Охлаждане на електрически табла

Oсновната функция на електрическите шкафове и табла е да предпазват намиращите се в тях устройства от влага, вода, омаслен въздух, корозивни пари или прах в околния въздух. Електроапаратурата обикновено има специфициран работен температурен диапазон и поради тази причина поставянето й в табла и шкафове, в които съществува риск от покачване на температурата, е проблем.

Отпадната топлина, генерирана от оборудването, е може би най-значимият фактор, оказващ въздействие върху надеждността на компонентите. Затова е важно още на етап проектиране да се избере ефективна стратегия за охлаждане на електрическите табла. Повечето охлаждащи системи включват комбинация от методи, като най-често използвани са естествената конвекция, принудителната конвекция и климатизацията.

Проблеми, свързани с температурата

Продължителността на експлоатационния живот и безпроблемното функциониране на електроапаратурата силно зависят от работните условия и режими. Всеки отделен компонент или вид електрическо оборудване има специфицирана от производителя максимална работна температура, например за честотни регулатори, контактори и захранвания тя е между 40 и 50°C, докато за батерии граничната стойност е по-ниска - около 30°C.

Някои от рисковете, свързани с високите температури, включват например неочаквано изключване на апаратурата, тъй като производителите програмират електрическите устройства да спрат работа при достигането на определена стойност. Повишената температура може да доведе и до по-ниска ефективност на електрооборудването и съответно до нежелани резултати. Установено е, че ефективността на честотните регулатори спада с 1% на всеки градус над 40°C.

Друга опасност, произлизаща от високите температури, е повредата на електроапаратурата. Освен това продължителната експозиция на по-високи от специфицираната температури ускорява амортизацията на оборудването. Компонентите работят по-трудно при повишена стойност на температурата, поради което се износват по-бързо и експлоатационният им живот се скъсява. В редки случаи прекомерно високата температура в електрическите табла може да доведе до стапяне на оборудването и дори до възникване на пожар.

Повечето производители указват ефекта на температурата върху техните електрически устройства чрез фактор на влошаване на ефективността при работа в среда с висока температура. Затова е важно да се идентифицира най-чувствителният елемент в едно табло и температурата вътре да се контролира спрямо неговия специфициран температурен диапазон.

Освен високите, и ниските температури влияят върху функционирането на електроапаратурата. Сред основните рискове, свързани с ниските температури, е например затрудненото стартиране на двигатели и честотни регулатори, дължащо се на загубата на смазващите свойства на маслото. Ниските температури оказват изявено въздействие върху качествата на материалите, особено върху пластмаси и различни еластомери, използвани за изработването на електрическите устройства.

Това ги прави опасни и ненадеждни за работа. Както е известно, водните пари кондензират при ниски температури, а в същото време изолиращите материали губят свойствата си. Тази комбинация може да доведе до образуване на електрическа дъга, което повишава и риска от пожар в таблото.

Топлинни товари

Първичният източник на топлина в електрическото табло е намиращото се в него оборудване. Както е известно, количеството полезна работа, което може да извърши едно устройство е ограничено. Следователно, излишната енергия се изпуска в околната среда под формата на отпадна топлина, която повишава температурата на въздуха в таблото. Например един 10 kW честотен регулатор отделя около 300 W топлина. При условие, че таблото е със среден размер, това би повишило температурата вътре с 1°C.

Вторичен източник на топлина в електрическите табла е околната среда. Когато околният въздух е с по-висока температура, протича топлопренос, който увеличава температурата и в таблото. Дебитът на топлинния поток зависи от температурната разлика, конструкционния материал на шкафа и изолацията. Слънчевата радиация може да доведе до съществено покачване на вътрешната температура, когато става въпрос за табла, разположени на открито.

Степента, в която слънчевата топлина може да повлияе на условията в таблото, зависи от местоположението на таблото, изолиращото му покритие, цвета и материала му, температурата на околната среда, влажността, състава на въздуха, надморската височина и характеристиките на вятъра.

Често в близост до разположените на открито или закрито електрически табла се намира и друго оборудване. Топлината, отделяна от промишлени съоръжения като шахтови пещи например, също може да повиши вътрешната температура на поставени наблизо шкафове с електроапаратура.

Естествена конвекция

Охлаждането посредством естествена конвекция е подходящо за повечето приложения, при които се генерира топлина с умерена температура. Възможно е температурата в електрическите табла да надвишава околната, но да влиза в определения температурен интервал на разположените вътре компоненти. От ключово значение при използването на този метод е осигуряването на път за свободното преминаване на въздушния поток.

Шкафовете трябва да разполагат с достатъчно вентилационни отвори в горния и долния си край, за да се създадат условия за движение на въздушните маси и естествена тяга. Най-добрият начин за естествена циркулация на въздуха в таблото е изтеглянето му отдолу нагоре.

