Проверка превышения температуры по IEC 61439, путь за путём

Проверка превышения температуры — то место, где качество обработки шины превращается в замечание аудита. Всё остальное в проверке конструкции НКУ можно закрыть на бумаге силами человека, который меди в руках не держал. Это — нельзя, потому что проверяемая величина порождается стыками, которые слесарь сделал динамометрическим ключом.

Большинство опубликованных руководств останавливаются на перечислении трёх путей. Успех проекта решают другие вещи: граничные условия каждого пути, то, что на самом деле умножает номинальный коэффициент одновременности, и то, какие производственные переменные сдвигают результат. Ссылки на пункты ниже даны по IEC 61439-1

Три пути

Пункт 10.10.1 перечисляет их прямо. Проверку следует выполнять одним или несколькими из способов:

a) Испытанием, пункт 10.10.2. Физическое устройство под нагрузкой в аккредитованной лаборатории.

b) Выводом характеристик для подобных вариантов из испытанной конструкции, пункт 10.10.3. Путь сравнения: у вас уже есть испытанная компоновка, и вы назначаете характеристики её вариантам по установленным правилам.

c) Расчётом, двумя разными методами с двумя разными верхними пределами по току. Пункт 10.10.4.2 распространяется на однокамерное устройство с током не выше 630 A; пункт 10.10.4.3 — на устройство с током не выше 1600 A по методу IEC TR 60890.

Над всеми тремя стоят два ограничения. Расчётные методы ограничены номинальными частотами до 60 Hz включительно, а для устройств с номинальной частотой выше 60 Hz пункт 10.10.1 требует проверки испытанием либо выводом из конструкции, испытанной на той же частоте. Сочетание путей допускается и является обычным делом: у многосекционного устройства разные секции могут проверяться разными путями.

Путь c) подробно, потому что именно у него мелкий шрифт

Расчётный путь — тот, за которым тянется большинство изготовителей, потому что лаборатория для него не нужна. Он же несёт условия, которые чаще всего отсекают проект уже после того, как конструкция заморожена.

Метод для 630 A (10.10.4.2)

Баланс потерь мощности. Суммарные потери мощности от аппаратов и проводников внутри оболочки сопоставляются со способностью оболочки их рассеять так, чтобы температура внутреннего воздуха не превысила максимальную рабочую температуру ни одного из аппаратов. Быстро, консервативно и узко.

Условия, и выполнены должны быть все:

• Данные о потерях мощности по всем встроенным аппаратам получены от изготовителя аппаратов.
• Потери мощности распределены внутри оболочки приблизительно равномерно.
• Номинальный ток каждой цепи не превышает 80 % условного номинального теплового тока на открытом воздухе (Ith) или номинального тока (In) коммутационных аппаратов и элементов этой цепи.
• Механические части и установленное оборудование существенно не препятствуют циркуляции воздуха.
• Проводники, несущие более 200 A, и прилегающие к ним элементы конструкции расположены так, чтобы свести к минимуму потери на вихревые токи и гистерезис.
• Все проводники имеют минимальное сечение, рассчитанное исходя из 125 % допустимого номинального тока соответствующей цепи.
• Известна зависимость превышения температуры оболочки от установленных потерь мощности — от изготовителя оболочки, из испытания по 10.10.4.2.2 либо от изготовителя оборудования охлаждения, если применено активное охлаждение.

Метод для 1600 A (10.10.4.3)

Те же 80 % загрузки и то же правило 125 % по проводникам, но само превышение температуры определяется методом IEC TR 60890, а не простым балансом потерь мощности. Добавляются два геометрических условия, на которых спотыкаются многокамерные конструкции:

• В устройстве или в оцениваемой секции не более трёх горизонтальных перегородок.
• Для оболочек с камерами и естественной вентиляцией площадь сечения вентиляционных отверстий в каждой горизонтальной перегородке составляет не менее 50 % горизонтального сечения камеры.

Выше 1600 A оба расчётных пути закрываются. Остаются испытание или вывод из испытанной конструкции, и это решение принимают до постройки, а не после.

Стандарт откровенно объясняет, откуда берутся запасы: пункт 10.10.4.1 указывает, что, поскольку действительные местные температуры токоведущих частей этими методами вычислить нельзя, некоторые ограничения и запасы по безопасности необходимы и в метод заложены. Загрузка 80 % и выбор проводников по 125 % и есть эти запасы. Это не та консервативность, которую можно оспорить более тонким анализом.

Загрузка 80 % на практике

Это ограничение — не примечание в комплекте документов. Оно меняет спецификацию.

