Szafy i obudowy wyznaczają fizyczną oraz funkcjonalną granicę między podzespołami urządzenia a otoczeniem, tworząc zamknięte środowisko o kontrolowanych warunkach pracy. Ich podstawową funkcją jest ochrona dwukierunkowa. Z jednej strony, izolują wrażliwe komponenty od czynników uciążliwych (takich jak skrajne temperatury, zapylenie, wilgoć, chemikalia), chronią je przed uszkodzeniami mechanicznymi, wpływem zaburzeń elektromagnetycznych i nieuprawnioną ingerencją z zewnątrz. Z drugiej, stanowią barierę izolującą personel od części pod napięciem, dzięki czemu zmniejszają ryzyko porażenia prądem.
Oprócz tego pełnią funkcję organizacyjną, umożliwiając zintegrowanie podzespołów i uporządkowanie kabli w ramach wspólnej platformy o określonej funkcjonalności. Zarówno konstrukcja szaf, jak i obudów ma również wpływ na warunki pracy zamkniętych w nich podzespołów – to przede wszystkim od niej zależy efektywność odprowadzania nadmiaru ciepła, co zapobiega przegrzewaniu, a także kompatybilność elektromagnetyczna i łatwość dostępu w razie awarii.
Różnica między szafami i obudowami wynika ze skali integracji. W tych pierwszych zabudowywanych jest wiele urządzeń realizujących złożone funkcje (zasilanie, sterowanie, zabezpieczenia), natomiast obudowa zapewnia ochronę punktową, zazwyczaj dla podzespołów składających się na pojedyncze urządzenie. Szafy w związku z tym cechuje znacznie większa gęstość zabudowy niż obudowy. Poza tym należy zapewnić łatwy dostęp serwisowy do komponentów w szafach, przejrzystą organizację kabli i możliwość łatwej rozbudowy. Obudowy natomiast zwykle mają charakter zamknięty, są otwierane okazjonalnie i wymieniane razem z urządzeniem. Różnice te wpływają na podejście do projektowania oraz na eksploatację szaf i obudów.
Z drugiej strony, niezależnie od skali integracji zarówno szafy, jak i obudowy muszą spełniać podobne wymogi w zakresie odporności na czynniki środowiskowe, bezpieczeństwa elektrycznego i kompatybilności elektromagnetycznej. Wykonuje się je też z takich samych materiałów odpowiednich do zastosowania i wykorzystuje podobne rozwiązania w zakresie chłodzenia (patrz ramka: Chłodzenie szaf i obudów).
WPŁYW TEMPERATURY I WILGOCI
Na szafy i obudowy w przemyśle działa szereg czynników niszczących. Przeważnie ich wpływy się sumują – problemy rzadko mają pojedynczą przyczynę, przeważnie wynikają z kombinacji różnych oddziaływań. Jednym z czynników są skrajne temperatury. Ich źródła mogą występować w pobliżu szaf i obudów, ale pod uwagę trzeba też wziąć ciepło wydzielane przez podzespoły wewnątrz nich, które jeżeli nie jest skutecznie odprowadzane na zewnątrz, kumuluje się. To prowadzi do powstawania lokalnych przegrzań i nierównomiernego rozkładu temperatur w obrębie osłony.
Skrajne temperatury mogą negatywnie wpływać na materiały konstrukcyjne szaf i obudów, pracę urządzeń oraz efektywność ich chłodzenia. Przykładowo, wysokie temperatury przyspieszają starzenie się izolacji przewodów i powodują wzrost rezystancji kontaktowej na stykach, co prowadzi do ich dalszego nagrzewania się, a w efekcie uszkodzenia, a nawet pożaru. Pogarszają również przyczepność powłok ochronnych oraz skutkują dryftem parametrów podzespołów elektronicznych. Z kolei w niskich temperaturach tworzywa sztuczne stają się kruche, przez co uszczelnienia tracą elastyczność. Oprócz tego rośnie ryzyko kondensacji.
Chłodzenie szaf i obudów
W szafach i obudowach na wybór metody chłodzenia wpływa to, czy są otwarte (przepuszczają powietrze), czy zamknięte (szczelne). Istotna jest też temperatura otoczenia na zewnątrz osłony i maksymalna dopuszczalna temperatura wewnątrz – porównując je, niektóre sposoby chłodzenia można od razu wyeliminować. Jeżeli pierwsza jest większa, nie da się opierać wyłącznie na: naturalnej konwekcji, wewnętrznej cyrkulacji powietrza, wymianie powietrza z otoczeniem ani wymiennikach ciepła powietrze-powietrze. Jeśli jednak temperatura wewnątrz jest większa niż w otoczeniu, te metody mogą się sprawdzić. W przeciwnym razie lepszym rozwiązaniem będzie np. skorzystanie z wymiennika ciepła woda-powietrze albo chłodzenie wodą. Ważną kwestią pozostaje także zdolność osłony do rozpraszania ciepła. Wpływa na to m.in. sposób jej montażu – szafa wolnostojąca, odsłonięta z każdej strony, odprowadza je do otoczenia efektywniej niż ta stojąca przy ścianie, we wnęce albo obudowa zintegrowana z maszyną.
