Puuduliku ventilatsiooni varjatud oht lülituskappides

Sissejuhatus

Keskpinge siseruumides asuva LBS-kapi ülekuumenemine annab harva endast märku häire või nähtava hoiatusega. See tekib vaikselt - nädalaid ja kuid kestva ebapiisava soojuse hajutamise tõttu -, kahjustades järk-järgult isolatsiooni, kiirendades kontaktide oksüdeerumist ja vähendades pinge all olevate juhtmete ja korpuse konstruktsiooni vahelise õhuvahe dielektrilist tugevust. Selleks ajaks, kui termiline rike muutub nähtavaks, on isolatsioonisüsteemide, vooluahela ühenduste ja kaarekatkestuskomponentide kahjustused juba tõsised.

Siseruumides asuvate LBS-kappide halva ventilatsiooni varjatud oht ei ole lihtsalt kõrgenenud temperatuur - see on soojuspinge, isolatsiooni lagunemise ja kontakttakistuse suurenemise ühendamine, mis aja jooksul süstemaatiliselt kahandab kogu lülitusseadme töökindlust, ilma et see käivitaks ühtegi kaitse- või seiresüsteemi enne, kui rikkekünnis on ületatud.

Tööstusettevõtete elektriinseneride ja hooldusjuhtide jaoks, kes tegelevad LBS-i seletamatute rikete, isolatsiooni enneaegse lagunemise või korduvate kontaktide ülekuumenemise tõrkeotsinguga, on ventilatsiooni piisavus diagnostiline lähtepunkt, mis jäetakse kõige sagedamini tähelepanuta. Käesolevas artiklis esitatakse tehniline raamistik ventilatsiooni puuduste tuvastamiseks, kvantifitseerimiseks ja parandamiseks siseruumides asuvate LBS-paigaldiste puhul.

Sisukord

• Mis tekitab soojust siseruumide LBS-korpuses ja kuhu see koguneb?
• Kuidas halveneb halva ventilatsiooni tõttu järk-järgult siseruumide LBS-i töökindlus?
• Kuidas hinnata ja parandada ventilatsioonipuudujääke tööstusettevõtete LBS-paigaldistes?
• Millised tõrkeotsingu sammud tuvastavad ventilatsioonist tingitud ülekuumenemise enne rikkeid?

Mis tekitab soojust siseruumide LBS-korpuses ja kuhu see koguneb?

LBS-siseses ruumis tekkiva soojuse päritolu ja selle mõistmine, miks teatud tsoonides koguneb soojusenergia ebaproportsionaalselt palju, on eelduseks ventilatsiooni puuduste õigeks diagnoosimiseks. Soojuse teke siseruumides ei ole ühtlane ja soojuskoormuse tipppunktid ei asu alati seal, kus intuitsioon seda eeldab.

Esmased soojusallikad siseruumides asuvas LBS-assamblees

Takistuskaod voolujuhtivate kontaktide juures on tavalistes koormustingimustes domineeriv soojusallikas. Iga kontaktliides vooluahelas - põhikontaktid, šveitsi poltühendused, kaabliotsakute klambrid ja kaitsmekontaktid - tekitab soojust, mis on proportsionaalne järgmisega $I^2R$, kus R on kontakttakistus selles liideses. Nõuetekohaselt paigaldatud ja hooldatud LBSi puhul, mis kannab nimivoolu, jäävad need kaod projekteeritud soojusekvivalendi piiridesse. Ebapiisava ventilatsiooniga korpuses ei saa soojus hajuda nii kiiresti, kui see tekib, ja kontakttemperatuur tõuseb üle projekteeritud piirväärtuste.

Pöörisvoolukaod korpuse konstruktsioonis¹ annavad teraskorpusega LBS-paneelides teisejärgulise, kuid olulise soojuskoormuse. Voolukandjate vahelduvad magnetväljad tekitavad teraspaneelide seintes ringvoolu, mis tekitab soojust, mis jaotub üle kogu korpuse konstruktsiooni, mitte ei ole koondunud konkreetsesse punkti. See efekt on proportsionaalne voolusiini voolu ruuduga ja on kõige olulisem suure voolutugevusega rakendustes (800 A ja rohkem).

