CC BY
17
УДК 621.31
ВЫРАВНИВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В ШКАФАХ АВТОМАТИКИ И РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
М. В. Сотников1, М. А. Облизин2, А. В. Клейменов3, С. В. Голобоков4
1,2,3,4Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
1mihailfurios7@gmail.ru 2oblizin.max@yandex.ru 3face_of_my_glass@mail.ru 4Golobokov_sv@mail.ru
Аннотация. Предложена методика исследования неравномерности температурных полей в замкнутом пространстве с характерной неоднородностью тепловых характеристик. Определены диапазоны изменения температур и градиентов температур внутри шкафов автоматики. Методом физического моделирования исследовано влияние температуры окружающей среды на распределение температур во внутреннем пространстве шкафов автоматики. Выполнено сравнение неравномерности температурных полей системы обогрева на основе классических трубчатых электронагревателей (ТЭНов) и фольгового нагревателя. Установлено, что градиент температурных полей, создаваемых ТЭНом, составляет 0,5 °С/мм. Градиент температур на поверхности фольгового нагревателя не превышает 0,2 °С/м. Неравномерные температурные поля вызывают деформации, механические напряжения и обрывы конструктивных элементов автоматики. Выравнивание температурных полей во внутреннем пространстве шкафов автоматики позволит повысить показатели надежности и безотказной работы.
Ключевые слова: система стабилизации температуры, градиент температур, ТЭН, фольговый нагреватель
Для цитирования: Сотников М. В., Облизин М. А., Клейменов А. В., Голобоков С. В. Выравнивание температурных полей в шкафах автоматики и релейной защиты // Вестник Пензенского государственного университета. 2023. № 3. С. 104-110.
Эксплуатация систем управления, автоматики и блокировки в районах Крайнего Севера требует создания параметров микроклимата внутри шкафов и оборудования. Применение современных микропроцессорных устройств, контроллеров, информационно-измерительных систем и средств связи на основе микроэлектроники позволяет организовать работу систем на качественно более высоком уровне. Однако замена электромагнитных реле с широкими климатическими границами накладывает комплекс требований по температуре и влажности окружающей среды. Поддержание заданной температуры выполняется нагревательными устройствами на основе ТЭНов, пластинчатых нагревателей или греющего кабеля. С помощью аналогичных систем выполняется борьба с инеем, конденсатом, загустеванием смазки и потерей подвижности кинематических схем вследствие обледенения.
Диапазон температур окружающей среды в соответствии с ГОСТ 15150-69 для устройств климатического исполнения (УХЛ) (эксплуатация в районах с умеренным и холодным климатом) составляет от +40 до -60 °С. Относительная влажность воздуха -до 100 % при 25 °С. Диапазон рабочих температур комплектующих и микросхем в соответ-
© Сотников М. В., Облизин М. А., Клейменов А. В., Голобоков С. В., 2023
ствии с ГОСТ 18725-83 для устройств климатического исполнения УХЛ продукции общего назначения составляет от +85 до -25 °С. Величина относительной влажности воздуха должна быть не более 98 % при температуре 35 °С без конденсации влаги [1].
Блоки релейной защиты (РЗА), которые установлены на открытом воздухе в районах Крайнего Севера и Дальнего Востока, а также на судах, эксплуатирующихся по трассе Северного морского пути, в зимнее время периодически оказываются в условиях предельно низких температур. Разработчики и производители аппаратуры принимают комплекс мер для создания рабочих температур путем обогрева оборудования, систем измерения и управления [2].
Самым неблагоприятным режимом работы блоков РЗА является холодный запуск. Оборудование, устройства автоматики после длительного хранения зимой имеют температуру окружающей среды, которая может выходить за пределы, определенные техническими условиями (ТУ). В этом случае возможны ложные срабатывания защит или полный отказ систем управления. Такой отказ автоматики делает невозможным или даже опасным запуск оборудования.
Перед холодным пуском оборудования включают систему обогрева блоков РЗА, приводов, вспомогательных систем. Иногда процесс подготовки к запуску занимает несколько часов [2]. Необходимо добиться нагрева внутреннего пространства шкафов автоматики, рессиверов, магистралей трубопроводов, элементов приводов до рабочей температуры. Пока не прогрелась смазка, запуск механизмов невозможен или приведет к их поломке.
Серьезную проблему представляет вода в виде жидкости, конденсата или инея. Обледенение элементов приводов ведет к потере их подвижности и нарушению кинематических схем. При охлаждении влажного воздуха появляется конденсат, а при отрицательных температурах внутреннее пространство покрывается инеем. При нагревании воздуха кристаллы инея подтаивают и капельки влаги проникают в зазоры, трещины, вызывают коррозию металлов, разрушение покрытий, герметиков, красок.
В элементах РЗА применяются различные конструкционные материалы - металлы, керамика, эбонит, пластмассы [3]. Все они имеют разные коэффициенты линейного расширения и при нагреве или охлаждении меняют свои размеры. В элементах конструкции возникают механические напряжения, которые вызывают обрывы токоведущих дорожек, элементов крепления, микротрещины, деформации, коробления, нарушение герметичности.