By zwiększyć efektywność odprowadzania ciepła z wewnątrz przez ściany, montuje się wentylatory, których funkcją jest wymuszenie przepływu powietrza w obrębie obudowy. To zapewnia równomierny rozkład ciepła w osłonie i przy jej ścianach. Skuteczność takiego rozwiązania przeważnie nie jest jednak duża. Alternatywę stanowi zamontowanie wentylatorów z filtrem w ścianie obudowy, co ma na celu zapewnienie wymiany powietrza z wewnątrz na te z zewnątrz. Ich konstrukcję optymalizuje się pod kątem zapewnienia równomiernego, stałego przepływu powietrza i ograniczenia głębokości montażu, aby nie zajmowały za dużo miejsca w obudowie. Zaleca się też wybór zespołu wentylator-filtr, o przepływie powietrza o ok. 20% większym niż zapotrzebowanie obliczone na podstawie ilości ciepła, które kumuluje się w osłonie. Zapewni to margines wydajności wymiany powietrza. Dzięki temu efektywność chłodzenia nie spadnie poniżej wymaganego poziomu, nawet w razie nagromadzenia się zanieczyszczeń na filtrze.
Jeżeli osłona musi zapewnić stopień ochrony IP gwarantujący pyłoszczelność i wodoszczelność, zamiast wentylacji otwartej lepiej zastosować wymienniki ciepła powietrze-powietrze. Im większa stanie się różnica temperatur w otoczeniu i wewnątrz osłony, tym skuteczniej będzie odprowadzany nadmiar ciepła. W przypadku bezpośredniego chłodzenia wodą wykorzystuje się z kolei m.in. płyty chłodzone tym medium, na których montuje się wyposażenie szafy. Rozwiązanie to zapewnia oszczędność miejsca, ale wymaga podłączenia wody. W klimatyzatorach natomiast czynnik chłodniczy, przechodząc przez wymienniki ciepła z otoczeniem i z wnętrzem szafy, spręża się i rozpręża, czemu towarzyszy zmiana jego stanu z gazowego na płynny. W ten sposób odbiera on nadmiar ciepła z obudowy i oddaje go do otoczenia. Klimatyzatory są w stanie zapewnić dużą różnicę między temperaturą wewnątrz szafy a otoczeniem. Dodatkowo osuszają powietrze w szafie.
W przypadku osłon użytkowanych na zewnątrz problemem są zmiany temperatury wynikające z cyklu dobowego. W dzień promieniowanie słoneczne powoduje nagrzewanie się wystawionych na jego działanie powierzchni i zwiększenie temperatury wewnątrz, nawet o kilkadziesiąt stopni w porównaniu do temperatury otoczenia, a w nocy – ich stygnięcie. Stanowi to problem szczególnie w energetyce oraz na kolei. Skutkiem jest powtarzające się rozszerzanie oraz kurczenie się materiałów konstrukcyjnych, czego konsekwencjami są postępujące luzowanie połączeń śrubowych oraz deformacja uszczelnień i w efekcie rozszczelnienie konstrukcji. To z czasem obniża stopień ochrony osłony, co z kolei prowadzi do okresowego, towarzyszącego nagrzewaniu się i schładzaniu, zasysania do niej powietrza z zewnątrz, a wraz z nimi wilgoci i pyłów.
Kolejnym czynnikiem jest wysoka wilgotność. Jej wpływ często ma charakter ukryty – nie prowadzi do natychmiastowych uszkodzeń, lecz inicjuje procesy degradacyjne, które rozwijają się w czasie, jak korozja. Wynika to stąd, że wysoka wilgotność niesie ze sobą zagrożenie kondensacji. Zachodzi ona w momencie, gdy temperatura powierzchni lub wewnątrz obudowy spada poniżej punktu rosy. Jest to temperatura, przy której dochodzi do nasycenia powietrza wodą – gdy wilgotność względna wynosi 100%. Jeżeli powietrze styka się z powierzchnią chłodniejszą niż punkt rosy, wilgoć w nim zawarta ulega skropleniu. Ma to miejsce np. podczas spadków temperatury w nocy albo przy cyklicznym włączaniu i wyłączaniu urządzenia. Powstały kondensat powoduje lokalne zwarcia oraz stwarza warunki dla rozwoju korozji. Na wysoką wilgotność szafy i obudowy są narażone m.in. w branży morskiej, spożywczej i w oczyszczalniach ścieków.
Ochrona przed porażeniem
Zabezpieczenia przed kontaktem bezpośrednim dzieli się na dwie grupy.
Do pierwszej zaliczana jest izolacja części pod napięciem. Powinno się ją wykonywać z materiałów, które będą w stanie wytrzymać naprężenia mechaniczne, elektryczne i termiczne, jakim mogą być poddane w trakcie użytkowania. Oprócz tego usunięcie izolacji musi być możliwe jedynie przez jej zniszczenie.
Drugą kategorię rozwiązań stanowią bariery i obudowy. Zaleca się, aby wszystkie powierzchnie zewnętrzne zapewniały stopień ochrony przed bezpośrednim kontaktem co najmniej IPXXB, czyli przed dostępem do części niebezpiecznych palcem. Poziome górne powierzchnie dostępnych obudów o wysokości równej lub mniejszej niż 1,6 m powinny z kolei zapewniać stopień ochrony co najmniej IPXXD, czyli przed dostępem do części niebezpiecznych drutem. Oprócz tego odległość między barierami a chronionymi przez nie częściami pod napięciem nie powinna być mniejsza niż wartości określone dla odstępów izolacyjnych powietrznych i powierzchniowych. Ważne jest także, by bariery i obudowy były stabilnie zamocowane. Powinny się też charakteryzować wystarczającą trwałością, aby mogły wytrzymać odkształcenia oraz naprężenia, które mogą wystąpić w czasie ich normalnej eksploatacji.