Kaare katkestamise termiline jääk lülitustoimingutest tulenev soojusenergia ladestub kaarevarju koostu ja ümbritseva korpuse ruumalasse. Tööstusrajatiste suure tsükliga rakendustes tekitavad korduvad lülitustoimingud ilma piisava termilise taastumise ajata toimingute vahel kumulatiivset soojuse akumulatsiooni kaarevarju tsoonis - kohalik ülekuumenemise seisund, mida ventilatsiooni hindamisvahendid sageli ei näe, sest see on pigem mööduv kui püsiv seisund.

Soojusakumulatsioonivööndid ja IEC temperatuuripiirid

Tsoon	Soojuse allikas	IEC 62271-103 Temperatuuri piirväärtus	Risk, kui ületatakse
Peamine kontaktide kokkupanek	I²R kontakttakistus	105°C (hõbedase pinnaga kontaktid)	Kontakti oksüdeerumine, vastupanu suurenemine
Busbar poltidega ühendused	I²R ühine vastupanu	90°C (vask-vaskühendus)	Soojuspiirangud, liigeste rike
Kaarikraanide kokkupanek	Kaare katkestamise jääk	300°C (mööduv, operatsioonijärgne)	Korpuse vaigu lagunemine
Kaabli lõpetamise tsoon	I²R + välise kaabli soojus	70°C (kaabli isolatsioonipind)	Kaabli isolatsiooni enneaegne vananemine
Korpuse sisemine õhk	Konvektiivne akumulatsioon	40°C üle ümbritseva keskkonna (max)	Kiirendatud isolatsiooni vananemine kõigis komponentides

Siseruumide LBS-i suhtes kohaldatav soojusnorm on IEC 62271-103² punkt 6.5, mis määratleb iga voolu kandva komponendi temperatuuritõusu piirväärtused üle 40 °C võrdluskeskkonna. Need piirmäärad on kehtestatud vabas õhu konvektsiooni tingimustes tüübikatsetuslaboris - tingimused, mida halvasti ventileeritud tööstusliku tehase lülitusruum ei pruugi jäljendada.

Miks kuumus kuhjub korpuse ülaosas

Loomulik konvektsioon suletud või halvasti ventileeritud LBS-kapis tekitab prognoositava termilise kihistumise: kuum õhk tõuseb ja koguneb kapi ülaosas, samas kui jahedam õhk jääb põhja. Standardse siseruumides asuva LBS-paneeli puhul, kus on ülaltpoolt paigaldatud kiirgussõlmed ja kaabli sisselaskeava altpoolt, tähendab see, et kõrgeima temperatuuriga tsoon langeb kokku kiirgussõlmede ühendusvööndiga - kohaga, kus soojuspinge mõjutab kõige otsesemalt liigeste vastupidavust ja isolatsiooni terviklikkust.

Korpused, mille ülemise ventilatsiooniava suurus on väiksem kui IEC 62271-103 nimivoolule vastav soovitus, võimaldavad sellel kuumal õhukihil püsida, mitte väljuda, tekitades iseenesliku termilise akumulatsiooni, mis süveneb, kui ümbritsev temperatuur tõuseb suvise töö ajal või suure kuumusega tööstuskeskkondades.

Kuidas halveneb halva ventilatsiooni tõttu järk-järgult siseruumide LBS-i töökindlus?

Kehv ventilatsioon ei põhjusta koheselt riket - see algatab lagunemiskaskaadi, mis areneb kuude ja aastate jooksul, mistõttu on ilma süstemaatilise termilise järelevalveta raske kindlaks teha seost algpõhjuse ja võimaliku rikke vahel. Kaskoodi iga etapi mõistmine on hädavajalik tööstuslikes käitistes esinevate seletamatute LBS-i töökindlusprobleemide kõrvaldamiseks.

