مشاكل ارتفاع الحرارة؟ خزانة كهربائية متينة تحل مشكلات الحرارة

فهم تراكم الحرارة في الخزانات الكهربائية

مصادر الحرارة الداخلية والخارجية الشائعة في الخزانات الكهربائية

تواجه الخزائن الكهربائية التي نقوم بتركيبها يوميًا تحديات حرارية جسيمة ناتجة عن مصادر داخلية وخارجية على حد سواء. فداخل هذه الخزائن، توجد أشياء مثل مصادر الطاقة والسواقات المحركة، والتي قد تفقد حوالي 15٪ من الطاقة في هيئة حرارة هدر أثناء التشغيل. أما في الأماكن المكشوفة؟ فإن أشعة الشمس تكون أيضًا ذات تأثير كبير. غالبًا ما ترتفع درجات حرارة الأسطح الخاصة بالخزائن الخارجية بمقدار 20 درجة مئوية تقريبًا مقارنة بالبيئة المحيطة بها. ولا يجب أن ننسى أيضًا العمليات الصناعية العديدة التي تحدث في المناطق المجاورة. فورج المعادن ومناطق معالجة المواد الكيميائية تنبعث منها حرارة تؤثر على معداتنا. عند جمع كل هذه العوامل معًا، نجد أن الأحمال الحرارية قد تصل أحيانًا إلى أكثر من 500 واط لكل متر مكعب في التركيبات المدمجة بكثافة. وهذا يعني أن التخطيط الحراري السليم يجب أن يبدأ منذ مرحلة التصميم إذا أردنا أداءً موثوقًا به على المدى الطويل.

التعرف على علامات ارتفاع درجة الحرارة: من إجهاد المكونات إلى فشل النظام

عندما تبدأ المعدات في التسخين الزائد، تظهر علامات واضحة مثل تصرف المرحلات بشكل غريب، وتشغيل وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) ببطء أكثر من المعتاد، وتراكم الرطوبة داخل الخزانات نتيجة التغيرات الكبيرة في درجات الحرارة. تكمن المشكلة الحقيقية عندما تتفاقم الأمور. نبدأ حينها في ملاحظة أضرار مادية على المكونات، مثل ظهور بقع بنية على لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) حيث تأكسد النحاس، وصناديق الاتصالات المعدنية التي فقدت شكلها، والمكثفات المنتفخة وكأنها على وشك الانفجار. إذا تُركت هذه المشكلات دون علاج، فإنها تؤدي إلى مشكلات خطيرة. تنخفض مقاومة العزل بشكل كبير عن المستوى المطلوب (عادةً ما تكون حوالي مليون أوم، لكننا نلاحظ انخفاضها بنسبة تصل إلى 70%)، كما تزداد احتمالية فشل المقاولين الكهربائيين عند تعرضهم للحرارة المستمرة. وهذا يعني أن الأعطال المفاجئة تصبح أكثر احتمالاً، مما يكلف الشركات الوقت والمال.

كيف تؤثر درجة الحرارة المحيطة على كفاءة تبريد خزانات الكهرباء

تعتمد كفاءة أنظمة التبريد بشكل كبير على الفرق في درجة الحرارة بين ما بداخل المعدات والهواء المحيط بها. وعندما ترتفع درجات الحرارة المحيطة فوق 25 درجة مئوية (حوالي 77 فهرنهايت)، فإن التوصيل الطبيعي للحرارة لم يعد فعالًا كما كان. فمع كل زيادة بمقدار 10 درجات بعد هذه النقطة، تنخفض الكفاءة بنحو 35%. وتصبح الأمور خطيرة عندما تصل درجات الحرارة الخارجية إلى حوالي 40 درجة مئوية (أو 104 فهرنهايت). عند هذه المرحلة، تبدأ العديد من الخزائن المغلقة في تجاوز علامة 55 درجة مئوية الخطرة (حوالي 131 فهرنهايت)، والتي تمثل بداية الزيادة الأسية في حالات فشل أشباه الموصلات. ونتيجة لهذه المخاطر، تصبح حلول التبريد النشطة ضرورية تمامًا في المناطق ذات درجات الحرارة العالية أو المساحات التي لا تتمتع بتدفق هواء جيد.

