UL 891 и IEC 61439 в обработке шины

Производители щитового оборудования, экспортирующие из стран, где действует стандарт IEC, в Северную Америку, обычно обнаруживают расхождение между этими двумя стандартами уже после того, как сборка спроектирована и проверена в соответствии с IEC 61439. В этом случае результаты работы не удовлетворяют требованиям американского инспектора. Аналогичная проблема возникает и при обратном переходе. Оба документа охватывают сопоставимую продукцию и достигают аналогичного уровня безопасности различными по структуре методами, которые влияют на процесс сверления и покрытия шин.

Области применения стандартов

UL 891 распространяется на щиты с невыступающими частями, номинальным напряжением до 1000 В, предназначенные для установки в соответствии с Кодексом электрических установок Канады (Часть I), Национальным электрическим кодексом (ANSI/NFPA 70) и мексиканским стандартом NOM-001-SEDE, при токах кратковременного замыкания до 200000 А. Он не распространяется на предустановленное театральное и диммерное оборудование, конструкции с выступающими частями, оборудование управления железнодорожным транспортом и электрификации, а также на конструкции, предназначенные исключительно для размещения модулей центров управления двигателями.

IEC 61439 охватывает комплектные низковольтные распределительные и управляющие устройства напряжением до 1000 В переменного тока и 1500 В постоянного тока. Стандарт состоит из Части 1 (общие требования) и отдельных частей для конкретных видов продукции. Часть 2 распространяется на силовые распределительные и управляющие устройства, являющиеся наиболее близким аналогом щитов UL 891.

Категории стандартов не совпадают, и это расхождение имеет коммерческие последствия. UL 891 является лишь одним из нескольких североамериканских продуктовых стандартов, охватывающих область, которую IEC регулирует единой семьей стандартов. Конструкция с выдвижными низковольтными силовыми выключателями подпадает под действие UL 1558, а не UL 891. Промышленные панели управления регламентируются стандартом UL 508A. Одна конструкция сборки по IEC 61439-2 может соответствовать двум или трем категориям североамериканских стандартов, каждая из которых требует отдельной процедуры сертификации. Определение применимой категории является первым инженерным решением в проекте. Более подробную информацию можно найти в разделе Какой стандарт для токопроводящих шин применим.

Оценка соответствия: различие, определяющее всё остальное

Это различие носит процедурный, а не технический характер, и оно определяет все последующие процессы.

Согласно IEC 61439 производитель декларирует характеристики сборки и хранит файл верификации проекта, подтверждающий соблюдение указанных значений. Верификация осуществляется путём испытаний, экстраполации на основе испытанного проекта или расчёта в пределах, установленных стандартом. Привлечение третьей стороны не требуется. В ЕС декларация выдаётся в рамках Директив по низкому напряжению и электромагнитной совместимости, а стандарт EN 61439 является гармонизированным путём подтверждения соответствия. Компетенция, доказательная база и ответственность лежат на производителе.

Согласно UL 891 продукт проходит сертификацию в национально признанной испытательной лаборатории (NRTL). Лаборатория оценивает конструкцию, присутствует при испытаниях или проводит их, а затем поддерживает действие сертификата посредством последующих инспекций на производственной площадке: внезапных визитов для проверки того, что производимая продукция по-прежнему соответствует сертифицированному образцу. Маркировка на двери не является однократным заявлением о проведённом испытании. Это подтверждение того, что предприятие находится под постоянным наблюдением.

Из этого следуют три последствия.

Файл верификации не переносится. Данные испытаний по IEC могут использоваться NRTL для оценки, но не заменяют процедуру сертификации. Североамериканский путь должен планироваться как отдельная программа со своим графиком с самого начала.

Изменения по-разному ограничены. В системе IEC проект может быть изменён, а файл верификации обновлён по решению производителя в пределах установленных правил экстраполяции. При сертификации конструктивные изменения, выходящие за рамки утверждённых конфигураций, требуют обращения в NRTL. Производство, привыкшее к гибкости IEC, сочтёт это самым значительным практическим изменением.

Полевые модификации выполняются иначе. Токосъем, добавленный на месте к сборке IEC, — это ответственность оригинального производителя для оценки. Тот же токосъем на щитовом оборудовании с маркировкой (listed switchboard) может аннулировать маркировку и потребовать полевой оценки. Это оказывает прямое влияние на изготовление: необходимо на заводе предусмотреть запасные посадочные места и конструкцию для токосъемов, так как дооснащение впоследствии непропорционально дорого.

Повышение температуры и определяемое им решение по покрытию

Оба стандарта ограничивают повышение температуры. Они используют очень разные значения, из различных исходных условий, по разным причинам. Это единственное различие, которое изменяет изготовление медных шин.

IEC 61439-1 устанавливает свои ограничения в Таблице 6. Клеммы для внешних изолированных проводников ограничены 70 K, и примечание важно: 70 K — это значение, основанное на стандартном испытании, и если клемма встроенного компонента является также клеммой для внешнего проводника, применяется меньшее из значений — лимит производителя компонента или 70 K.