Zabezpieczenie przed kontaktem pośrednim stanowią obwody ochronne automatycznego systemu odłączania zasilania. Z obowiązku podłączenia do nich są zwolnione odsłonięte części przewodzące rozdzielnicy, które nie stanowią zagrożenia, gdyż nie można ich dotknąć na dużych powierzchniach lub chwycić rękoma ze względu na ich małe rozmiary. Przykład to śruby i tabliczki znamionowe.
Elementy do obsługi ręcznej, takie jak dźwignie, uchwyty i inne części metalowe, powinny być z kolei w sposób pewny połączone elektrycznie z częściami podłączonymi do obwodów ochronnych, albo zaopatrzone w dodatkową izolację, odpowiednią do maksymalnego napięcia izolacji zestawu. Jeżeli istnieje konieczność połączenia odsłoniętych części przewodzących przewodem ochronnym, pole jego przekroju poprzecznego powinno się dobrać odpowiednio do najwyższego znamionowego prądu roboczego.
DLACZEGO PYŁ JEST GROŹNY?
Korozji sprzyja obecność agresywnych związków chemicznych. Przykładem jest siarkowodór, który może występować w znacznym stężeniu m.in. w oczyszczalniach ścieków, przemyśle naftowym i papierniczym. W obecności wilgoci reaguje on z metalami, szczególnie z miedzią. Nagromadzenie się produktów korozji powoduje wzrost rezystancji styków i prowadzi do przegrzewania się torów prądowych.
Zapylenie to problem w branżach, w których procesom produkcyjnym towarzyszy emisja pyłów w dużych ilościach, takich jak przemysł cementowy, drzewny, spożywczy, farmaceutyczny i górnictwo. Ich wpływ może mieć różny charakter. Przede wszystkim pyły osadzają się na powierzchniach, wewnątrz i na zewnątrz szaf i obudów, tworząc warstwy izolujące termicznie, czego skutkiem jest pogorszenie efektywności wymiany ciepła i w konsekwencji wzrost temperatury. Te, które gromadzą się na łopatkach wentylatorów, filtrach oraz w kanałach wylotowych powietrza, obniżają skuteczność wentylacji. Te metaliczne, powstające m.in. w procesie obróbki skrawaniem, są źródłem problemów innego typu – powodują powstawanie ścieżek przewodzących, czego konsekwencjami są zwarcia i prądy upływu.
Osobną kategorię stanowią pyły higroskopijne, np. mączne, cukrowe czy drzewne – absorbując wilgoć z otoczenia również tworzą one przewodzące warstwy. W przemyśle spożywczym, drzewnym czy górnictwie dodatkowym zagrożeniem wynikającym z nagromadzania się pyłów w znacznych ilościach jest możliwość tworzenia się atmosfer wybuchowych, których zapłon prowadzi do eksplozji. Pyły powodują też zużycie abrazyjne uszczelnień, zawiasów i zamków.
Kolejny czynnik to wibracje i uderzenia, które wpływają na integralność strukturalną oraz ciągłość połączeń elektrycznych w szafach i obudowach. Narażenie na długotrwałe drgania powoduje luzowanie połączeń mechanicznych – zmniejsza się siła docisku śrub, oraz elektrycznych – postępuje zmęczenie materiałowe połączeń lutowanych i pojawiają się mikropęknięcia ścieżek na płytkach PCB. Wpływa też na sztywność konstrukcji osłony i może prowadzić do jej trwałych odkształceń (wyboczeń drzwi, uszkodzeń zamków). W przypadku silnych udarów mechanicznych (uderzeń) również może dojść do bezpośrednich uszkodzeń osłon, przemieszczenia aparatury wewnątrz, zerwania połączeń elektrycznych.
CO ZNACZĄ STOPNIE IP?
Odporność na czynniki niszczące określa się, przypisując osłonom stopnie ochrony IP i IK. Są one zestandaryzowane w normach odpowiednio IEC 60529 i IEC 62262. Stopień IP (Ingress Protection) opisuje poziom ochrony przed wnikaniem do obudowy ciał stałych oraz cieczy. Wyrażają go dwie cyfry. Pierwsza z nich wskazuje na zakres ochrony przed ciałami stałymi oraz dostępem do części niebezpiecznych, natomiast druga odnosi się do odporności na wnikanie wody. Często, interpretując stopień IP, upraszcza się go do pyłoszczelności i wodoodporności, w rzeczywistości jednak każda wartość odpowiada konkretnym warunkom, na jakie osłona jest odporna.
Przedział dla pierwszej cyfry, 0-6, obejmuje zakres ochrony od jej braku po pyłoszczelność, przy czym 5 oznacza, że możliwe jest ograniczone wnikanie pyłu, ale bez wpływu na pracę urządzenia, natomiast 6 gwarantuje całkowitą szczelność dla cząstek stałych. Druga cyfra, z zakresu 0-9, określa odporność na wodę, od kropli (IPX1), przez bryzgi i strugi (IPX4-IPX6), aż po zanurzenie (IPX7-IPX8) oraz wysokociśnieniowe mycie wodą o podwyższonej temperaturze (IPX9K). Przykładowo, obudowy o stopniu ochrony IP65, popularne w przemyśle, są pyłoszczelne i odporne na strugi wody, ale nie mogą być długotrwale zanurzane w wodzie, ani myte pod ciśnieniem. Oprócz dwóch cyfr dodaje się też czasem dodatkową literę – A, B, C lub D, która opisuje ochronę przed dostępem do części niebezpiecznych odpowiednio: wierzchem dłoni, palcem, narzędziem, drutem.
