ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ, ЗАЩИТЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ТРОПИЧЕСКИХ И ХОЛОДНЫХ ЗОН
3-1. НОМИНАЛЬНЫЕ КЛИМАТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ДЛЯ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
Климатические факторы для тропических и холодного климатов приведены в табл. 3-1.
Для изделий тропического исполнения, предназначенных для работы в качестве встроенных элементов в комплектных устройствах (аппаратуре), верхнее и расчетное значения температуры окружающего воздуха могут быть выше указанных в табл. 3-1 соответственно на величины максимального и среднего (с учетом режима работы) превышений температуры в аппаратуре над температурой окружающей среды. В этом случае верхнее и расчетное значения температуры должны указываться в техническом задании и технических условиях на изделие. Верхние и расчетные температуры в этом случае могут не совпадать.
Электрооборудование в морском тропическом исполнении должно быть изготовлено для температур как +45, так и +50 С с указанием его технических параметров для работы при обоих значениях температуры. При этом в связи с тем, что ряд изделий морского исполнения имеет некоторый тепловой запас, номинальные параметры изделий морского тропического исполнения должны быть рассчитаны для единой температуры +45° С. В документации на изделия (формуляры, каталоги, информационные материалы и т. п.) должны быть указаны параметры изделий при температурах как +45, так и +50° С.
Для электротехнических изделий тропического исполнения, предназначенных для работы только в ночное время и установленных на открытом воздухе или под навесом (электроосветительная аппаратура и источники света), расчетное значение температуры может быть снижено на 5° С по сравнению с номинальной расчетной.
Для изделий северного исполнения, работающих на открытом воздухе и работоспособность или номинальные параметры которых существенно зависят от максимальной температуры окружающей среды (например, для тепловых реле), верхнее рабочее и предельное значения температур воздуха при эксплуатации принимаются равными +50, а расчетное +40° С.
На территории СССР в районах холодного климата верхнее и среднее значения температуры примерно на 10° С ниже, чем в зоне умеренного климата, и поэтому в принципе можно было бы за расчетную температуру (верхнее значение) принять не +40, а +30° С. Однако это привело бы к тому, что электрооборудование исполнения ХЛ не было бы пригодным для применения в районах с умеренным климатом, что экономически невыгодно.
Однако для экспортного (практически только в Гренландию и Канаду) электрооборудования за счет снижения верхнего значения расчетной температуры можно было бы получить лучшие энергетические показатели.
В качестве нижнего рабочего и предельного значений температуры для районов с холодным климатом принято —60° С. Хотя даже на территории СССР иногда встречаются и более низкие температуры, но районы с этими значениями температур так малы, что их нецелесообразно учитывать при массовых поставках.
Электрооборудование, рассчитанное для эксплуатации при температурах, более низких, чем —60° С (характерно, например, для Антарктиды и некоторых районов СССР, Канады а Аляски), должно иметь специальное индивидуальное исполнение.
3-2. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКТИВНОГО ИСПОЛНЕНИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
1. Основные положения
Электротехнические изделия изготовляются в следующих исполнениях:
для работы в условиях как влажного, так и сухого тропического климата (Т);
для работы в условиях морского тропического климата (ТМ);
для работы в условиях сухого тропического климата (ТС);
для работы в условиях холодного климата (ХЛ или северное исполнение).
Номинальные значения климатических факторов для изделий исполнения Т состоят из наиболее тяжелых факторов, характерных для тропического сухого и влажного климата, и выбираются по табл. 3-1.
Таблица 3-1
Номинальные значения климатических факторов для электротехнических изделий тропического и северного исполнений
Из сравнения климатических факторов можно видеть, что изделия в исполнении Т должны обладать большей влагостойкостью и плеснестойкостью, чем в исполнении ТС: К изделиям исполнения ТС предъявляются более высокие требования в отношении пылезащищенности и способности работать в более широком диапазоне температур.
Основным климатическим фактором, влияющим на габариты электротехнического изделия, является температура окружающего воздуха. Для всех видов тропического климата эта температура одинакова, что и определяет одинаковые габариты оборудования.