Для самих токопроводящих шин Таблица 6 не приводит единого числа. В строке указывается, что предел определяется механической прочностью проводящего материала, возможным воздействием на соседнее оборудование, допустимым предельным температурным значением изоляционных материалов, контактирующих с проводником, влиянием температуры проводника на подключенный к нему аппарат и, для контактов типа «втыкание», природой и поверхностной обработкой контактного материала. Значение 105 K приведено в примечании g как верхний предел поверх указанных критериев: при условии соблюдения всех перечисленных критериев максимальное повышение температуры для неизолированных медных шин и проводников не должно превышать 105 K. Примечание 1 поясняет, откуда взялось 105 K: это температура, выше которой становится вероятным отжиг меди. Это металлургическое ограничение, а не электрическое.

Эталонная температура окружающей среды — средняя 35 °C в нормальных условиях эксплуатации, при этом температура при испытании может составлять от 10 °C до 40 °C.

Североамериканская практика основана на другом подходе. Ограничения выводятся из допустимого нагрева подключенных устройств и проводников, 규정енного в статье NEC 110.14(C). IEC 61439-1 приводит их в справочном приложении M, и два ключевых значения для токопроводящих шин, которые стоит запомнить: 50 K для неизолированных шин и 65 K для шин с покрытием. Клеммы ограничены 50 K, за исключением случаев, оговоренных в приложении. Эталонная температура окружающей среды в североамериканской практике проектирования щитового оборудования составляет 40 °C.

Сравнительно: предел для неизолированной меди в IEC — 105 K, а североамериканский предел для той же неизолированной шины — 50 K. Это менее половины, и это еще до обсуждения эталонной температуры среды. Покрытие компенсирует 15 K.

Из этого следуют два последствия для изготовления, и они указывают в противоположных направлениях.

Для североамериканского проекта покрытие становится требованием к конструкции при любой значительной плотности тока. Разница в 15 K между 50 K и 65 K позволяет существенно уменьшить сечение шины по всему щиту. Типичный выбор — олово поверх меди; серебро используется там, где стабильность контактного сопротивления важнее стоимости.

Для проекта IEC стандартная рекомендация обратна. Руководство Copper Development Association не рекомендует наносить покрытие на медные соединительные поверхности, если только этого не требует окружающая среда, так как мягкое покрытие может течь при повышенной температуре и ослабить контактное давление, от которого зависит соединение. Эта рекомендация верна для системы IEC и ошибочна для североамериканской, и причина не в разногласии металлургов. Две системы ограничивают разные явления. IEC защищает медь от отжига; Северная Америка защищает подключенные провода и устройства от тепла, отводимого из сборки.

Производство для обоих рынков превращает вопрос покрытия в решение, принимаемое для каждого проекта в зависимости от места назначения, и вносится в маршрутную карту, а не в постоянную технологическую инструкцию.

Расстояния, зазоры и пути утечки

UL 891 определяет расстояния: минимальные дистанции по воздуху и по поверхности между частями с противоположными знаками, а также от токоведущих частей до заземления, которые берутся из таблицы, индексированной по напряжению. Значения указаны в дюймах, диапазоны напряжений дискретны, интерполяция между ними не допускается.

IEC не составляет таблицы расстояний таким образом. Зазоры и пути утечки в IEC 61439 определяются через IEC 60664-1: зазор — по номимальному импульсному напряжению выдержки с учётом степени загрязнения и высоты над уровнем моря; путь утечки — по рабочему напряжению, степени загрязнения и индексу отслеживания изоляционного материала.

Практическое различие касается чувствительности каждой системы. Две комплектные установки IEC с одним и тем же номинальным напряжением могут иметь разные минимальные расстояния, если одна находится в более загрязнённой среде или на большей высоте. Таблица расстояний UL таких вопросов на этом уровне не задаёт. Некоторые стандарты UL теперь допускают UL 840, согласованный с IEC 60664, в качестве альтернативы устаревшей таблице, однако требования по конструкции самого UL 891 остаются критерием для оценки соответствия.

Для изготовителя последствием является компоновка шин. Конструкция, спроектированная с учётом зазоров IEC при степени загрязнения 3, как правило, соответствует расстояниям UL, а конструкция, спроектированная с учётом расстояний UL при 600 В, как правило, соответствует требованиям IEC при степени загрязнения 2. «Как правило» в обоих направлениях не является методом проектирования. Если одна физическая конструкция должна соответствовать обоим стандартам, она должна быть спроектирована по огибающей обоих, с допуском увеличенной ширины.

Это такжеясняет распространённое утверждение поставщиков: IEC 61439 не требует выполнения фасок. Нет пункта, обязывающего выполнять радиус кромки. Геометрия кромки является инженерным средством обеспечения требований к зазорам, путям утечки и диэлектрической прочности. Она оправдана тем, что напряжённость электрического поля концентрируется на остром углу. Это хорошая практика по веским причинам, и эти причины выдерживают проверку, когда инженер заказчика задаёт вопрос.