Stopień ochrony warunkuje zastosowanie osłony – musi być odpowiednia do warunków, w jakich będzie ona użytkowana. Obudowy np. IP54 sprawdzą się przy umiarkowanym zapyleniu i obryzgiwaniu wodą, natomiast IP65/IP66 są standardem, gdy wymagana jest pyłoszczelność oraz szczelność podczas mycia strumieniem wody. Osłony użytkowane na zewnątrz, np. na kolei i w energetyce, zwykle mają poziom ochrony IP66 lub IP67, aby zapewnić odporność na opady, śnieg i okresowe zalanie.
Stopień ochrony IK z kolei określa odporność osłony na uszkodzenia spowodowane uderzeniami o różnej energii wyrażanej w dżulach. Skala IK obejmuje zakres od IK00, co oznacza brak ochrony, do IK10, co odpowiada największej wytrzymałości, na uderzenie o energii 20 J. W przemyśle i na kolei zwykle wymagana jest wytrzymałość w przedziale IK07-IK10. Warto pamiętać, że stopnie ochrony IP i IK są niezależne. W praktyce oznacza to, że szczelność osłony nie gwarantuje jej wytrzymałości mechanicznej ani odwrotnie.
Przykładowo, obudowa IP66 zapewnia wysoką ochronę przed wodą i pyłem, ale jeśli jednocześnie ma niski stopień IK, przez co łatwo może ulec uszkodzeniu w wyniku uderzenia, skutkować to będzie również utratą szczelności. W praktyce oznacza to, że wybierając osłonę, trzeba oba te parametry dobrać pod kątem spodziewanych warunków, w jakich będzie użytkowana.
MATERIAŁY
Dobór materiału ścianek i uszczelnień osłon oraz zastosowane rozwiązania konstrukcyjne determinują ich odporność na czynniki niszczące i wytrzymałość mechaniczną, a tym samym stopnie ochrony IP i IK. Materiały ścianek wykonuje się zarówno z metali, jak i tworzyw sztucznych. Wybór między nimi wymaga zazwyczaj kompromisu między ciężarem a wytrzymałością na czynniki zewnętrzne.
Popularnym materiałem jest stal niskowęglowa, zwłaszcza w osłonach użytkowanych wewnątrz. Jej zalety to wytrzymałość, łatwość obróbki i niski koszt, a wada – podatność na korozję. W związku z tym wymaga dodatkowych warstw ochronnych, np. nanoszonych w procesie galwanizacji i potem malowanych proszkowo. W razie uszkodzenia takiej powłoki stal ulega szybko utlenieniu, co ogranicza jej zastosowanie w środowiskach agresywnych chemicznie i o wysokiej wilgotności.
W takich warunkach lepiej sprawdzają się osłony ze stali nierdzewnej, najczęściej typów 304 i 316. Wyróżnia ją wysoka odporność na korozję, łatwość utrzymania czystości i trwałość, dzięki czemu jest popularna m.in. w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym. Jest jednak nieco cięższa niż stal niskowęglowa.
Alternatywa dla stali to aluminium. Dzięki naturalnej warstwie tlenku tworzącej się na powierzchni wykazuje ono dużą odporność na korozję. Jest również lżejsze niż stal. Dodatkową zaletą jest wysoka przewodność cieplna, zapewniająca efektywne odprowadzanie ciepła z wnętrza obudowy. Jednak z powodu mniejszej sztywności w porównaniu do stali ścianki aluminiowe muszą być grubsze.
Jeżeli chodzi o tworzywa sztuczne, popularne są: wytrzymały poliwęglan, tani ABS i kompozyty wzmacniane włóknem szklanym. Materiały te są odporne na korozję i lekkie. Ich ograniczeniem jest natomiast niższa sztywność, a także brak ekranowania zaburzeń elektromagnetycznych.
Maciej Krystecki
ASTAT
Jakie rozwiązania chłodzenia szaf i obudów oferują Państwo klientom – od wentylatorów z filtrem po klimatyzatory i chłodzenie wodą?
Doradzamy i pomagamy wybrać odpowiednie rozwiązanie z naszej pełnej oferty urządzeń do chłodzenia szaf i obudów – od wentylacji pasywnej, np. kratki z matą filtracyjną lub żebrowania na obudowie, przez wentylatory filtrujące i wyciągi dachowe, po klimatyzatory, wymienniki ciepła i chillery. Współpracujemy z kilkunastoma producentami, oferującymi różne napięcia zasilania, materiały a nawet kolorystykę. Stawiamy przy tym na produkty powstające w Europie, głównie włoskich i niemieckich marek.
Na ile elastyczny jest Państwa model współpracy z klientem przy projektowaniu i prefabrykacji niestandardowych osłon? Czy mogą Państwo podać przykład projektu, który wymagał największych odstępstw od katalogu?
Elastyczność naszego modelu współpracy jest najlepiej widoczna, kiedy wspólnie z klientami tworzymy wizję rozwiązania spełniającego ich wymagania, przy jednoczesnym zachowaniu technicznej możliwości jej realizacji przez naszych dostawców. Cały czas poszerzamy swoje możliwości, a przykładem są tutaj choćby obudowy Hygienic Design czy wykonania zanurzeniowe IP67 oraz IP68, które też mamy już w ofercie.