Вторым фактором, влияющим на исполнение тропического электрооборудования, является влажность воздуха, которая во влажном и морском тропических климатах во много раз выше, чем в сухом. Однако в сухом тропическом климате вследствие резких перепадов температур наблюдается частое и обильное выпадение росы. Поэтому влагостойкость электрической изоляции необходимо учитывать для всех видов тропического климата. Кроме того, учитывая требования надежности, для электрооборудования следует применять электроизоляционные материалы с повышенной нагревостойкостью на основе стекловолокна, слюды и синтетических смол, а эти материалы обладают также повышенной влагостойкостью.
В сухом и морском тропических климатах нет плесени; во влажном тропическом климате она может развиваться, но ее появление в электрооборудовании возможно только тогда, когда оно длительное время находится в нерабочем состоянии. Таким образом, для электрооборудования плеснестойкость не является характеристикой, определяющей выбор материалов. Поэтому для электрооборудования в исполнениях Т, ТС и ТМ применяют одинаковые электроизоляционные материалы.
Защита от коррозии указанного электрооборудования также одинакова. Однако учитывая меньшую опасность коррозии в электрооборудовании, работающем в сухом климате, если применяются рекомендованные конструкционные металлы и способы их защиты, готовое оборудование подвергают облегченным испытаниям на влагостойкость.
Таким образом, по конструктивному выполнению различий между изделиями, поставляемыми в страны с сухим или влажным тропическим климатом и в морском тропическом, исполнении, почти нет, хотя в сухом климате условия работы электрооборудования в общем более благоприятны. Поэтому электротехнические изделия, поставляемые в страны с тропическим климатом (за исключением исполнения ТМ), выпускают в основном в исполнении Т, т. е. для работы в условиях как сухого, так к влажного тропического климата.
Допускается изготовление некоторых изделий в исполнении ТС. В этих изделиях применяют провода с изоляцией из хлопчатобумажной и шелковой пряжи с пропиткой лаками без герметизации, хлопчатобумажные ленты и шнуры для механического крепления обмоток, шелковые и хлопчатобумажные лакоткани, а также картон для изоляции и древеснослоистый пластик ДСП-3 без погружения в масло. В изделиях исполнения ТС можно применять и другие, отличные от применяемых в изделиях исполнения Т конструктивные металлы и методы их защиты, если они выдержат соответствующие испытания.
Условия размещения при эксплуатации имеют большое значение для защиты изделий от действия ряда климатических факторов. Учитывая конкретные условия размещения изделий при эксплуатации, группы изделий в каждом из исполнений (Т. ТМ, ТС, ХЛ) могут изготовляться по следующим категориям.
Категория П—изделия, предназначенные для работы в помещениях и не подвергающиеся действию резких изменений температуры, солнечной радиации, дождя, пыли, снега (в изделиях исполнения ХЛ ведомственной документацией предусмотрена также категория ПП — для неотапливаемых подземных помещений; для этой категории расчетные значения температур составляют +35° С для верхнего значения температур и —10°С для нижнего). Эта категория не является основной и не рассматривается.
Категория Н — изделия, предназначенные для работы под навесом, в открытых производственных помещениях, на верандах, в палатках, в неотапливаемых (для исполнения ХЛ) наземных помещениях, крытых транспортных средствах и не подвергающиеся воздействию солнечной радиации, дождя и снега.
Категория А — изделия, предназначенные для работы на открытом воздухе. Самые строгие требования предъявляются к изделиям этой категории. Они должны быть надежно защищены от воздействия температуры, солнечной радиации, дождя, снега, пыли, инея, брызг морской воды и т. п.
Изделия категории Н и особенно категории П могут быть защищены менее надежно. Изделия северного исполнения обычно изготовляют трех категорий, но главным образом категорий А и П.
Учитывая различия по пылезащищенности, электрические аппараты в тропическом исполнении изготовляются по всем трем категориям.
