.
• Straty mocy są rozłożone wewnątrz obudowy w przybliżeniu równomiernie.
• Prąd znamionowy każdego obwodu nie przekracza 80% umownego prądu cieplnego w powietrzu swobodnym (Ith) albo prądu znamionowego (In) łączników i aparatów w tym obwodzie.
• Części mechaniczne i zabudowane wyposażenie nie utrudniają istotnie krążenia powietrza.
• Przewody niosące więcej niż 200 A oraz sąsiadujące elementy konstrukcyjne są rozmieszczone tak, aby zminimalizować straty od prądów wirowych i histerezy.
• Wszystkie przewody mają przekrój minimalny wyznaczony na podstawie 125% dopuszczalnego prądu znamionowego przypisanego im obwodu.
• Znany jest przyrost temperatury obudowy w funkcji zainstalowanych strat mocy — od producenta obudowy, z badania według 10.10.4.2.2 albo od producenta układu chłodzenia, gdy zastosowano chłodzenie wymuszone.

Metoda 1600 A (10.10.4.3)

To samo obniżenie do 80% i ta sama reguła 125% dla przewodów, przy czym sam przyrost temperatury wyznacza się metodą IEC TR 60890, a nie prostym bilansem strat mocy. Dochodzą dwa warunki geometryczne, które wychwytują konstrukcje wieloprzedziałowe:

• W zestawie albo w ocenianym członie nie ma więcej niż trzech przegród poziomych.
• Dla obudów z przedziałami i wentylacją naturalną przekrój otworów wentylacyjnych w każdej przegrodzie poziomej wynosi co najmniej 50% przekroju poziomego przedziału.

Powyżej 1600 A obie drogi obliczeniowe się zamykają. Zostaje badanie albo wyprowadzenie z projektu zbadanego, a jest to decyzja do podjęcia przed budową, a nie po niej.

Norma otwarcie mówi, skąd biorą się marginesy: punkt 10.10.4.1 stwierdza, że ponieważ rzeczywistych temperatur miejscowych części wiodących prąd nie da się tymi metodami obliczyć, konieczne są pewne ograniczenia i marginesy bezpieczeństwa, i są one uwzględnione. Obniżenie do 80% i dobór przewodów na 125% są właśnie tymi marginesami. Nie są zachowawczością, którą da się wyperswadować lepszą analizą.

Obniżenie do 80% w praktyce

Obniżenie nie jest przypisem w dokumentacji. Zmienia zestawienie materiałowe.

Obwód 200 A nie może użyć aparatu 200 A. Potrzebuje takiego, którego prąd znamionowy w powietrzu swobodnym wynosi co najmniej 250 A, nastawionego albo ustalonego na 200 A, albo większej wielkości nastawionej niżej. Strata mocy użyta w obliczeniu jest stratą przy 200 A, ale sam aparat musi być wielkości 250 A albo większej. Reguła przewodowa to spiętrza: obwód szyn głównych 200 A dobiera się na 1,25 × 200 = 250 A, a dotyczy to każdego przewodu wewnętrznego w zestawie.

Potem iteracja. Przekroje przewodów dobiera się najpierw dla założonej temperatury powietrza wewnątrz. Gdy obliczenie poda rzeczywiste temperatury powietrza, aparaty i przewody mogą wymagać zmiany, a obliczenie powtórzenia. Dwa albo trzy przebiegi są normą, a każdy z nich może przesunąć wymiar szyny, co przesuwa układ otworów, co przesuwa oprzyrządowanie. Rozstrzygnij drogę weryfikacji przed uszczegółowieniem miedzi, a nie po nim.

Współczynnik jednoczesności i co on naprawdę robi

Współczynnik jednoczesności jest najczęściej niezrozumianym pojęciem w tej normie, a większość nieporozumień bierze się z założenia, że jest to upust stosowany wewnątrz obliczenia. Nie jest.

Definiuje go punkt 5.4: to jednostkowa wartość prądu znamionowego, przypisana przez producenta zestawu, do której obwody odpływowe mogą być obciążane w sposób ciągły i jednoczesny, z uwzględnieniem wzajemnych oddziaływań cieplnych. Można ją podać dla grup obwodów albo dla całego zestawu. Pracę wykonują dwa zdania definicji. Współczynnik jednoczesności pomnożony przez prąd znamionowy obwodów musi być równy zakładanemu obciążeniu obwodów odpływowych albo od niego większy, a współczynnik obowiązuje przy zestawie pracującym ze swoim prądem znamionowym InA.

Współczynnik jednoczesności jest więc deklarowanym parametrem znamionowym, a nie daną wejściową obliczenia. Punkt 10.10.1 ujmuje to dokładnie: obciążalność prądową weryfikowanych obwodów wyznaczają prąd znamionowy i współczynnik jednoczesności. Określa on to, co weryfikujesz.