تصميم خزائن كهربائية متينة لأداء حراري مثالي

اختيار المواد: الخزائن الألومنيوم مقابل الفولاذ مقابل الخزائن المركبة

ما نوع المادة التي نختارها للغلاف له أهمية كبيرة عندما يتعلق الأمر بكيفية تعاملها مع الحرارة ومدى متانتها بمرور الوقت. خذ الألومنيوم على سبيل المثال. فهو يوصل الحرارة بحوالي 205 واط لكل متر كلفن، أي ما يعادل تقريبًا من ثلاث إلى خمس مرات أكثر من الصلب. هذا يعني أن الألومنيوم يمكنه تبديد الحرارة بشكل سلبي وبكفاءة جيدة، وبالتالي يعمل بشكل ممتاز في أشياء مثل أنظمة التحكم في التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) وفي تركيبات المزارع الشمسية الكبيرة. أما الصلب، فله مكانه أيضًا بالتأكيد لأنه أقوى من الناحية الهيكلية، ولهذا السبب لا تزال العديد من الصناعات الثقيلة تستخدمه رغم أن موصلية الصلب للحرارة تبلغ حوالي 45 واط لكل متر كلفن فقط. هذه القيمة المنخفضة عادةً ما تعني الحاجة إلى حلول تبريد إضافية. ثم توجد خيارات مركبة مثل البوليستر المعزز بالألياف الزجاجية. هذه المواد مقاومة جيدًا للتآكل ويمكنها تحمل درجات حرارة معتدلة، لذا تُعدّ خيارات جيدة للمواقع القاسية حيث تكون المواد الكيميائية موجودة أو في المنصات البحرية حيث يمكن للهواء المالح أن يتسبب في تآكل المواد الأخرى بسرعة أكبر.

تصنيفات IP وNEMA/UL: مطابقة الحماية لمتطلبات العزل الحراري

إن الحصول على تصنيفات الحماية البيئية بشكل دقيق يرتبط فعليًا بمطابقتها لما تحتاجه المعدات بالفعل لإدارة الحرارة. فعلى سبيل المثال، توفر الخزائن ذات التصنيف IP54 حماية من الغبار ورذاذ الماء مع السماح في الوقت نفسه بمرور الهواء تلقائيًا، مما يساعد الأجهزة على التبريد بشكل طبيعي. ثم تأتي خزائن NEMA 12 التي تحول دون دخول الزيوت والسوائل المبردة دون أن تعوق تدفق الهواء تمامًا، حيث تسمح بقدر كافٍ من الحمل الحراري لمنع ارتفاع درجة حرارة المكونات. أما في الحالات التي تشكل فيها الرطوبة أو المواد الكيميائية مشكلة، فتُستخدم التصاميم المعتمدة من الفئة UL Type 4X، والتي تتضمن مرشحات خاصة طاردة للماء إضافة إلى فتحات تهوية موزعة بعناية في جميع أنحاء النظام. ويحافظ هذا التصميم على استقرار درجة الحرارة الداخلية حتى في ظل ظروف خارجية قاسية، مع ضمان بيئة تشغيل نظيفة داخل الخزانة. وتجد العديد من المنشآت الصناعية أن هذه التركيبة هي الأنسب لتطبيقاتها الخاصة.

تصاميم مبتكرة لتدفق الهواء الطبيعي ومقاومة الحرارة

أصبحت تصاميم الخزائن اليوم أكثر ذكاءً من حيث التبريد السلبي. تعمل ميزات مثل الأسطح المثقبة، والفتحات المائلة، والمكونات المرتبة في مواضع متداخلة معًا على دفع الهواء الساخن إلى الأعلى وبعيدًا عن الأجزاء الإلكترونية الحساسة الموجودة داخل الخزانة. ووفقًا لبحث أجرته شركة ABB في دراستها الحرارية لعام 2022، يمكن أن تؤدي هذه الطريقة إلى خفض درجات الحرارة الداخلية بمقدار يتراوح بين 8 و12 درجة مئوية. وتشمل ابتكارًا رئيسيًا آخر استخدام طوقيات بوليمرية موصلة حراريًا توضع عند جميع الوصلات. تسمح هذه المواد الخاصة بخروج الحرارة مع منع دخول الغبار والرطوبة، وهو أمر بالغ الأهمية للمعدات المستخدمة في مزارع الطاقة الشمسية أو توربينات الرياح الواقعة في البيئات القاسية مثل الصحارى أو المناطق الاستوائية التي تكون فيها درجات الحرارة شديدة التقلب.

حلول التبريد النشط للتطبيقات الكهربائية ذات الحرارة العالية في الخزائن

استخدام مكيفات هواء ومراوح الخزائن لتوفير تبريد نشط وموثوق

عند التعامل مع حالات الحرارة الشديدة، تدمج أنظمة التبريد النشطة عادةً مكيفات خزانة مع مراوح ذات سرعة متغيرة للحفاظ على درجة حرارة منخفضة داخل الخزانة. تعمل وحدات التبريد هذه بشكل جيد حتى في حال ارتفاع درجة الحرارة الخارجية عن 45 درجة مئوية. فهي تحتوي على أجهزة استشعار حرارية مدمجة تراقب باستمرار الظروف وتحدد كمية الهواء المتدفقة. والميزة الكبيرة هنا هي أن هذه الأنظمة لا تعمل طوال الوقت كما تفعل الأنظمة التقليدية، بل تُفعّل فقط عند الحاجة، مما يقلل استهلاك الكهرباء بنسبة تتراوح بين 30 إلى 50 بالمئة. وهذا يُحدث فرقاً كبيراً في أماكن مثل المصانع حيث تولد الآلات قدراً كبيراً من الحرارة، أو في مرافق تخزين البطاريات حيث يمكن أن تتقلب درجات الحرارة بشكل كبير حسب كمية الطاقة المخزنة أو المنبعثة في لحظة معينة.