В цепи на 200 A нельзя применить аппарат на 200 A. Нужен аппарат, у которого номинал на открытом воздухе не менее 250 A, настроенный или зафиксированный на 200 A, либо более крупный типоразмер, настроенный ниже. В расчёт идут потери мощности при 200 A, но сам аппарат должен быть типоразмера 250 A или выше. Правило по проводникам это усиливает: главная шинная цепь на 200 A рассчитывается на 1,25 × 200 = 250 A, и это относится к каждому внутреннему проводнику устройства.

Дальше итерации. Сечения проводников сначала выбирают под предполагаемую температуру внутреннего воздуха. Когда расчёт даст действительные температуры воздуха, аппараты и проводники может понадобиться заменить, а расчёт повторить. Два-три прохода — норма, и каждый из них способен сдвинуть размер шины, а тот сдвигает схему отверстий, а та — оснастку. Определяйтесь с путём проверки до того, как медь будет проработана в деталях, а не после.

Номинальный коэффициент одновременности и что он на самом деле делает

RDF — самый неверно понимаемый термин стандарта, и большая часть непонимания идёт от предположения, будто это скидка, применяемая внутри расчёта. Это не так.

Пункт 5.4 даёт определение: относительная доля номинального тока, назначаемая изготовителем устройства, до которой отходящие цепи могут нагружаться длительно и одновременно с учётом взаимных тепловых влияний. Он может быть указан для групп цепей или для устройства в целом. Работу в этом определении делают две оговорки. RDF, умноженный на номинальный ток цепей, должен быть равен предполагаемой нагрузке отходящих цепей или выше её, и RDF применяется при работе устройства с его номинальным током InA.

Итак, RDF — это заявляемая характеристика, а не исходные данные расчёта. Пункт 10.10.1 формулирует это точно: нагрузочная способность проверяемых цепей определяется номинальным током и RDF. Он задаёт то, что вы проверяете.

Где RDF входит в испытательный путь

В методах испытания RDF присутствует явно и физически.

• Пункт 10.10.2.3.5, проверка устройства целиком: вводные и отходящие цепи нагружаются их номинальными токами, что, как указывает стандарт, равнозначно номинальному коэффициенту одновременности, равному 1. Быстро, консервативно и ничего не доказывает об одновременности, потому что никакой одновременности не предполагалось.
• Пункты 10.10.2.3.6 и 10.10.2.3.7 d): устройство проверяют, нагружая вводную цепь её номинальным током, а отходящие функциональные блоки — их номинальным током, умноженным на коэффициент одновременности. Именно здесь заявленный RDF ниже 1 действительно и зарабатывается.

Приложение O излагает размен: способ a) требует наименьшего числа испытаний, но испытательная компоновка оказывается более жёсткой, чем необходимо, а результат относится только к этой компоновке.

Где RDF не входит: расчётный путь

Оба расчётных пункта говорят одно и то же: действительные потери мощности всех цепей, включая соединительные проводники, следует вычислять исходя из номинального тока цепей. Множителя RDF здесь нет. Одновременность входит через другую дверь. Суммарные потери мощности вычисляют с учётом того, что суммарный ток нагрузки ограничен номинальным током устройства.

Разобранное примечание самого стандарта делает это наглядным. Однокамерное устройство на 100 A, ограниченное распределительными шинами, оснащено 20 отходящими цепями, для каждой из которых принято 8 A. Суммарные действительные потери мощности вычисляются для 12 отходящих цепей по 8 A каждая, потому что 12 × 8 = 96 A — это то, что вводной номинал 100 A на деле и распределит. Двенадцать цепей под полной нагрузкой, а не двадцать цепей с коэффициентом одновременности.

Именно это различие и является практическим. Опубликованное BEAMA руководство по проверке без испытаний формулирует это яснее прочих: номинальный коэффициент одновременности не учитывается при проверке превышения температуры расчётом, а для распределения номинального тока устройства берётся наиболее тяжёлое сочетание потерь мощности цепей, работающих при их номинальном токе. Всякий, кто применял скидку по RDF внутри расчётной таблицы TR 60890, вычислял превышение температуры ниже того, которое стандарт позволяет ему заявить.

Табличные значения

Там, где изготовитель и пользователь не согласовали действительные токи нагрузки, части стандарта на изделия дают резервные значения предполагаемой нагрузки, привязанные к числу главных или отходящих цепей. В частях 1 и 2 величина начинается с 1,0 для вводной цепи и снижается ступенями по мере роста числа отходящих направлений, доходя до 0,6 при десяти и более цепях. В части 3, для распределительных щитов, обслуживаемых неквалифицированным персоналом, вся лестница лежит на ступень ниже и заканчивается на 0,5.