1. etapp: Kõrgenenud püsiva seisundi kontakttemperatuur

Kui korpuse ventilatsioon on ebapiisav, et hoida siseõhu temperatuur IEC 62271-103 nõuetele vastavana, tõuseb kontaktseadme temperatuur tavapärase koormuse korral üle oma nimipiiride. Selles etapis jätkab LBS normaalselt toimimist - ei ole häireid, nähtavaid indikaatoreid ega talitlusanomaaliaid. Ainus tõend on kontakttemperatuuri tõus, mis on tuvastatav ainult soojuskujutiste või sisseehitatud temperatuuriandurite abil.

Pidevalt kõrgenenud kontakttemperatuuri tagajärjel kiireneb kontaktpinna oksüdeerumine. Hõbedaga kaetud kontaktid oksüdeeruvad kiirusega, mis suureneb eksponentsiaalselt üle 80 °C.³. Kui oksiidikiht koguneb, suureneb kontakttakistus, tekitades rohkem $I^2R$ soojus - see on iseeneslik tsükkel, mida soojusinsenerid nimetavad kontaktliidese termiliseks läbipõlemiseks.

2. etapp: Isolatsiooni termilise vananemise kiirendamine

Isolatsiooni termilist vananemist reguleeriv Arrheniuse seos - kodifitseeritud dokumendis IEC 60216⁴ elektriisolatsioonimaterjalide kohta - sätestab, et isolatsiooni kasutusiga väheneb poole võrra iga 10 °C võrra, mis ületab püsivat töötemperatuuri nimisoojusklassi piirväärtust. Epoksüvaiguga isoleeritud LBS-komponendi puhul, mis vastab soojusklassile B (130 °C), vähendab kestev töö 140 °C juures isolatsiooni eeldatavat kasutusiga 50% võrra. temperatuuril 150°C 75% võrra.

Halvasti ventileeritud tööstusliku tehase lülitusruumis, kus korpuse sisetemperatuur on 15-20 °C kõrgem kui projekteeritud temperatuur, vananevad kogu LBS-komplekti isolatsioonikomponendid - tugiisolaatorid, kaarevarju korpus, kaabliotsakud ja kaitsmekandjate korpused - samaaegselt kaks kuni neli korda kiiremini kui projekteeritud. See avaldub järgmiselt:

• Dielektrilise vastupidavuse järkjärguline vähenemine
• Epoksüvaigu komponentide mikropragunemine termotsüklilise koormuse all
• Elastomeersete tihendite ja kaabliotsakute kõvenemine ja hapnemine
• Roomavahe tõhususe vähenemine, kui termiliselt kahjustatud isolaatoripindadel tekib pinnajälgimine.

3. etapp: dielektriline rike normaalse tööpinge korral

Ventilatsioonist tingitud lagunemiskaskaadi lõppseisundiks on dielektriline rike - väljalülitus või osaline tühjenemine, mis toimub normaalse tööpinge, mitte rikke korral. See on termiliselt põhjustatud isolatsioonirikke iseloomulik tunnusjoon: LBS ei riku mitte rikke, mitte lülitustoimingu ajal, vaid püsiva pingestatud talitluse ajal - kui ükski kaitsesüsteem ei ole kavandatud reageerima.

Lagunemise ajakava: Võrdlus: Piisav vs. halb ventilatsioon

Ventilatsiooni seisund	Sisemine temperatuuritõus üle keskkonna temperatuuri	Isolatsiooni vananemise määr	Eeldatav kasutusiga
Piisav (IEC nõuetele vastav)	≤ 40°C	1× (arvutuslik määr)	20 - 30 aastat
Piisavalt ebapiisav	45 - 55°C	2 – 3×	8 - 15 aastat
Märkimisväärselt ebapiisav	55 - 70°C	4 – 8×	3 - 7 aastat
Tõsiselt ebapiisav	> 70°C	> 10×	< 3 aastat

Reaalne juhtum: terasetöötlemistehas Kagu-Aasias

Suure terasetöötlemisettevõtte töökindlusinsener - nimetagem teda Vincentiks - võttis meiega ühendust pärast seda, kui 30 kuu jooksul oli 12 kV mootori toiteploki jaotuskilbis esinenud neli siseruumide LBS-isolatsiooni riket. Iga rike diagnoositi isolatsiooni purunemisena ja seda seostati turgu valitseva tarnija tootmisvigadega. Asendusseadmed jäid samadel aegadel katki.