Gdzie współczynnik jednoczesności wchodzi w drogę badawczą

W metodach badawczych jest on jawny i fizyczny.

• Punkt 10.10.2.3.5, weryfikacja kompletnego zestawu: obwody zasilające i odpływowe obciąża się ich prądami znamionowymi, co według normy odpowiada współczynnikowi jednoczesności równemu 1. Szybko, zachowawczo i nie dowodzi niczego o jednoczesności, bo żadnej nie założono.
• Punkty 10.10.2.3.6 i 10.10.2.3.7 d): zestaw weryfikuje się, obciążając obwód zasilający jego prądem znamionowym, a odpływowe zespoły funkcjonalne ich prądem znamionowym pomnożonym przez współczynnik jednoczesności. Tutaj deklarowany współczynnik poniżej 1 zostaje faktycznie zapracowany.

Załącznik O przedstawia tę wymianę: metoda a) wymaga najmniejszej liczby badań, ale układ badawczy jest bardziej wymagający, niż to konieczne, a wynik dotyczy wyłącznie tego układu.

Gdzie współczynnik jednoczesności nie wchodzi: droga obliczeniowa

Oba punkty obliczeniowe mówią to samo: efektywne straty mocy wszystkich obwodów wraz z przewodami łączącymi oblicza się na podstawie prądu znamionowego obwodów. Nie ma tam mnożnika jednoczesności. Jednoczesność wchodzi innymi drzwiami. Całkowite straty mocy liczy się z uwzględnieniem tego, że całkowity prąd obciążenia jest ograniczony prądem znamionowym zestawu.

Przykład zamieszczony w samej normie czyni to konkretnym. Zestaw jednoprzedziałowy o prądzie znamionowym 100 A, ograniczony szynami rozdzielczymi, wyposażono w 20 obwodów odpływowych, dla każdego zakładając 8 A. Całkowite efektywne straty mocy liczy się dla 12 obwodów odpływowych po 8 A, bo 12 × 8 = 96 A to tyle, ile faktycznie rozdzieli zasilanie o prądzie znamionowym 100 A. Dwanaście obwodów przy pełnym obciążeniu, a nie dwadzieścia obwodów ze współczynnikiem jednoczesności.

To rozróżnienie jest tym praktycznym. Wytyczne BEAMA dotyczące weryfikacji bez badań ujmują to tak jasno, jak tylko można: współczynnika jednoczesności nie uwzględnia się przy weryfikacji przyrostu temperatury obliczeniem, a do rozdzielenia prądu znamionowego zestawu przyjmuje się najbardziej niekorzystną kombinację strat mocy obwodów pracujących ze swoim prądem znamionowym. Kto stosował upust z tytułu jednoczesności wewnątrz arkusza według TR 60890, liczył przyrost temperatury niższy niż ten, do którego norma pozwala mu się przyznać.

Wartości tablicowe

Tam, gdzie producent i użytkownik nie uzgodnili rzeczywistych prądów obciążenia, części wyrobowe podają zastępcze wartości zakładanego obciążenia, indeksowane liczbą obwodów głównych albo odpływowych. W częściach 1 i 2 wartość zaczyna się od 1,0 dla obwodu zasilającego i schodzi w dół wraz ze wzrostem liczby odpływów, osiągając 0,6 przy dziesięciu i więcej obwodach. W części 3, dla rozdzielnic obsługiwanych przez osoby postronne, drabina leży wszędzie o jeden stopień niżej i kończy się na 0,5.

Wartość 0,4 krąży szeroko w sieci jako dolna granica tego zakresu. Nie występuje ona w tablicowych wartościach zakładanego obciążenia w częściach 1, 2 ani 3. Producent może oczywiście zadeklarować współczynnik jednoczesności niższy niż wartość zastępcza z tablicy, bo współczynnik przypisuje producent, a tablica obowiązuje wyłącznie w braku uzgodnienia. Ale jeśli specyfikacja podaje 0,4 jako pochodzące z normy, zapytaj skąd.

Załącznik E do części 1 przelicza przykłady przy wartościach takich jak 0,68. Liczba nie jest okrągła i nie pochodzi z tablicy; wypada z rachunku obciążeń.

Granice, wobec których prowadzisz weryfikację

Tablica 6 z IEC 61439-1 mówi więcej niż dwie liczby, które zwykle się z niej cytuje.

Zaciski do zewnętrznych przewodów izolowanych są ograniczone do 70 K. Przypis kwalifikuje to dwukrotnie. Wartość 70 K opiera się na umownym badaniu z punktu 10.10, a zestaw używany w rzeczywistych warunkach instalacji może mieć połączenia o rodzaju i rozmieszczeniu innym niż w badaniu, dających inny przyrost temperatury zacisków, który może być wymagany albo przyjęty. A tam, gdzie zaciski wbudowanego aparatu są jednocześnie zaciskami do zewnętrznych przewodów izolowanych, rządzi niższa z dwóch obowiązujących granic: granica producenta aparatu albo 70 K, ta mniejsza.