Бракировка и устойчивость к токам короткого замыкания

Оба стандарта требуют от комплектной установки выдерживать токи КЗ, но описывают это по-разному.

IEC 61439 указывает номинальный ток термической стойкости (Icw) на заданное время, номинальный пиковый ток выдержки (Ipk) и, где применимо, номинальный условный ток КЗ (Icc). Испытание шинных магистралей предписывает геометрию: длина испытуемой шины составляет (2 ± 0,4) м и должна включать не менее одного соединения, где шины предназначены для наращивания. Критерии приёмки также конкретны: зазоры и пути утечки должны по-прежнему соответствовать требованиям после испытания, опоры шин не должны были отсоединиться или расколоться, не должно быть ослабления деталей, используемых для соединения проводников.

UL 891 присваивает номинальный ток КЗ до 200000 А, устанавливаемый при наличии указанных устройств защиты от сверхтоков, а номинальное значение секции распределительного устройства ограничивается наименьшим номиналом в последовательной цепи. Бракировка является отмеченным конструктивным атрибутом, а не объявленным электрическим параметром, и если кабели, проложенные через распределительное устройство, требовали бракировки при испытании, это требование наносится на оборудование. Стандартное испытание короткое, несколько циклов, соответствующих времени отключения модульного аппарата, при необходимости кратковременного номинала для селективной координации требуется более длительная выдержка. UL 891 также предоставляет конструкторский путь в Приложении G для номинала 100,000 А без испытания на КЗ, что является наиболее близким североамериканским аналогом вариантов верификации без испытания в IEC.

Для шинообрабатывающего производства последствия для изготовления одинаковы по обоим стандартам: соединение является слабым местом. IEC указывает это явно в критерии приёмки, а философия бракировки UL подразумевает то же самое. Расслабленное усилие затяжки болта, не обеспечивший полного контакта стык, вытянутое отверстие из-за недостаточного краевого расстояния — любое из этих условий превратит удачную конструкцию в бракованный образец.

Что меняется в станке

• Отверстия под крепёж: чертежи европейского типа строятся по метрическим сеткам, основанным на DIN 43673-1. Североамериканские чертежи строятся по двухотверстичной конвенции NEMA: болты ½ дюйма с расстоянием между центрами 1¾ дюйма (44,45 мм), отверстия Ø 0,562 дюйма. Ни один из этих стандартов не может быть преобразован в другой простым округлением. Обслуживание обоих рынков требует двух комплектов инструментов, и количество инструментальных позиций на станке становится коммерческим ограничением. Это аргумент в пользу 24-позиционного обрабатывающего центра, такого как IMAC-CENTER 80, с возможностью расширения до 36 позиций, а не фиксированной линии, требующей переоснащения при смене целевого рынка. О côté инструментов рассказывает страница процесса пробивки.

• Подготовка стыка: при обоих подходах качество стыка определяет результат по повышению температуры, однако североамериканские нормы оставляют гораздо меньший запас на поглощение некачественного соединения. Необходимы плоские, свежеабразированные поверхности при сборке, контролируемый крутящий момент с подбором коэффициента трения в зависимости от наличия смазки резьбы, а также шайбы нужного размера для распределения нагрузки вдали от отверстия. При соответствии IEC посредственный стык может выдержать температуру 105 K; в североамериканском щите для неоплавированной шины предел составит 50 K и стык не выдержит.

• Покрытие: зависит от назначения шины, а не является стандартной операцией. Если покрытие предусмотрено, шина должна покидать цех чистой и без заусенцев, так как покрытие, нанесённое поверх заусенца, навсегда замуровывает дефект.

• Состояние кромок и заусенцев: заусенец на стыковой поверхности удерживает шины на расстоянии, и расчётная площадь контакта не совпадает с фактической. Поэтому зачистка входит в маршрут обработки, а не выполняется слесарем, и существуют модели вроде BND800-2 для шин толщиной от 0,5 до 50 мм и шириной от 100 до 800 мм.

• Маркировка: содержание таблички различается, как и ответственная организация. Марка UL присваивается по условиям сертификации, а содержание полей определяется стандартом. Табличка IEC несёт декларированные производителем характеристики, включая расчётный коэффициент разнообразия, который не имеет североамериканского аналога.

Подбор шины для двух рынков

Из-за существенной разницы в допустимом повышении температуры одинаковые условия работы приводят к различным сечениям шины в двух нормативных системах, и разница не является незначительной. Подбор сечения следует начинать с предельных значений, а не с привычки: определить допустимое повышение, применить правильную расчётную температуру окружающей среды, затем выполнить подбор по справочнику номинальных токов с сохранением коэффициентов поправки. Обычным рабочим источником служит DIN 43671 с поправками на температуру среды и компоновку, и наш калькулятор токопроводимости шины применяет эти поправки, а не принимает стандартные условия за отправную точку.

Для расчёта по системе IEC可用ный маршрут верификации ограничен номинальным током, а свыше 1600 A расчётный метод полностью неприменим. Это ограничение изложено вместе с остальными граничными условиями в我们的 статье о верификации повышения температуры.