Jak rozwija się u Państwa segment konstrukcji przeznaczonych do stref czystych w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym?
Segment ten rozwijamy głównie poprzez rozwiązania spełniające wysokie wymagania higieniczne przemysłu spożywczego i farmaceutycznego. Są to przede wszystkim obudowy Hygienic Design ze stopniem ochrony IP69K, a także specjalistyczne przepusty kablowe Icotek, przeznaczone do aplikacji, w których liczą się szczelność, łatwe czyszczenie i bezpieczeństwo procesów produkcyjnych. Nie możemy też zapomnieć o dławnicach ze stali nierdzewnej o stopniu ochrony IP 68 (do 10 bar)/IP 69, które pozwalają na bezpieczne przeprowadzanie przewodów przez ściany szafy.
W jakim stopniu Państwa obudowy w instalacjach napowietrznych przeciwdziałają kondensacji wynikającej z dobowych wahań temperatur?
Sama obudowa nie wystarcza. Do aplikacji zewnętrznych – oprócz oczywiście daszków przeciwdeszczowych oraz specjalnej powłoki odpornej na UV i czynniki atmosferyczne – zalecamy zawsze grzejniki konwekcyjne lub dmuchawy grzewcze. Dobieramy je na podstawie gabarytów obudowy oraz warunków klimatycznych, w jakich ma się ona docelowo znajdować. Same grzejniki to rzecz jasna nie wszystko, dlatego do ich sterowania polecamy sprawdzone higrotermy i higrostaty. Dzięki tym urządzeniom mamy pewność, że wilgotność względna nie przekroczy poziomu niebezpiecznego dla komponentów elektronicznych. Do aplikacji hermetycznych oferujemy często także wkłady wyrównujące ciśnienie czy dławnice wentylacyjne, a w skrajnych przypadkach, gdy nadmiaru wilgoci nie da się uniknąć, elementy odprowadzające skropliny.
Dla jakich wyjątkowo wymagających gałęzi przemysłu tworzą Państwo dziś specjalne zabezpieczenia?
Oprócz dostosowywania – w postaci otworowania pod konkretny projekt – możemy też zaproponować wykonanie daszku obudowy z wybranym kątem pochylenia, co ułatwia spływanie wody przy myciu. Na specjalne zamówienie oferujemy też obudowy kwasoodporne ze stali nierdzewnej 316 AISI, stosowane w środowiskach agresywnych chemicznie. Jeżeli nasi klienci potrzebują wyjątkowych i niestandardowych rozwiązań, najlepszą metodą jest kontakt z nami. Gdy poznamy aplikację, możemy doradzić i zaproponować najlepszą opcję.
Czy macie w ofercie rozwiązania z zakresu monitoringu stanu szafy w czasie rzeczywistym i integracji z IoT? Gdzie przebiega granica między użyteczną funkcją a zbędnym gadżetem?
W ofercie mamy kompletny system IO-Link do zdalnej kontroli klimatu w szafach sterowniczych. Umożliwia on połączenie czujników i elementów wykonawczych oraz dostęp do nich za pośrednictwem Internetu. System obejmuje szereg czujników, m.in. temperatury, wilgotności i ciśnienia, a także koncentratory czujników i aktuatorów czy bramy sieciowe do przesyłania zebranych danych. Natomiast na pytanie o granicę nie da się odpowiedzieć jednoznacznie. Każdy przypadek trzeba rozpatrywać indywidualnie, bo zbędny gadżet w jednym zakładzie bywa motorem napędowym rozwoju w innym.
ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE
Sztywność osłony determinuje jej odporność na odkształcenia, deklarowana dla określonego stopnia ochrony IK. W praktyce osiąga się to przez dobór odpowiedniej grubości ścianek (typowo 1-2 mm w przypadku stali), wprowadzanie ram nośnych oraz przetłoczeń usztywniających. Te ostatnie to specjalnie uformowane odkształcenia, wgłębienia i wypukłości, które wykonuje się na powierzchni paneli metalowych, pozwalające zwiększyć sztywność i wytrzymałości konstrukcji, bez konieczności pogrubiania jej ścianek.
Popularne są również osłony spawane i skręcane. Poza tym wzmacnia się narożniki i drzwi, które są najbardziej narażone na uderzenia. Wysoka sztywność osłony ogranicza deformacje pod wpływem obciążeń mechanicznych, co przekłada się na trwałość uszczelnień. To ma bezpośredni wpływ na zachowanie deklarowanego stopnia ochrony IP w czasie eksploatacji.
Uzyskanie wysokiego poziomu szczelności wymaga odpowiednich rozwiązań konstrukcyjnych w zakresie uszczelnień i systemów zamknięć. Standardem są uszczelki z elastomerów, takich jak EPDM lub poliuretan, często wylewane, czyli zintegrowane z uszczelnianym elementem, wykonywane metodą obtrysku, aby wyeliminować ryzyko nieszczelności na łączeniach.
Kluczowe znaczenie ma dopasowanie na styku drzwi i korpusu. W tym celu wprowadza się wielopunktowe dociski uszczelnień, zapewniające równomierne rozłożenie siły nacisku na całym obwodzie. Ponadto w osłonach o deklarowanym wysokim stopniu szczelności wykorzystuje się też systemy zamknięć wielopunktowych. Eliminują one lokalne odkształcenia drzwi i zapewniają ciągłość uszczelnienia nawet na dużych powierzchniach. Konieczny jest także montaż dławic kablowych o odpowiednim stopniu ochrony IP.