В результате внешних климатических воздействий происходит старение материалов, ухудшение параметров. При многократных сменах температур изменения накапливаются, становятся видимыми и при достижении предельных значений приводят к отказу оборудования или блоков РЗА. Поэтому созданию комфортных условий окружающей среды блоков РЗА уделяется серьезное внимание. Все узлы наружной установки комплектуются дополнительными системами создания микроклимата.
В процессе работы в токоведущих частях автоматики выделяется тепло, блоки нагреваются. Полупроводники, на основе которых построены все современные интегральные микросхемы, очень чувствительны к перегреву. При температуре 90-95 °С в полупроводниковой микросхеме начинают происходить необратимые изменения, в результате чип выходит из строя.
Термодатчик в контроллере располагается не в самом кристалле, а на корпусе или подложке микросхемы, он будет показывать температуру примерно на 5 °С меньше, чем температура кристалла. Следовательно, максимальная температура процессора не должна повышаться свыше 85-90 °С, а рабочая температура всего устройства - не выше 75-80 °С.
Производители процессоров предусмотрели средства контроля и защиты своей продукции от повышенной температуры. Например, компьютер на основе процессора
AMD по достижении процессором пороговой температуры просто выключится. Такая максимальная рабочая температура процессора устанавливается в BIOS и может колебаться от 70 до 90 °С [4].
Второй важной задачей системы стабилизации температуры является эффективное охлаждение блоков РЗА в летнее время. Для надежной работы всех блоков РЗА с микропроцессорными комплектами в летнее время следует предусматривать меры естественного охлаждения внутреннего пространства шкафов автоматики, особенно наружной установки. Если тепловыделение аппаратуры значительное и естественной конвекции недостаточно, устанавливают принудительную вентиляцию [1].
Все ответственные механизмы имеют сигнализацию перегрева, тепловую защиту и блокировку пуска в случае перегрева. Установка дополнительных устройств усложняет системы, повышает их стоимость, но снижает вероятность возникновения аварийных ситуаций.
Для исследования тепловых процессов изготовлена физическая модель шкафа автоматики с разными нагревателями. Внешний вид представлен на рис. 1.
Рис. 1. Лабораторная установка с фольговым нагревателем
Теплофизические свойства воздуха в зоне положительных и отрицательных температур меняются незначительно. Важное влияние на протекание процессов теплоотдачи оказывает разность температур. Поэтому в реальной эксплуатации при температуре внутри шкафа автоматики 5 °С перепад температур с окружающей средой составит 45 °С. При температуре воздуха в лаборатории 20 °С и перепаде 45 °С необходимо поддерживать температуру внутри шкафа 65 °С. Регулирование температуры в шкафу в установившемся режиме выполняется с помощью теплового реле.
Исследование температурных полей выполняется с помощью тепловизора «ТеБ^-882», обработка снимков выполнялась программой «¡х-боЙ». Погрешность измерения температуры составляет 0,3 °С. Достоинством тепловизора являются наглядность и оперативность. Структуру полей в инфракрасных лучах прибор преобразовывает в видимое изображение.
Кроме максимальной и минимальной температур, важное значение имеет такой показатель, как градиент - изменение температуры поверхности объекта по разным направлениям. Если блок или модуль имеет примерно одинаковую температуру всех точек, его детали при нагреве расширяются, линейные удлинения пропорциональны размерам блока. Блок сохраняет правильную геометрическую форму, сопрягаемые части расширяются одинаково.
Для количественной оценки необходимо измерить значение температур в заданных токах пространства, которые привязаны к локальной системе координат. Градиент температур считается по формуле
grad Т =
где Т1 и Т2 - температуры двух соседних точек; хг и Х2 - координаты соседних точек на поверхности.
Значительный градиент температур приводит к неравномерному нагреву, тепловому расширению, механическим нагрузкам на детали крепления, деформациям, короблению корпусов, нарушению герметичности.
Видимый и тепловой снимки шкафа автоматики с обогревателем на основе ТЭНа [5] представлены на рис. 2, 3.
Рис. 2. Система стабилизации температур на основе ТЭНа
Рис. 3. Тепловой снимок защитного экрана
Исследование распределения температур выполнялось путем физического моделирования. Для выполнения натурных испытаний необходимо поместить шкаф автоматики в среду с температурой -40 °С. С этой целью надо выехать в район Крайнего Севера зимой или воспользоваться климатической камерой. Каждому значению температуры при-
сваивается свой цвет. На снимке дается цветовая шкала с диапазоном, для оценки температуры в исследуемой точке выдается цифровое значение. Результатом обработки теплового снимка является массив точек с рассчитанной температурой.
В табл. 1 представлены результаты распределения температур внутри шкафа. Программа позволяет строить профиль температур по заданному направлению. Такая опция существенно облегчает вычислительные операции.