Высоковольтное оборудование исполнения Т категорий П и Н изготовляют одинаковым, если вопросы пылезащищенности по роду работы или конструктивным особенностям оборудования можно не учитывать. В исполнении ТС изоляция электрооборудования категории П может быть менее влагостойкой.
Высоковольтное оборудование категории А отличается от оборудования категорий П и Н применяемыми электроизоляционными материалами и более жестким режимом испытаний электрической изоляции.
В технических условиях на изделие обычно указывают категорию исполнения его.
С 1 января 1971 г. вступает в действие ГОСТ 15543-70 «Изделия электротехнические. Исполнения для различных климатических районов. Условия эксплуатации в части воздействия климатических факторов внешней среды».
Согласно этому стандарту предусмотрено в зависимости от места размещения при эксплуатации изготовление изделий не трех основных категорий, приведенных выше, а пяти. Вместо обозначений категорий, существующих в настоящее время (А, П и H) введены соответствующие цифровые обозначения 1, 2 и 3 и, кроме того, предусмотрены категории 4 (для работы в помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями, в частности помещениях с кондиционируемым воздухом) и 5 (для работы в помещениях с повышенной влажностью, в которых возможно длительное наличие воды).
Для категории 4 исполнения ХЛ принято рабочее значение относительной влажности воздуха несколько меньшее, чем для остальных категорий, что не существенно, так как в холодном климате определяющим климатическим фактором является отрицательная температура, воздействие которой необходимо учитывать при транспортировке или хранении изделии, однако при эксплуатации изделий исполнения ХЛ категории 4 нижнее значение температуры принимается не —60° С а +1С.
Для изделий исполнения ХЛ категорий 4 и 5 расчетная температура окружающей среды принята на 5° С ниже, чем для категорий А, Н и П (соответствующих категориям 1, 2 и 3 согласно ГОСТ 15543-70), т. е. +35° С вместо +40° С.
Для исполнения Т категории 5 расчетная температура окружающей среды принята на 10° С ниже, чем для категорий П и Н, т. е. + 35° С вместо +45° С.
Новое дополнительное разделение изделий по категориям размещения позволяет в случае изготовления изделий исполнения ХЛ категорий 4 и 5 и исполнения Т категории 5 выпускать более экономичные изделия в связи с более низкой расчетной температурой окружающей среды.
Следует отметить, что на фоне большого количества выпускаемых изделий изделия категорий 4 и 5 составят незначительную часть, поэтому ГОСТ 15543-70 рекомендует изготовлять изделия, пригодные для эксплуатации одновременно для нескольких категорий размещения.
Электротехнические изделия, выпускаемые в настоящее время в исполнении под индексом ТМ, согласно ГОСТ 15543-70 с 1 января 1971 г. будут маркироваться индексом ОМ, что означает исполнение изделий для установки на морских судах для неограниченных районов плавания. При этом все требования к изделиям с индексом ОМ остаются те же, что и для изделий, обозначаемых до 1.1.1971 г. индексом ТМ.
При проектировании изделий для тропического и холодного климатов в первую очередь следует определить, можно ли обеспечить защиту изделия модернизацией существующей конструкции или же необходимо для этой цели разрабатывать новую конструкцию изделия. При этом следует учесть несколько основных требований, выполнение которых в значительной степени определяет решение указанного вопроса.
- Необходимо обеспечить длительную эксплуатацию изделий при номинальной температуре окружающего воздуха.
- Необходимо обеспечить стойкость электроизоляционных и конструкционных материалов, антикоррозионную защиту и сохранить товарный вид их при длительной работе в условиях эксплуатации (особенно для изделий, поставляемых на экспорт).
- Необходимо защитить изделия исполнения Т от плесневых грибов и микроорганизмов. При этом следует учитывать, что в электрических машинах и в ряде других электротехнических изделий появление плесени не нарушает их работоспособности.
- Необходимо обеспечить пылезащищенность изделий исполнений Т и ТС, в первую очередь трущихся частей (подшипники качения и скольжения, трущиеся части электрических аппаратов). При этом надо учитывать категорию изделий по размещению.