NORMY
Szafy i obudowy muszą być projektowane z uwzględnieniem wytycznych norm, które ich dotyczą. Przykładem jest PN-EN 62208 Puste obudowy do rozdzielnic i sterownic niskonapięciowych, która ma zastosowanie do obudów przed montażem w nich aparatury rozdzielczej i sterowniczej. Zebrano w niej definicje, klasyfikację, charakterystyki oraz wymogi testowania osłon stanowiących część rozdzielnic i sterownic o napięciu znamionowym nie większym niż 1 kV prądu przemiennego albo 1,5 kV prądu stałego, które są przeznaczone do zastosowań wnętrzowych lub napowietrznych, zgodnych z normą PN-EN 61439. Ta z kolei stanowi zbiór dokumentów, jednego ogólnego oraz kilku szczegółowych norm produktowych.
Pierwszy z nich to PN-EN 61439-1, z ogólnymi definicjami, warunkami eksploatacji, wymaganiami konstrukcyjnymi, cechami technicznymi oraz wymaganiami w zakresie weryfikacji. Wytyczne te są wspólne dla rozdzielnic i sterownic niskonapięciowych różnych rodzajów, do których odnoszą się normy produktowe. Te z kolei dotyczą: rozdzielnic do rozdziału energii elektrycznej (PN-EN 61439-2), tablicowych, które są obsługiwane przez osoby postronne (PN-EN 61439-3), instalowanych na placu budowy (PN-EN 61439-4), do dystrybucji mocy w sieciach publicznych (PN-EN 61439-5), systemów przewodów szynowych (PN-EN 61439-6) oraz rozdzielnic do specjalnych zastosowań, takich jak: mariny, kempingi, place targowe i stacje ładowania pojazdów elektrycznych (PN-EN 61439-7). Zgodność z normą PN-EN 61439 jest zapewniona, pod warunkiem że rozdzielnica spełnia wymogi części ogólnej oraz odpowiedniej normy produktowej.
Case study – obudowy w kopalni odkrywkowej
W kopalni odkrywkowej rudy żelaza w Australii Zachodniej konieczna okazała się modernizacja systemu sterowania przenośnikami oraz pompami odwadniającymi. Przyczyną stały się coraz częstsze awarie sprzętu i wynikające z nich nieplanowane przestoje w wydobyciu surowca. Dochodziło do nich, gdyż obudowy szaf sterowniczych zainstalowanych w terenie narażone były na ekstremalne warunki, do których nie zostały konstrukcyjnie przystosowane.
Główne czynniki, negatywnie wpływające na zamontowane w nich sterowniki, to: silne nasłonecznienie oraz wysokie temperatury panujące w tym regionie, piasek w otoczeniu przenośników prowadzonych na długich dystansach ze względu na rozległość kopalni i pyły abrazyjne uwalniane z transportowanego surowca, środki chemiczne używane w konserwacji, wibracje przenoszące się z przenośników, a także korozyjny wpływ słonej wody i mgły solnej ze względu na bliskość oceanu.
W ramach modernizacji stare obudowy zastąpiono nowymi, różniącymi się rozwiązaniami oraz materiałami konstrukcyjnymi, w zależności od miejsca instalacji. Te narażone na częste działanie rozpylanych środków chemicznych i słonej wody wykonane są ze stali nierdzewnej 316, mają pochylone dachy oraz stopnie ochrony IP66 i IK10. Obudowy ze stali ocynkowanej malowanej proszkowo, ze spadzistymi dachami, o stopniach ochrony również IP66 i IK10, rozmieszczono w odstępach wzdłuż przenośników i na stacjach przeładunkowych.
W rozdzielnicach, gdzie ryzyko korozji pozostaje niższe, ale wytrzymałość mechaniczna jest kluczowa, także zostały zamontowane obudowy ze stali ocynkowanej malowanej proszkowo. Tam gdzie stopień szczelności na to pozwalał, obudowy wyposażono w wentylatory. W przypadku szaf sterowniczych skierowanych na północ (w związku z położeniem geograficznym Australii), w celu ograniczenia nagrzewnia i niszczenia powłok ochronnych przez silne nasłonecznienie obudowy wyposażono w dodatkowe przeciwsłoneczne osłony na dachach.
Modernizacja znacząco ograniczyła liczbę awarii spowodowanych wnikaniem słonej wody, pyłów i przegrzewaniem. Zaobserwowano także poprawę odporności na korozję, w szczególności w przybrzeżnych stacjach przeładunkowych.
Z perspektywy bezpieczeństwa użytkowania jednym z fundamentalnych zagadnień uregulowanych w PN-EN 61439 jest ochrona przeciwporażeniowa. Zapewnia ją eliminacja zagrożeń związanych z dotykiem bezpośrednim i pośrednim (patrz ramka: Ochrona przed porażeniem). Szafy i obudowy w praktyce pełnią także funkcję ekranu ograniczającego emisję zaburzeń na zewnątrz, a równocześnie chroniącego przed wpływem zewnętrznych pól elektromagnetycznych. W związku z tym powinny spełniać również wymagania norm dotyczących kompatybilności elektromagnetycznej, np. w zakresie podanych w PN-EN 61439 dopuszczalnych poziomów emisji i wymaganej odporności na zaburzenia z zewnątrz.
