Подавляющее большинство регионов России находится в климатических поясах с устойчивыми отрицательными зимними температурами. Для многих из них отметки термометра около —450С вполне привычны. В частности, на просторах Югры, где производится основная российская нефтегазодобыча, температурный рекорд составляет —490С. В Новосибирской области и Красноярском крае столбик термометра опускается ниже —500С, а в Республике Саха (Якутии), славящейся добычей золота и алмазов, регистрировались температуры до —700С. Удивительно, но человек переносит холод куда лучше, чем автоматика и электроника.
Три беды защитных аппаратов
Отказы электрооборудования в сильные морозы до сих пор считаются в России неизбежным злом — ничего не поделать, климатические условия. Силовые автоматические выключатели также довольно уязвимый в этом плане сектор электрооборудования. «Эксперты нашей компании проводили исследования и анализировали, какие проблемы наиболее часто встречаются при работе низковольтных автоматических выключателей в холодное время года. В итоге было выявлено три основных причины, которые могут привести к отказу оборудования. Первая — это ухудшение свойств смазки. Вторая — при низких температурах наблюдаются сбои в работе электронных компонентов. Третья причина — точка росы[1] и последствия этого явления, негативно воздействующие на элементы устройства», — сообщает Игорь Мещеряков, менеджер по оборудованию компании АББ, лидера в производстве силового оборудования и технологий для электроэнергетики и автоматизации.
Проблема №1. Смазочный материал
Большинство используемых смазочных материалов создаётся на базе нефтепродуктов, у которых существует обратная зависимость вязкости от температуры. При определённом отрицательном значении смазка полностью теряет подвижность, что препятствует работе механических частей изделия, и в итоге при возникновении аварийной ситуации автоматический выключатель не сработает. К примеру, широко распространённые продукты («Смазка индустриальная ИП-1» (ТУ 0254-03-53839702-2005), «1-13» (ТУ 0254-02-53839702-2009) и др.) ограничены нижними рабочими температурами —10-200С.
«Загустевшая масса создаёт дополнительное сопротивление для зубчатых передач, что нередко приводит к разрушению пластиковых шестерёнок в приводах. В частности, эта проблема актуальна для мотор-редукторов, используемых при дистанционном взводе автоматического выключателя. Кстати, сам материал, из которого изготавливаются эти элементы, должен быть протестирован на длительное время работы при экстремально низких температурах. В противном случае причинами разрушения деталей автоматического выключателя может стать не только загустение смазки, но и повышение хрупкости элементов», — поясняет Денис Нечаев, руководитель группы «Силовые автоматические выключатели» компании АББ.
Надо заметить, что существуют смазочные материалы с рабочими температурами до —40-500С, использование которых в автоматических выключателях возможно, но ведёт к удорожанию оборудования. Учитывая, что традиционно защитные аппараты с рабочим напряжением до 1000 В находятся внутри обогреваемых электроустановок, некоторые разработчики жертвуют надёжностью работы устройства в угоду невысокой цене. «В свете движения к максимальной энергоэффективности обогрев помещений и узлов, где устанавливаются силовые аппараты, становится неактуальным. В конечном счёте, за тепло платит потребитель энергоресурсов или покупатель продукции — а это постоянные финансовые затраты. Гораздо проще приобрести технику, которая способна работать во всём диапазоне температур, возможных в данной местности», — считает Ирина Орлова, инженер-проектировщик компании «ЦЭМ».
«На предприятиях, расположенных в северных районах, часто возникает необходимость в выключателях, которые могли бы успешно работать буквально посреди тайги при низких температурах окружающей среды, — дополняет Игорь Мещеряков. — И такие силовые выключатели постепенно появляются на рынке. Так, например, в аппаратах Emax LTT используется морозоустойчивая смазка. Силовые выключатели этой модели тестировались при температурах окружающей среды от —400С до +700С, и все испытания оборудование прошло успешно».
Проблема №2. Электронные компоненты расцепителя защиты
Как правило, стандартные микроэлектронные изделия не предназначены для эксплуатации в экстремально холодных условиях. К примеру, многие конденсаторы с жидким электролитом имеют нижнюю границу работоспособности —250С. Ряд конденсаторов с твёрдым диэлектриком вообще ограничивается минимальными рабочими температурами в —10-150С. Также в области низких температур возникают определённые проблемы и при работе полупроводниковых приборов. У биполярных транзисторов существенно падают коэффициенты передачи токов (коэффициенты усиления), что может вызвать серьёзные проблемы, особенно при ключевом режиме работы.