Szyny prądowe i przewody nie dostają w tablicy jednej liczby. Wiersz stwierdza, że granicę wyznaczają wytrzymałość mechaniczna materiału przewodzącego, możliwe oddziaływanie na sąsiadujące wyposażenie, dopuszczalna granica temperatury materiałów izolacyjnych stykających się z przewodem, wpływ temperatury przewodu na przyłączony do niego aparat oraz — dla styków wtykowych — rodzaj i obróbka powierzchniowa materiału stykowego.

Wartość 105 K pojawia się w uwadze g, jako pułap nałożony na te kryteria: przy założeniu, że wszystkie wymienione kryteria są spełnione, nie należy przekraczać maksymalnego przyrostu temperatury 105 K dla gołych szyn i przewodów miedzianych. Uwaga 1 podaje powód: 105 K odnosi się do temperatury, powyżej której prawdopodobne jest wyżarzenie miedzi. To granica metalurgiczna. Sięgnij po nią, a szyna zmięknie, co jest mechanicznym, a nie elektrycznym mechanizmem uszkodzenia.

Pod tym wszystkim leżą założenia dotyczące otoczenia. Granice z tablicy 6 obowiązują dla średniej temperatury powietrza otoczenia w eksploatacji do 35 °C. Załącznik O dokłada wartość szczytową: dobowa średnia i szczytowa temperatura otoczenia nieprzekraczające odpowiednio 35 °C i 40 °C. Podczas samego badania temperatura otoczenia musi mieścić się między 10 °C a 40 °C, mierzona co najmniej dwoma czujnikami rozmieszczonymi wokół zestawu na mniej więcej połowie jego wysokości i w odległości około 1 m, osłoniętymi przed ruchem powietrza i promieniowaniem.

Dwa praktyczne odczytania. Po pierwsze, pułap 105 K rzadko jest ograniczeniem wiążącym. Wcześniej odzywa się zwykle materiał izolacyjny stykający się z szyną albo aparat, do którego szyna dochodzi. Po drugie, zestaw przeznaczony do środowiska cieplejszego niż średnia 35 °C wymaga dostosowania granic, a punkt 9.2 zaznacza, że jeśli granice zostaną zmienione dla innego otoczenia, prądy znamionowe szyn i zespołów funkcjonalnych mogą wymagać zmiany razem z nimi.

Ile kosztuje każda droga i ile trwa

Publikowane cenniki akredytowanych badań przyrostu temperatury nie istnieją, bo o koszcie decydują liczba układów badawczych i to, co musisz zbudować. Do decyzji i tak potrzebujesz struktury kosztu.

• Badanie: budujesz jeden albo kilka reprezentatywnych zestawów w najbardziej niekorzystnym układzie, wysyłasz je i płacisz za czas laboratorium. Badanie trwa, aż przyrost temperatury osiągnie wartość ustaloną, co punkt 10.10.2.3.1 definiuje w praktyce jako zmianę we wszystkich punktach pomiarowych, łącznie z otoczeniem, nieprzekraczającą 1 K/h. To zwykle większa część dnia roboczego na układ, przed oprzyrządowaniem pomiarowym i przygotowaniem. Prąd doprowadza się przewodami badawczymi, które norma szczegółowo określa. Powyżej 800 A oznacza to szyny miedziane o podanych wymiarach z minimalną długością przyłączy 3 m, skracalną do 2 m tylko pod określonym warunkiem temperaturowym. Powyżej 4000 A układ wyznacza producent pierwotny i staje się on częścią sprawozdania. O koszcie decydują budowa próbki i liczba układów. O opóźnieniu decyduje kolejka do laboratorium, przy pracach wysokoprądowych raczej miesiące niż tygodnie. Nie rezerwuj terminu, zanim Twoje połączenia będą wykonywane tak, jak będą wykonywane w produkcji.

• Wyprowadzenie z projektu zbadanego: najtańsze i najszybsze tam, gdzie zbadany projekt już jest Twój, i dlatego dostawcy systemów rozdzielnic sprzedają to w pakiecie. Zostań w jego regułach, a większość pracy jest wykonana. Wyjdź poza nie, a wracasz do badania.

• Obliczenie: bez laboratorium, więc kosztem jest czas inżynierski plus dane o aparatach. Niewidocznym kosztem jest zbieranie danych: warunek a) wymaga danych o stratach mocy wszystkich wbudowanych aparatów, a ściganie ich u każdego dostawcy przy mieszanym zestawieniu materiałowym trwa dłużej niż samo obliczenie. Zaplanuj dni, a nie godziny, dla pierwszego zestawu, i mniej później, w miarę gromadzenia danych o aparatach. Prawdziwym ryzykiem jest odkrycie na końcu iteracji, że potrzebowałeś większej wielkości aparatu albo większej szyny — zrób więc wcześnie zgrubny przebieg.