Szczególną grupę wymagań stanowią te dotyczące pracy w atmosferach potencjalnie wybuchowych, regulowane w Unii Europejskiej przez dyrektywę ATEX oraz normy zharmonizowane. Szafy i obudowy używane w takich warunkach muszą być projektowane w sposób eliminujący potencjalne źródła zapłonu, co obejmuje m.in. ograniczenie temperatur powierzchni, zapobieganie powstawaniu iskier oraz wyładowań elektrostatycznych.
KONSTRUKCJE EMC I ATEX
Dobór materiałów i rozwiązań konstrukcyjnych nie jest więc podporządkowany jedynie wymogom stopni ochrony IP i IK. Przykładowo, zapewnienie kompatybilności elektromagnetycznej wymaga, by osłona była także ekranem. To oznacza konieczność wykonania jej z materiałów przewodzących i zapewnienia ciągłości elektrycznej konstrukcji. Preferowane są w takich przypadkach ścianki ze stali i aluminiowe, tłumiące zaburzenia zarówno emitowane, jak i odbierane.
Sam materiał przewodzący nie wystarczy – dla skuteczności ekranowania decydujące znaczenie ma eliminacja przerw w ciągłości elektrycznej, które stają się miejscami wycieku promieniowania. Zapewniają to połączenia o niskiej rezystancji pomiędzy elementami konstrukcji, szczególnie na styku drzwi z korpusem, zazwyczaj w postaci uszczelek przewodzących, np. elastomerowych z wypełnieniem metalicznym. Poza tym uwagi wymagają punkty wyprowadzenia okablowania. Wymagane są ekranowane przepusty kablowe. Ważne jest również odpowiednie prowadzenie kabli wewnątrz – w taki sposób, by ograniczać sprzężenia elektromagnetyczne między nimi.
W atmosferach potencjalnie wybuchowych wymagania konstrukcyjne ulegają dalszemu zaostrzeniu, gdyż należy wyeliminować potencjalne źródła zapłonu. W zależności od stopnia ochrony stosuje się różne rozwiązania konstrukcyjne, takie jak osłony w wykonaniu ognioszczelnym (Ex d), zwiększonego bezpieczeństwa (Ex e), nadciśnieniowym (Ex p).
W osłonach Ex d konstrukcja powinna wytrzymać ciśnienie wewnętrznej eksplozji i zapobiegać jej przeniesieniu do otoczenia. To wymaga wykonania jej z materiałów o dużej wytrzymałości mechanicznej, precyzyjnego dopasowania powierzchni na stykach łączonych elementów i odpowiednich długości szczelin do wygaszania płomieni. W osłonach Ex e z kolei kluczowa jest eliminacja źródeł zapłonu przez ograniczenie temperatury powierzchni, poprawę jakości połączeń elektrycznych i zwiększenie odstępów izolacyjnych.
W osłonach Ex p utrzymywane jest nadciśnienie, które zapobiega wnikaniu atmosfery wybuchowej do wnętrza. To wymaga konstrukcji o wysokim stopniu szczelności oraz możliwości kontroli ciśnienia. W osłonach spełniających wymogi ATEX unika się tworzyw sztucznych w miejscach, gdzie mogłoby dochodzić do gromadzenia się ładunków elektrostatycznych. Wymagane jest także zapewnienia skutecznego uziemienia wszystkich elementów przewodzących.
WERSJE HIGIENICZNE
Szafy i obudowy w wykonaniu higienicznym to specjalny typ konstrukcji przeznaczonych do pracy w warunkach podwyższonych wymagań sanitarnych zapobiegających kontaminacji produktu. Takie należy zapewnić m.in. w produkcji spożywczej i farmaceutycznej, gdzie obecność jakichkolwiek zanieczyszczeń (stałych, mikrobiologicznych, chemicznych) prowadzi nie tylko do spadku jakości produktów, ale stanowi zagrożenie zdrowia i życia ich odbiorców.
Podstawowe wymagania stawiane wersjom higienicznym to łatwość czyszczenia i brak możliwości gromadzenia się zanieczyszczeń. Ma to wpływ na kształt osłon. W odróżnieniu od standardowych konstrukcji, eliminuje się w nich ostre kąty, szczeliny, wgłębienia i poziome powierzchnie, gdzie zbierałyby się woda i resztki produktu. Alternatywą są powierzchnie pochylone, umożliwiające swobodny spływ cieczy oraz zaokrąglenia. Spoiny są wykonywane jako ciągłe i szlifowane na gładko, aby zapobiec tworzeniu się mikroszczelin stanowiących potencjalne siedliska mikroorganizmów.
Podstawowy materiał wykonania to stal nierdzewna, którą charakteryzuje podwyższona odporność na działanie środków myjących. Powierzchnie są wygładzane, gdyż niska chropowatość ogranicza przyczepność zanieczyszczeń. Unika się również powłok, które mogłyby się łuszczyć. Osłony powinny mieć jak najwyższy stopień ochrony (co najmniej IP66) – przeważnie standardem jest odporność na mycie wysokociśnieniowe gorącą wodą z dodatkiem środków chemicznych (IP69K). Uszczelki w związku z tym muszą być wykonane z materiałów odpornych na detergenty i wysoką temperaturę, a w branży spożywczej – dodatkowo z tych dopuszczonych do kontaktu z żywnością. W wersjach higienicznych eliminuje się także elementy wystające, jak klamki, a zawiasy projektuje się tak, aby nie występowały w nich trudno dostępne przestrzenie.