В сети широко ходит величина 0,4 как нижняя граница этого диапазона. В табличных значениях предполагаемой нагрузки частей 1, 2 и 3 она не встречается. Изготовитель, разумеется, вправе заявить RDF ниже табличного резервного значения, поскольку RDF назначается изготовителем, а таблица применяется только при отсутствии соглашения. Но если спецификация приводит 0,4 как взятое из стандарта, спросите откуда.

Приложение E части 1 разбирает примеры при значениях RDF вроде 0,68. Число это не круглое и не из таблицы: оно выпадает из арифметики нагрузок.

Пределы, по которым вы проверяете

Таблица 6 IEC 61439-1 говорит больше, чем те два числа, которые из неё обычно цитируют.

Выводы для присоединения внешних изолированных проводников ограничены 70 K. Сноска оговаривает это дважды. Величина 70 K опирается на условное испытание по пункту 10.10, а у устройства, работающего в реальных условиях монтажа, присоединения могут отличаться по типу и расположению от испытательных, давая иное превышение температуры на выводе, которое может потребоваться или быть принято. И там, где выводы встроенного аппарата одновременно являются выводами для внешних изолированных проводников, действует меньший из двух применимых пределов: предел изготовителя аппарата и 70 K, берётся меньший.

Для шин и проводников таблица не даёт одного числа. Строка указывает, что предел задаётся механической прочностью проводникового материала, возможным влиянием на соседнее оборудование, допустимым температурным пределом изоляционных материалов, соприкасающихся с проводником, влиянием температуры проводника на присоединённый к нему аппарат, а для втычных контактов — природой и обработкой поверхности контактного материала.

Величина 105 K приведена в примечании g как верхний предел поверх этих критериев: при выполнении всех перечисленных критериев максимальное превышение температуры 105 K для неизолированных медных шин и проводников превышать нельзя. Примечание 1 объясняет причину: 105 K относится к температуре, выше которой вероятен отжиг меди. Это металлургический предел. Дойдёте до него — шина размягчится, а это механический механизм отказа, не электрический.

Под всем этим лежат допущения об окружающей среде. Пределы таблицы 6 действуют при средней температуре окружающего воздуха в эксплуатации до 35 °C. Приложение O добавляет пик: среднесуточная и пиковая температуры окружающей среды не должны превышать 35 °C и 40 °C соответственно. Во время самого испытания температура окружающей среды должна быть в пределах от 10 °C до 40 °C и измеряться не менее чем двумя датчиками вокруг устройства примерно на половине его высоты и примерно в 1 m от него, защищёнными от воздушных потоков и излучения.

Два практических вывода. Во-первых, верхний предел 105 K редко оказывается связывающим ограничением. Обычно первым срабатывает изоляционный материал, соприкасающийся с шиной, или аппарат, на который шина садится. Во-вторых, устройству, предназначенному для среды со средней температурой выше 35 °C, пределы нужно адаптировать, и пункт 9.2 отмечает, что при изменении пределов под другую окружающую среду вместе с ними может понадобиться изменить номинальные токи шин и функциональных блоков.

Во что обходится каждый путь и сколько он занимает

Опубликованных прайс-листов на аккредитованные испытания по превышению температуры не существует, потому что в стоимости преобладают число испытательных компоновок и то, что вам приходится построить. Для решения вам в любом случае нужна структура затрат.

• Испытание. Вы строите одно или несколько представительных устройств по наиболее тяжёлой компоновке, отгружаете их и оплачиваете время лаборатории. Испытание идёт до тех пор, пока превышение температуры не достигнет постоянного значения, что пункт 10.10.2.3.1 практически определяет как изменение во всех точках измерения, включая окружающую среду, не более 1 K/h. Это, как правило, большая часть рабочего дня на компоновку, не считая установки датчиков и наладки. Ток подводится испытательными проводниками, которые стандарт описывает подробно. Выше 800 A это означает медные шины оговорённых размеров с минимальной длиной присоединения 3 m, сокращаемой до 2 m только при оговорённом температурном условии. Выше 4000 A компоновку определяет изготовитель-разработчик, и она входит в состав протокола. В стоимости преобладают изготовление образца и число компоновок. В сроках преобладает очередь в лабораторию — месяцы, а не недели для работ на большие токи. Не бронируйте слот раньше, чем ваши стыки начнут делаться так, как они будут делаться в производстве.

• Вывод из испытанной конструкции. Дешевле и быстрее всего, если испытанная конструкция уже принадлежит вам, — поэтому поставщики систем НКУ и продают её в составе пакета. Оставайтесь в её правилах, и большая часть работы уже сделана. Выйдите за них — и вы снова на испытании.