«Для безупречного функционирования электронных схем расцепителей защитных аппаратов, рассчитанных на эксплуатацию при низких температурах, мы используем специальные морозоустойчивые компоненты — конденсаторы, транзисторы, контроллеры и т.д. Такие микроэлектронные изделия способны выдержать температуры до —400С, что обеспечивает надёжную работу расцепителя силового выключателя, — рассказывает Игорь Мещеряков. — В случае применения стандартных микроэлектронных компонентов расцепитель может выйти из строя — это приведёт к нарушению работы силового автомата. Оборудование уже не будет защищать сеть от перегрузок и короткого замыкания. А если в аппарате применяется расцепитель защиты с более сложными функциями, может перестать соблюдаться селективность срабатывания, что приведёт к некорректной работе электрической сети».
Проблема №3. Точка росы
Для «холодных» регионов нашей страны характерны резкие перепады температур в период межсезонья. Днём столбик термометра может подниматься до +7-90С, а ночью опускаться до —10-120С. При этом в процессе резкого охлаждения, при прохождении точки росы, содержащаяся в воздухе жидкость превращается в конденсат. Его образование внутри столь ответственного узла, как защитный аппарат, где присутствуют напряжения до 1 кВ и токи в десятки и сотни ампер, очень опасно. Влага может вызвать окисление контактов и прочих открытых металлических частей устройства. Кроме того, с высокой вероятностью появятся утечки тока, приводящие к нештатным срабатываниям. И, разумеется, преждевременная коррозия значительно сократит срок службы прибора и потребует частого внепланового обслуживания. Именно поэтому корпуса «морозоустойчивого» оборудования должны изготавливаться из материалов, не подверженных коррозии: например, пластмассы или нержавеющей листовой стали.
Говоря о «холодных» проблемах автоматических выключателей, нельзя не упомянуть и о положительном моменте — минимальная рабочая температура у современных аппаратов на самом деле будет несколько ниже, чем заявленная в технической документации. «Если, например, в паспорте автоматического выключателя указано, что предельная рабочая температура защитного аппарата, размещённого не на открытом воздухе, а в закрытом шкафу, соответствует —360С, то при наружной температуре в —400С он будет вполне работоспособен, — объясняет Юрий Нишин, главный энергетик ОАО «Станкосиб», г. Новосибирск. — Это объясняется наличием в схемах и цепях активной составляющей сопротивления, они будут «самоподогреваться» в строгом соответствии с законом Джоуля-Ленца. И даже в неотапливаемом помещении или шкафу температура будет на 5-10 градусов выше, чем на открытом пространстве».
Дистанционный взвод — скорость и удобство
После штатного срабатывания автоматического выключателя и устранения причины неполадок в сети устройство необходимо включить. Однако при температуре —400С выходить лишний раз из помещения на улицу не очень удобно (если аппарат установлен в трансформаторной подстанции или в распределительном устройстве, находящемся на открытом воздухе). Оборудование может находиться на значительном удалении от предприятия, и система «пошёл-включил», а то и «выехал-включил» становится весьма затратной. Время, необходимое работнику, чтобы добраться до нужного шкафа или подстанции, безвозвратно теряется для производственного процесса. Также есть риск, что из-за не сработавшего устройства автоматического ввода резерва (АВР) остановятся технологические циклы предприятия.
«Эта проблема легко решается, если использовать автоматические выключатели с мотор-редуктором — устройством дистанционного управления. В последнее время спрос на такую комплектацию растёт: например, в структуре продаж морозоустойчивых силовых выключателей линейки Emax LTT приборы, оснащённые дистанционным управлением, составляют порядка 70%, и лишь 30% — это аппараты только с ручным включением, — приводит статистику Игорь Мещеряков. — Очевидно, что люди понимают необходимость экономии времени, а значит, и денег. В то же время персонал имеет возможность трудиться в комфортных условиях, управляя процессами непосредственно из диспетчерской». Кроме того, по словам специалистов компании АББ, выключатели Emax LTT могут использоваться не только в холодных, но и в агрессивных климатических условиях. Это делает возможным их применение на верфях, морских ветрогенераторных установках, распределительных панелях, находящихся на открытом воздухе.
Долговечность работы любой системы зависит от надёжности каждого из её элементов. Существует миф, что технику западных производителей лучше не использовать в наших условиях, так как климат в европейских странах более мягкий. Тем не менее, появление на российском рынке автоматических выключателей с высокой степенью защиты от воздействий окружающей среды — результат усовершенствования оборудования зарубежными производителями именно для нашей страны. Причём специалисты уверены — если потребуются ещё более морозоустойчивые выключатели, будут созданы и такие.
По материалам пресс-службы компании АББ
[1]Точка росы — температура, до которой должен охладиться воздух, для того чтобы содержащийся в нём водяной пар достиг насыщения и начал конденсироваться, т.е. появилась роса.