Dlaczego o wyniku decyduje jakość wykonania

Każda droga mierzy ostatecznie tę samą rzecz fizyczną, a punkt 10.10.2.3.3 nazywa ją wprost: szczególną uwagę należy zwrócić na połączenia w przewodach i na zaciski w obwodach głównych. Połączenia są wskazanymi punktami pomiarowymi.

Rezystancja połączenia ma dwie części. Rezystancja rozpływu, wynikająca z obchodzenia zakładki przez prąd, jest funkcją stosunku długości zakładki do grubości oraz układu otworów: otwory pod śruby ułożone w poprzek szerokości szyny obciążają ją bardziej niż otwory w linii wzdłuż długości. Rezystancja przejścia jest funkcją stanu powierzchni i nacisku.

Powierzchnia styku to nie powierzchnia zakładki. Przewodzi tylko około 1% pozornej zakładki, przez pojedyncze styki na wierzchołkach nierówności. Rezystancja przejścia spada stromo z naciskiem do mniej więcej 10 N/mm² i wypłaszcza się w okolicach 30 N/mm²; poniżej mniej więcej 7 N/mm² praca w ogóle nie jest wskazana. Ponieważ nacisku nie da się zmierzyć na budowie, wnioskuje się o nim z momentu przez współczynnik dokręcania, który zmienia się od około 0,20–0,22 na sucho do 0,15–0,16 przy smarze granicznym. To samo nastawienie klucza na nasmarowanych gwintach daje mniej więcej 30% większą siłę wstępną niż na suchych. Wartości momentu i instrukcja smarowania muszą pochodzić z tego samego źródła, bo inaczej liczba w Twojej procedurze jest fikcją.

Przygotowanie powierzchni jest zmienną najtańszą i najczęściej pomijaną. Powierzchnie powinny być płaskie i świeżo oczyszczone bezpośrednio przed montażem, tak żeby nacisk docisku przerwał warstwę tlenków i utworzył styk metal–metal w jak największej liczbie punktów. Zadzior pozostawiony na powierzchni styku robi coś przeciwnego: rozpiera szyny, a powierzchnia styku, którą policzyłeś, nie jest powierzchnią, którą dostajesz. Dlatego gratowanie należy do trasy technologicznej, a nie do rąk montera, i dlatego w ogóle istnieje linia taka jak BND800-2, obsługująca szyny o grubości 0,5 do 50 mm przy 5 do 30 m/min.

Przetłaczanie jest drugą dźwignią i tą niedocenianą. Wyniesienie kontrolowanego pola styku skupia dostępną siłę wstępną śrub na określonej, płaskiej powierzchni, zamiast pozwalać jej rozejść się po zakładce, która może przylegać albo nie. Tam, gdzie połączenie jest cieplnie graniczne, zaprojektowane pole styku jest często lepszą odpowiedzią niż kolejna śruba.

Dokładność układu otworów wchodzi wprost we wszystko powyższe. Błąd podziałki w połączeniu wielośrubowym oznacza śruby walczące ze sobą w powiększonych otworach i nierównomiernie rozłożoną siłę wstępną. Wykrawanie trzymające położenie ciasno nie kosztuje na otwór nic więcej, a usuwa jedną zmienną z badania, za które płacisz laboratorium. Centrum obróbcze takie jak IMAC-CENTER 80 pracuje z dokładnością ±0,05 mm. Stronę narzędziową omawia strona procesu wykrawania, a odległość od krawędzi i podziałkę — artykuł o układach otworów.

Zanim zwiążesz się drogą weryfikacji

Dobierz szynę wobec źródła obciążalności z zachowanymi współczynnikami korekcyjnymi, a nie wobec tablicy dla warunków odniesienia. DIN 43671 podaje obciążalność szyn miedzianych dla 35 °C otoczenia i 65 °C temperatury szyny, z poprawkami na temperaturę otoczenia od 0 do 60 °C, temperaturę pracy do 125 °C oraz ze współczynnikami na układ szyn i liczbę szyn na fazę. Wewnątrz obudowy o temperaturze powietrza 55 °C te poprawki są różnicą między szyną, która przejdzie weryfikację, a taką, która jej nie przejdzie.

Nasz kalkulator obciążalności prądowej szyn stosuje te poprawki, zamiast zakładać warunki odniesienia. Tam, gdzie zestaw jedzie na rynek północnoamerykański, granice zmieniają się całkowicie, a razem z nimi szyna. To porównanie znajdziesz w artykule UL 891 a IEC 61439.