• Расчёт. Лаборатория не нужна, поэтому затраты — это инженерное время плюс данные по аппаратам. Невидимая статья — сбор данных: условие a) требует данных о потерях мощности по всем встроенным аппаратам, а вытягивание их из каждого поставщика аппаратов при смешанной спецификации занимает больше времени, чем сам расчёт. На первое устройство закладывайте дни, а не часы, дальше меньше по мере накопления данных по аппаратам. Настоящий риск — обнаружить в конце итераций, что вам был нужен больший типоразмер аппарата или большее сечение шины, поэтому прогоняйте грубый проход заранее.

Почему исход решает качество обработки

Каждый путь в конечном счёте измеряет одну и ту же физическую величину, и пункт 10.10.2.3.3 называет её прямо: особое внимание следует уделять стыкам проводников и выводам в главных цепях. Стыки названы точками измерения.

Сопротивление стыка состоит из двух частей. Сопротивление растекания, возникающее от отклонения тока через нахлёст, зависит от отношения длины нахлёста к толщине и от схемы отверстий: отверстия под болты поперёк ширины шины ухудшают его сильнее, чем отверстия в линию вдоль её длины. Переходное сопротивление зависит от состояния поверхности и от давления.

Площадь контакта — не площадь нахлёста. Проводит лишь около 1 % видимого нахлёста, через отдельные контакты по вершинам микронеровностей. Переходное сопротивление резко падает с ростом давления примерно до 10 N/mm² и выходит на полку около 30 N/mm²; ниже примерно 7 N/mm² работать вообще не рекомендуется. Поскольку давление на объекте измерить нельзя, его выводят из момента затяжки через коэффициент затяжки, который меняется примерно от 0,20–0,22 всухую до 0,15–0,16 с граничной смазкой. Одна и та же настройка ключа на смазанной резьбе даёт примерно на 30 % большее усилие затяжки, чем на сухой. Значения момента и указания по смазке должны происходить из одного источника, иначе число в вашей технологической инструкции — выдумка.

Подготовка поверхности — самая дешёвая переменная и та, которую пропускают чаще всего. Поверхности должны быть плоскими и свежезачищенными непосредственно перед сборкой, чтобы давление затяжки разрушило оксид и образовало контакт металл — металл в как можно большем числе точек. Заусенец, оставленный на поверхности стыка, делает обратное: он раздвигает шины, и та площадь контакта, которую вы посчитали, — не та, которую вы получаете. Именно поэтому снятие заусенцев относится к технологическому маршруту, а не к рукам слесаря, и именно поэтому вообще существует линия вроде BND800-2, обрабатывающая шину толщиной от 0,5 до 50 mm со скоростью от 5 до 30 m/min.

Чеканка — второй рычаг, и притом недоиспользуемый. Поднятие управляемой контактной площадки сосредоточивает располагаемое усилие затяжки болта на заданной плоской площади вместо того, чтобы позволить ему растечься по нахлёсту, который может быть в контакте, а может и не быть. Там, где стык по тепловым показателям находится на грани, спроектированная контактная площадка часто оказывается лучшим ответом, чем ещё один болт.

Точность схемы отверстий питает собой всё перечисленное. Погрешность шага в многоболтовом стыке означает, что болты борются друг с другом в надмерных отверстиях, а усилие затяжки распределено неравномерно. Пробивка, которая туго держит положение, не стоит ни копейки дополнительно на отверстие и убирает одну переменную из испытания, за которое вы платите лаборатории. Обрабатывающий центр, такой как IMAC-CENTER 80, работает с точностью ±0,05 mm. Страница процесса пробивки описывает сторону оснастки, а материал о схемах отверстий — расстояние от кромки и шаг.

Прежде чем выбрать путь окончательно

Подбирайте сечение шины по источнику допустимых токов с сохранёнными поправочными коэффициентами, а не по таблице для эталонных условий. DIN 43671 нормирует медную шину при температуре окружающего воздуха 35 °C и температуре шины 65 °C с поправками на температуру окружающей среды от 0 до 60 °C, рабочую температуру до 125 °C и с коэффициентами на расположение шин и количество шин на фазу. Внутри оболочки при температуре внутреннего воздуха 55 °C именно эти поправки отделяют шину, которая проверку проходит, от шины, которая её не проходит.

Наш калькулятор допустимого тока шины применяет поправочные коэффициенты, а не принимает эталонные условия. Если устройство идёт на североамериканский рынок, пределы меняются полностью, а вместе с ними и шина. Это сопоставление — в материале «UL 891 против IEC 61439».