Case study – pożar w rozdzielnicy
W pewnej hucie doszło do poważnej awarii instalacji elektrycznej zasilającej piece. W jednej z rozdzielnic zlokalizowanych w częściowo podziemnym pomieszczeniu pod platformą obsługową pieców wybuchł pożar. Zarzewie ognia stanowił jeden z kondensatorów olejowych w banku kondensatorów kompensacyjnych. Mechanizm zdarzenia był prawdopodobnie następujący: uszkodzenie dielektryka doprowadziło do jego lokalnego przebicia, skutkiem czego stał się gwałtowny wzrost temperatury, a w efekcie – rozkład oleju i wzrost ciśnienia wewnętrznego, który doprowadził do eksplozji obudowy kondensatora. Wyrzucony olej zapalił się, inicjując pożar w rozdzielnicy.
Mimo że wszystkie rozdzielnice były wyposażone w sensory detekcji pożaru, które automatycznie uruchamiały gaśnice z CO₂, zabezpieczenie to w tym przypadku nie zadziałało. Powodem okazał się wymóg podwójnej weryfikacji, system alarmowy został bowiem tak zaprojektowany, że opierał się na sygnale z dwóch typów czujników. Tymczasem o ile czujniki optyczne wykryły pożar i wygenerowały alarm, sensory jonizacyjne nie zadziałały, ponieważ wybuch kondensatora najprawdopodobniej je uszkodził. W konsekwencji pożar rozwijał się niezauważony przez prawie 20 minut. Dopiero po upływie tego czasu pracownicy huty, którzy byli w pobliżu, podjęli próbę jego ugaszenia przy użyciu ręcznych gaśnic, znajdujących się na klatce schodowej prowadzącej do pomieszczenia z rozdzielnicami. Akcję gaśniczą utrudniał jednak gęsty dym, który kumulował się na klatce schodowej.
Problemem był też ograniczony dostęp do rozdzielnic, wynikający z ich podziemnej lokalizacji. Mimo wysiłków personelu konieczne okazało się wezwanie służb ratunkowych. W międzyczasie piece, aby uniknąć ich uszkodzenia, musiano opróżnić z kilkudziesięciu ton stopionego metalu. Trwało to jeszcze długo po tym, jak strażacy ugasili pożar. Chociaż służby uporały się z ogniem w niecałą godzinę, pożar ostatecznie skutkował kilkutygodniowym przestojem w produkcji i olbrzymimi stratami materialnymi.
PROJEKT, PREFABRYKACJA, KONSERWACJA
Obudowy stanowią często produkty standaryzowane, wybierane na podstawie konkretnych wymogów, jak stopień ochrony, rozmiary, chłodzenie oraz wyprowadzenie kabli. W przypadku szaf sterowniczych i rozdzielnic opracowuje się przeważnie projekt dopasowany do konkretnych potrzeb. Obejmuje on przygotowanie dokumentacji technicznej na podstawie wymagań funkcjonalnych, w tym schematu elektrycznego i planu jego odwzorowania przez podział na sekcje zasilania, sterowania i zabezpieczeń, rozmieszczenie podzespołów i uporządkowanie okablowania. Uwzględnia się przy tym wpływ na skuteczność chłodzenia i wymagania dodatkowe, takie jak bezpieczeństwo użytkowania, zapewnienie kompatybilności elektromagnetycznej, łatwość serwisowania i możliwość rozbudowy w przyszłości.
Kolejny krok to prefabrykacja, podczas której schematy i założenia projektowe są realizowane. Na tym etapie ujawniają się błędy popełnione „na papierze” – np. niewystarczająca przestrzeń montażowa, problemy z prowadzeniem kabli, niezgodność podzespołów różnych producentów. Prefabrykacja weryfikuje wykonalność oraz kompatybilność zaplanowanych rozwiązań w praktyce. W pierwszej kolejności wykonywany jest montaż konstrukcji nośnej i elementów takich, jak płyty montażowe, szyny DIN i kanały kablowe, poprzedzony niezbędnymi pracami przygotowawczymi (docinanie, gięcie, wiercenie, wycinanie, gwintowanie otworów). Następnie instalowane są urządzenia i prowadzi się okablowanie.
Kolejny etap stanowią testy FAT (Factory Acceptance Test), które pozwalają na weryfikację poprawności wykonania i funkcjonowania szafy przed jej dostarczeniem do klienta. Obejmują kontrolę połączeń elektrycznych, testy funkcjonalne układów sterowania i zabezpieczeń. Dzięki testom FAT można wykryć błędy, których usunięcie na etapie eksploatacji byłoby droższe i czasochłonne.
Szafy i obudowy wymagają regularnej diagnostyki i planowych przeglądów. W tym celu przeprowadza się pomiary, np. termowizyjne, które wykrywają gorące punkty, świadczące o nadmiernym wzroście temperatury. Może on być objawem m.in. poluzowania połączeń, przeciążeń, uszkodzenia okablowania lub któregoś z urządzeń. Wykonuje się także pomiary wielkości elektrycznych, umożliwiające ocenę stanu izolacji i ciągłości połączeń. Dzięki temu można zawczasu wykryć rozwijające się problemy i ograniczyć ryzyko poważniejszej awarii. W ramach okresowych przeglądów oprócz tego wykonuje się konserwację, obejmującą np. dokręcanie śrub, ocenę stanu powłok ochronnych na powierzchniach i czyszczenie, w tym sprawdzanie drożności wentylacji.
Monika Jaworowska