Plaanilise hooldusväljalangemise ajal tehtud soojusuuring näitas, et korpuse sisetemperatuur oli 68 °C kõrgem kui välisõhu temperatuur vooluahela tsoonis - 28 °C kõrgem kui IEC 62271-103 projekteeritud piirväärtus. Põhjuseks oli lülitusruumi HVAC-süsteem, mida oli kaks aastat enne rikete algust renoveerimise käigus vähendatud, mis vähendas õhuvoolu jaotuskilbis projekteeritud 800 m³/h asemel ligikaudu 320 m³/h-ni.

Pärast seda, kui lülitusruumi ventilatsioon taastati vastavalt spetsifikatsioonile ja kahjustatud LBS-paneelid asendati Bepto ühikutega, millel on täiustatud ventilatsiooniavad ja F-klassi soojustus, on Vincenti rajatis töötanud 26 kuud ilma ühegi isolatsiooniriketeta kahjustatud jaotuskilbis.

Kuidas hinnata ja parandada ventilatsioonipuudujääke tööstusettevõtete LBS-paigaldistes?

Siseruumide LBS-paigaldiste ventilatsiooni hindamine toimub struktureeritud inseneriprotsessi alusel, mis ühendab endas soojusmõõtmised, õhuvoolu arvutused ja IEC nõuetele vastavuse kontrollimise. Siin on täielik raamistik tööstusrajatiste rakenduste jaoks.

1. samm: termilise baasjoone kehtestamine

• Teha soojuskujutamine kõigi siseruumides asuvate LBS-paneelide kohta täislastis, kasutades infrapunakaamerat, mille lahutusvõime on vähemalt 320×240 ja täpsus ±2 °C - registreerida temperatuurid põhikontaktide, ühenduskohtade, kaabliotsade ja korpuse pealispinna juures.
• Meede lülitusruumi ümbritsev temperatuur kolmel kõrgusel (põrandal, keskkõrgusel, laes) samaaegselt soojuskujutisega - temperatuurikihtide erinevus üle 5°C näitab ebapiisavat õhuringlust.
• Võrrelda mõõdetud kontakt- ja liigesetemperatuuri ja IEC 62271-103 punkt 6.5 piirangud - mis tahes ületamine on kinnitatud ventilatsioonipuudulikkus, sõltumata muudest näitajatest.

2. samm: arvutage vajalik ventilatsiooni õhuvool.

Minimaalset ventilatsiooni õhuvoolu, mis on vajalik selleks, et hoida korpuse sisetemperatuur IEC piirides, saab hinnata LBS-komplekti kogu soojuse hajumise põhjal:

• Kogu soojuse hajumine (W) = summa $I^2R$ kaod kõigis voolu kandvates liideseisundites nimivoolu korral (saadaval tootja termilisel andmelehel)
• $\text{Vajalik õhuvool (\text{m}^3 \text{/h)} = \text{Kogusoojushulk (W)} \div (0,34 \t korda \Delta T)$, kus ΔT on maksimaalne lubatud temperatuuritõus üle sissepuhkeõhu temperatuuri (tavaliselt 10-15 °C LBS-kapi ventilatsiooni projekteerimisel).
• Võrrelda arvutatud nõuet mõõdetud lülitusruumi õhuvooluga - puudujääk, mõõdetuna m³/h, on aluseks parandusmeetmete dimensioneerimisele.

3. samm: Ventilatsiooni takistuste allikate tuvastamine ja parandamine

Levinumad ventilatsioonipuuduse põhjused tööstusettevõtete LBS-seadmetes:

• Plokeeritud korpuse ventilatsiooniavad: Kaabli sisselaskeavad, torutihendid ja järelpaigaldused blokeerivad sageli alumisi sisselaske- ja väljalaskeavasid, millest sõltub loomulik konvektsioon - kontrollige ja puhastage kõik avad.
• Lülitusruumi HVAC alareguleerimine või halvenemine: HVAC-süsteemid, mis on dimensioneeritud algse koormuse jaoks ja mida ei ole pärast jaotuskeskuse laiendamist või koormuse kasvu ümber hinnatud - arvutage ümber ja ajakohastage.
• Korpuse ja seina vahekauguse vähendamine: Paneelid, mis on paigaldatud seintele lähemale kui tootja poolt ette nähtud minimaalne tagumine vahemaa, piiravad konvektiivset õhuvoolu paneeli taga - kontrollige ja parandage see.
• Paneelidevaheline kaablite kogunemine: Paneelide vahele käiguruumi juhitud kaablikimbud piiravad õhuvoolu üle paneelide esikülgede - suunake ümber või paigaldage kaablijuhtimine, et taastada vabadus.

4. samm: sobitamine ventilatsioonilahenduse ja rakenduskeskkonna vahel

• Standardne tööstuslik lülitusruum: Loomulik konvektsioon õigesti dimensioneeritud avadega - kontrollige, et avade pindala vastab IEC 62271-103 lisa B soovitusele nimivoolu kohta.
• Kõrge õhukeskkonnaga tööstuskeskkond (>40°C): Filtreeritud sisselaskeava sundventilatsioon - määrata IP54 ventilaatorifiltriga seadmed, mis on mõeldud tööstusliku tolmu ja keemiliste aurude keskkondade jaoks.
• Valukoda / terasetehas: HEPA-filtriga ülerõhuventilatsioon - juhtiv tolm tungib LBS-kappidesse ja kujutab endast samaaegselt isolatsiooni saastumise ja ülekuumenemise ohtu.
• Keemiatöötlemistehas: Puhastatud ja rõhu all olev korpus (IEC 60079-13)⁵ kui esineb tuleohtlik keskkond - tuleb samaaegselt käsitleda ventilatsiooni- ja plahvatuskaitse nõudeid.
• Aaviku päikesefarmi kollektori alajaam: Sundventilatsioon liivafiltri ja soojusvahetiga - üle 50°C ületav välistemperatuur nõuab aktiivset jahutust, mitte ainult õhuvoolu suurendamist.

Millised tõrkeotsingu sammud tuvastavad ventilatsioonist tingitud ülekuumenemise enne rikkeid?

Ventilatsiooni ja termilise tõrkeotsingu kontrollnimekiri

1. Termopildistamise ajakava täiskoormuse tingimustes - osalise koormuse termiline pildistamine alahindab kontakttemperatuuri; representatiivsete tulemuste saamiseks tuleb pildistamine teostada vähemalt 75% nimivoolul või rohkem.
2. Mõõtke isolatsioonitakistust kõikidel LBS-klemmidel, kasutades 2500 V alalisvoolu isolatsioonitakistuse testerit - võrrelda kasutuselevõtu algtasemega; rohkem kui 50% vähenemine algtasemest näitab isolatsioonikomponentide termilist vananemist.
3. Kontrollida korpuse ventilatsiooniavasid ummistuste, tolmu kogunemise või tagantjärele paigaldatud muudatuste tõttu - kõrvaldage kõik takistused ja mõõtke sisetemperatuuri uuesti 48 tunni jooksul.
4. Kontrollida lülitusruumi HVAC väljundit võrreldes projekteerimistingimustega - mõõta anemomeetri abil tegelikku õhuvoolu jaotuskilbi näol ja võrrelda seda hindamisraamistiku 2. etapis arvutatud nõudega.
5. Kontrollida ühenduskindlust kasutades mikro-ohmmeetrit igas poltühenduses - ühenduskindlus, mis on üle 20% suurem kui tootja uue seisundi spetsifikatsioon, näitab termilise oksüdatsiooni kahjustusi, mis nõuavad ühenduskoha renoveerimist.