- Необходимо предусмотреть защиту изделий на период транспортирования и хранения, так как для многих изделий (например, исполнения ТС при перевозке морем, исполнения ХЛ при перевозке через очень холодные области или на самолете) эти условия могут быть более тяжелыми, чем при эксплуатации (плохие дороги, сильная тряска при перевозке автотранспортом).
При хранении в перевалочных: пунктах и на месте назначения изделия (исполнений Т, ТС и ТМ) могут подвергаться нападению термитов.
Выполнить указанные требования по защите электрооборудования от различных климатических воздействий можно при помощи следующих мероприятий:
а) специальных конструктивных решений: эффективного охлаждения: термически напряженных узлов и деталей, герметизации изделий или: отдельных узлов, применения, эффективных вентиляционных устройств, рационального расположения деталей и узлов, изменения в ряде случаев номинальных характеристик их;
б) правильного выбора материалов и способов их защиты;
в) выбора оптимальной технологии изготовления;
г) правильной консервации и упаковки на период транспортирования и хранения изделий.
Стойкость изделий к воздействию климатических факторов повышается, если они работают в помещении с кондиционированным воздухом, что необходимо предусматривать при проектировании некоторых предприятий и судов. При этом в ряде случаев можно использовать материалы и защитные покрытия, а также способы защиты, применяемые для изделий обычного исполнения (например, морского или для суши — нетропического), а также отменить часть климатических испытаний. При этом нужно обеспечить сохранность изделий в процессе транспортирования, хранения монтажа.
Вопросы надежности и простом конструкции являются одними из важнейших для изделий как тропического, так и северного исполнений. Особенно важно это для изделий, поставляемых на экспорт, так как в этом случае сказываются дальность и трудность доставки оборудования и запасных частей, трудность ремонта, тяжелые климатические условия и т. п.
При комплектации изделий тропического и северного исполнений следует предусмотреть специальный инструмент, отдельные приспособления для монтажа, ревизии и ремонта. При конструировании и изготовлении электрооборудования исполнений Т, ТС, ТМ и ХЛ очень важным является вопрос о комплексе испытаний, которым должно подвергаться изделие как на стадии опытных образцов, так и при серийном изготовлении. Помимо обычных испытаний, которым подвергаются изделия в обычном исполнении, изделия для тропических зон должны быть испытаны на тропикоустойчивость, а для северных областей — на стойкость к воздействию холодного климата. Виды и методы таких испытаний приведены в гл. 14. В зависимости от назначения, конструктивных особенностей и условий эксплуатации изделий в технических условиях определяются конкретные виды их испытаний, методика испытаний и критерии пригодности данного вида изделий.
При проектировании и изготовлении изделий для тропических и холодных зон могут возникнуть другие конструктивные решения или могут быть применены новые материалы и защитные покрытия, помимо рекомендованных здесь или в соответствующей документации. Определять возможность применения нерекомендованных материалов или конструктивных решений на основании одних только климатических испытаний в соответствии с рекомендациями приведенными в гл. 14 или с нормативной документацией, как правило, нельзя, так как эти испытания определяют только правильность технологии изготовления изделий и возможность их функционирования в тропических или северных условиях, но не определяют долговечности изделий (комплекс климатических испытаний в искусственных условиях полностью не воспроизводит все возможные воздействия тропического или холодного климата).
При выборе материалов, защитных покрытий и конструктивных решений с целью включения в число рекомендуемых для электрооборудования исполнений Т, ТС, ТМ и XЛ исходят не только из результатов длительных испытаний готовых, изделий и материалов в искусственных климатических условиях, но также из результатов длительных испытаний в естественных условиях, опыта эксплуатации подобных изделий в тропических странах, северных областях и на флоте, а также других видов специальных исследований (например, испытаний долговечности конструкции в целом). Поэтому при изготовлении оборудования в исполнениях Т, ТС, ТМ и ХЛ, как правило, в изделиях должны быть применены рекомендованные конструктивные решения, материалы, методы их защиты и технология изготовления. Кроме того, изделия должны выдержать комплекс климатических испытаний.