Таблица 1
Данные для расчета градиента температур
№ хъ мм Х2, мм Т1, °С Т2, °С grad Т
М1 120 160 54 26 -0,7
М2 44 52 40 46 0,750
М3 260 130 38 44 -0,046
М4 420 260 42 38 0,025
М5 80 92 34 36 0,167
М6 370 388 42 26 -0,889
По смене цвета картинки визуально выделяется область с наибольшим градиентом температуры и задается зона для выполнения расчетов. На оптическом снимке видны координаты точек, полученные проекцией характерных точек на шкалу линейки. В качестве реперных точек задают границы блоков, крепежные элементы, соприкосновение разных материалов.
Контроль температуры воздуха внутри шкафа выполняется мультиметром Master-DX с подключенной термопарой ХК-68. Блок автоматики удерживает заданную температуру 50 °С, перепад температур соответствует реальным условиям эксплуатации. На рис. 4 представлена диаграмма распределения температур на внешних поверхностях шкафа автоматики. Для защиты персонала от случайного касания и выполнения требований пожарной безопасности ТЭН закрыт решеткой, которая также способствует снижению градиента температур и ограничивает нагрев внутреннего пространства излучением.
Рис. 4. Распределение температур на внешних поверхностях
Градиент температур в области над нагревателем должен быть максимальным. По мере подъема за счет перемешивания воздуха происходит выравнивание температур, градиент снижается. В целом ТЭН с защитной решеткой дает достаточно равномерное распределение температур во внутреннем пространстве. На рис. 5 дана картина температурных полей в области электромагнитных реле и таймера.
^ттШ
49,3 'С
47,5 Н 45,0 I - 42,5
1-40,0
-35,0
35,0 'С
Рис. 5. Тепловой снимок корпусов реле внутри шкафа автоматики
Анализ распределения температур во внутреннем пространстве шкафа автоматики показывает, что по мере удаления от нагревателя вверх уменьшаются температура и величина градиента. Наибольший градиент температур обнаружен на нижней грани крышки электромагнитного реле. Особенно сильный нагрев заметен на углах коробов.
Нагрев внутреннего пространства выполняется за счет естественной конвекции. ТЭН представляет собой линейный нагреватель, температура внешней поверхности при длительной работе достигает 300 °С [3].
В пристеночной области происходит нагрев слоев воздуха, более теплые слои поднимаются вверх, на их место сбоку поступают порции холодного воздуха. Восходящие теплые потоки воздуха нагревают блоки и элементы, стенки шкафа, остывают и спускаются вниз. Внутри шкафа автоматики возникает замкнутый циркуляционный поток.
На рис. 6 представлен тепловой снимок системы обогрева с гибким фольговым нагревателем.
Рис. 6. Тепловой снимок фольгового нагревателя
Фольговый нагреватель имеет равномерное распределение тепловой мощности по всей поверхности, поэтому градиент температур в рабочей зоне незначителен. Следует обратить внимание, что на краях нагревателя формируется граница нагретого и холодного воздуха, возникает значительный градиент температур, обусловленный краевыми эффектами. Другая особенность в том, что мощность фольгового нагревателя составляет
120 Вт, его применение предпочтительно для локального обогрева, например, только контроллера. Температура его внешней поверхности в воздухе составляет не более 80 °С [6].
При значении температуры окружающего воздуха -40 °С для удержания температуры внутри шкафа 5 °С расчетная мощность составляет 200 Вт. Мощность ТЭНа составляет 660 Вт, для такого шкафа автоматики она избыточна. ТЭН позволяет удерживать рабочую температуру по всему внутреннему объему. С точки зрения надежности аппаратуры такой вариант является предпочтительным, но включение ТЭНов большой мощности серьезно проигрывает в плане энергетической эффективности [2]. Применение большого количества шкафов автоматики на сложных объектах приведет к неоправданному перерасходу электроэнергии на собственные нужды.
Список литературы
1. Будко П. А., Винограденко А. М., Гойденко В. К. Методика теплового диагностирования и контроля технического состояния радиоэлектронного оборудования // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2019. Т. 11, № 1. С. 12-19.
2. Сотников М. В., Облизин М. А., Голобоков С. В. Влияние мощности нагревателей на показатели точности системы стабилизации температуры блоков автоматики // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации (Шляндинские чтения - 2021) : материалы XIII Междунар. науч.-техн. конф. с элементами науч. школы и конкурсом науч.-исслед. работ для студентов, аспирантов и молодых ученых / под ред. Е. А. Печерской. Пенза, 2021. С. 111-114.
3. Обогреватели шкафов автоматики. URL: https://usgz.ru/osh.
4. Процессоры AMD для настольных ПК. URL: https://www.amd.com/ru
5. ТЭН-32. Каталог ООО «Красный луч». URL: https://krasluch.ru
6. Нагреватель шкафной конвекционный ШКН 220 В, 45 Вт. URL: https://www.42unita.ru
Информация об авторах Сотников Михаил Владимирович, магистрант, Пензенский государственный университет.
Облизин Максим Александрович, студент, Пензенский государственный университет.
Клейменов Андрей Витальевич, студент, Пензенский государственный университет.
Голобоков Сергей Владимирович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электроэнергетика и электротехника», Пензенский государственный университет.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