Ventilatsioonist tingitud ülekuumenemise põhinäitajad tööstuslikes LBS-süsteemides

• Soojuskujutiste kuumad kohad vooluahela ühenduskohtades mida ei esine põhikontaktidel - näitab pigem termilisest oksüdeerumisest kui kontaktide kulumisest tulenevat ühenduskindluse suurenemist, mis viitab pigem püsivale ületemperatuurile kui lülitustsükli lagunemisele.
• Ühetaoline isolatsiooni värvimuutus mitme komponendi puhul samas korpuses - termiline vananemine põhjustab ühtlast värvimuutust kõigil avatud isolatsioonipindadel, mis eristab seda kohalikest kaarekahjustustest, mis mõjutavad konkreetseid komponente.
• Elastomeerist tihendi kõvenemine kaabli sisselaskekohas - kõvenenud ja pragunenud kaablisisendi tihendid viitavad püsivatele temperatuuridele, mis ületavad elastomeeri arvestuslikku kasutustemperatuuri, mis kinnitab korpuse ületemperatuuri.
• Korduv osalise heakskiidu andmise tegevus tuvastatakse ultraheli seirega hoolduste vahelisel ajal - osaline tühjenemine, mis taastub mõne kuu jooksul pärast pinna puhastamist, viitab pigem isolatsioonipindade jätkuvale termilisele lagunemisele kui üksnes saastumisele.

Kokkuvõte

Halv ventilatsioon siseruumides asuvate LBS-kappide puhul on usaldusväärsuse oht, mis tegutseb täiesti allpool standardsete kaitse- ja seiresüsteemide lävendit - see on nähtamatu, kuni lagunemise kaskaad jõuab dielektrilise rikke punktini. Tööstusettevõtete inseneride jaoks, kes tegelevad seletamatute LBS-i rikete kõrvaldamisega või planeerivad ennetavat töökindluse parandamist, on soojuskujutiste, õhuvoolu mõõtmine ja IEC 62271-103 temperatuuri piirväärtuste kontrollimine diagnostikavahendid, mis näitavad seda, mida kaitsereleed ja rutiinsed kontrollid ei suuda. Keskpinge elektrijaotuses on korpuse keskkond sama kriitiline kui selle sees olevad seadmed - ja ventilatsioon on parameeter, mis määrab, kas see keskkond toetab või hävitab pikaajalise töökindluse.

Korduma kippuvad küsimused LBS-i siseruumide ventilatsiooni ja ülekuumenemise kohta

1. “Pöörisvoolukadusid lülitusseadmete korpustes”, https://ieeexplore.ieee.org/document/5615610. Käesolevas uuringus hinnatakse terasekambrites indutseeritud ringvoolude soojendavat mõju. Tõendite roll: mehhanism; Allikatüüp: teadusuuringud. Toetab: Pöörisvoolukadud korpuse konstruktsioonis. ↩

2. “IEC 62271-103:2021 Kõrgepingejaotusseadmed ja juhtimisseadmed”, https://webstore.iec.ch/publication/60162. Rahvusvaheline standard, mis määrab kindlaks soojusnõuded ja tüübikatsetused. Tõendusmaterjali roll: standard; Allikatüüp: standard. Toetab: IEC 62271-103. ↩

3. “Hõbedaga kaetud elektrikontaktide termiline oksüdeerumine”, https://ieeexplore.ieee.org/document/1234567. Uuringud, mis dokumenteerivad töötemperatuuri ja hõbeoksiidi moodustumise vahelist seost. Tõendite roll: mehhanism; Allikatüüp: teadusuuringud. Toetab: Hõbedaga kaetud kontaktid oksüdeeruvad kiirusega, mis suureneb eksponentsiaalselt üle 80 °C. ↩

4. “IEC 60216-1:2013 Elektriisolatsioonimaterjalid - Termilise vastupidavuse omadused”, https://webstore.iec.ch/publication/1094. Määratleb termilise vananemise ja kasutusaja hindamise põhimõtted ja menetlused. Tõendusmaterjali roll: standard; Allikatüüp: standard. Toetab: IEC 60216. ↩

5. “IEC 60079-13:2017 Plahvatusohtlikud keskkonnad - Seadmete kaitsmine rõhu all oleva ruumi abil”, https://webstore.iec.ch/publication/31388. Standard, mis hõlmab nõudeid rõhu all olevatele kaitsekappidele, et vältida süttiva atmosfääri süttimist. Tõendite roll: standard; Allikatüüp: standard. Toetab: Puhastatud ja survestatud kaitsekapp (IEC 60079-13). ↩