Горните капаци на шкафовете могат да бъдат фиксирани или подвижни, вентилирани или не. Въпреки че фиксираните капаци са по-евтини, те блокират достъпа от горната страна и затрудняват преминаването на кабели и монтирането на вентилатори. Вентилираните капаци позволяват естествено отделяне на горещия въздух и допринасят за охлаждането на таблото. Някои производители предлагат вентилирани горни капаци с предварително пробити дупки за инсталиране на вентилатор, в случай че е необходим такъв.

Един от проблемите, свързани с вкарването на въздух в таблото, е рискът от постъпването на прах и други нежелани частици с него. Жалузите са предпочитани за поставяне на входните и изходните вентилационни отвори при конвективно охлаждане, тъй като в определена степен осигуряват защита от прах и същевременно предпазват намиращата се в таблото електроапаратура.

Всеобщо възприета погрешна представа е, че генерираната от електрическото оборудване топлина не оправдава инсталирането на активна система за управление на температурата в таблото. Все още по-често прилагано от инженерите решение е увеличаването размерите на таблото и/или прилагането на естествена конвекция. Този метод обаче има своите недостатъци и не е подходящ за редица приложения.

Топлият въздух се издига до горната част и ако няма вентилационна система, може да се стигне до съществени температурни разлики в различни области в електрическите шкафове. Така могат да се формират нежелани “горещи точки”, които да повредят електроапаратурата. Липсата на активна охлаждаща система обуславя невъзможността температурата в таблото да бъде свалена до стойност под тази на околния въздух. Това може да влоши производителността на оборудването, в случай че температурата на околната среда е по-висока от специфицираната работна температура.

Естествената конвекция зависи до голяма степен от вятъра за разположени на открито табла. Вследствие на това всяка промяна в характеристиките на вятъра може да доведе до недостатъчно охлаждане на електрическия шкаф. В тези случаи от значение е и съставът на въздуха. Таблата, поставени в тежки работни условия, например в нефтохимично предприятие или мина, не могат да бъдат охлаждани посредством естествена конвекция, тъй като въздухът в таблото би се замърсил.

Използването на филтри при естествена конвекция е ограничено, защото при прилагането на този метод не се ползват вентилатори, които активно да задвижват въздушните маси. Освен това филтрите са свързани с пад на налягането - колкото по-фин е филтърът толкова по-голям е падът.

При естествено движение на въздуха всяко препятствие води до понижаване на дебита, т. е. за естествена конвекция могат да се ползват само по-груби филтри. Също така в някои приложения се изисква електрическите табла да са херметично затворени. В такива случаи ползването на охлаждаща система тип затворен цикъл е задължително.

Системи за управление на температурата

Решенията за управление на температурата са разнообразни - от прости вентилатори с филтър до топлообменници и климатици. Изборът на решение, разбира се, зависи от конкретното приложение. В зависимост от степента на сложност на системата за температурен контрол и от изискванията за самото приложение, цената също варира в широки граници.

Вентилаторите с филтър например са подходящи за случаи, при които е необходимо слабо до умерено разсейване на топлината в табла, разположени в хладна, чиста и суха въздушна среда. При екстремни и рискови условия на средата, каквито са например в мините и рафинериите, е необходимо монтирането на специално проектиран за работа в такива условия топлообменник тип въздух-въздух или климатик.

Топлообменниците въздух-въздух работят на принципа на охлаждане тип затворен цикъл. Те позволяват охлаждане на електрическото табло без да се ползва въздух от външната среда, който може да е прекалено горещ или замърсен. Топлообменниците са с по-ниски първоначални инвестиционни разходи и принципно поддръжката им е по-евтина, отколкото на климатиците. Съоръженията тип вода-въздух обикновено се прилагат при тежки работни условия. Те са особено подходящи за употреба в силно замърсени среди, при които се налага често почистване или подмяна на въздушните филтри.

Климатиците се използват, когато се изисква по-висока степен на топлопренос и затворен цикъл на охлаждане. Те имат заредени с хладилен агент компресори, които се управляват чрез термостат, за да се поддържа температурата в таблото в определени граници и същевременно да се пести енергия между работните цикли. Първоначалните инвестиционни и експлоатационните разходи са по-високи в сравнение с тези на топлообменниците.

Независимо от приложението, една ефективна система за управление на температурата повишава надеждността и удължава експлоатационния живот на електрическите табла, като осигурява съответствие с изискванията на оборудването, свежда до минимум проникването на замърсители, масло и влага в шкафа, редуцира разходите, свързани с неефективно функциониране на устройствата при високи температури, и минимизира разходите за поддръжка и необходимостта за поправка или подмяна на устройствата.