أنظمة التبريد المغلقة: الحفاظ على النظافة والكفاءة

تساعد أنظمة التبريد المغلقة على إطالة عمر المكونات لأنها تحول دون دخول الهواء الخارجي إلى النظام. بدلاً من سحب الهواء العادي من البيئة المحيطة، تقوم هذه الأنظمة بنقل الحرارة عبر مبادلات حرارية خاصة من الداخل والخارج. أظهرت دراسة نُشرت العام الماضي أن المكونات في أماكن مثل المناطق الصناعية المغبرة أو القريبة من السواحل يمكن أن تدوم أطول بنسبة 40% تقريبًا عند استخدام هذا الأسلوب. والسبب هو أن جزيئات الغبار ورذاذ المياه المالحة لا تتسلل إلى المعدات حيث قد تسبب تلفًا مع مرور الوقت. وهذا أمر بالغ الأهمية في منشآت مثل مصانع تصنيع أشباه الموصلات ومنصات النفط البحرية، حيث يؤدي عطل المعدات إلى خسائر مالية وتوقف عن العمل.

دراسة حالة: الوقاية من عطل المعدات بإدارة الحرارة النشطة

خفض مصنع واحد لمحولات الطاقة الشمسية التوقفات غير المتوقعة بنسبة أربعة أخماس تقريبًا عند تركيبه نظام تبريد هجين خاص. يجمع هذا النظام بين ألواح التبريد السائل للمكونات الكهربائية ووحدات تكييف خزانات تقليدية. ما الذي حدث؟ بقيت درجات الحرارة داخل الخزانة منخفضة بمقدار 22 درجة تحت المستوى الذي قد يتسبب في مشاكل، حتى عندما كانت جميع المعدات تعمل بأقصى طاقتها. لم يعد هناك ضرر ناتج عن الحرارة للوحات الدوائر الحساسة، ما يعني أن الصيانة لم تعد ضرورية كل ستة أشهر، بل يمكن تأجيلها إلى سنتين كاملتين بين كل خدمة وأخرى. بالإضافة إلى ذلك، حافظت جميع هذه التغييرات على الامتثال لمتطلبات السلامة UL 508A المهمة التي يجب على الجميع في القطاع الالتزام بها.

استراتيجيات التبريد السلبية لأغراض مستدامة وصيانة منخفضة للخزانات الكهربائية

الإشعاع الحراري، والحمل الحراري، والتوصيل في التبدد الحراري السلبي

تعمل أنظمة التبريد السلبية بشكل أساسي من خلال ثلاث آليات أساسية. أولاً، هناك الإشعاع، حيث تُصدر الأجزاء الحرارة على شكل موجات تحت حمراء. ثم يأتي التوصيل الحراري، حيث يصعد الهواء الساخن تلقائيًا ويهرب عبر الفتحات العلوية في المعدات. والطريقة الثالثة هي التوصيل، الذي يشمل عادةً استخدام مشتّبات حرارية مصنوعة من معادن مثل الألومنيوم تسحب الحرارة بعيدًا عن المكونات الحساسة. ما يجعل الأنظمة السلبية جذابة للغاية هو أنها لا تتطلب أي أجزاء ميكانيكية أو مصادر كهرباء خارجية. وعلى الرغم من هذه البساطة، فإن معظم المصانع تجد أن هذه الأساليب كافية للحفاظ على درجات حرارة تشغيل مقبولة. وفقًا لبحث نُشر في مجلة النظم الحرارية العام الماضي، فإن نحو ثمانية من كل عشر بيئات صناعية تظل فعليًا ضمن الهوامش الآمنة باستخدام تقنيات سلبية فقط.

تعظيم مساحة السطح والتهوية دون المساس بتصنيف الحماية (IP)

تساعد أساليب التصميم الجديدة في التخلص من الحرارة الزائدة مع الحفاظ في الوقت نفسه على الصديقية تجاه البيئة. عندما تكون جدران الخزائن مموجة أو على شكل زعانف، فإنها في الواقع تُنشئ مساحة سطحية أكبر بنسبة تتراوح بين 25 إلى 40 بالمئة لتفريغ الحرارة عبر الإشعاع والحمل الحراري. كما أن الشناقل الموجودة في هذه الفتحات تقوم بمهام مزدوجة من حيث توجيه تدفق الهواء، ومع ذلك فهي تظل مقاومة للغبار والماء وفقًا لتصنيفات IP54 وIP65 التي يهتم بها معظم الناس. وتسمح نقاط دخول الكابلات المثقبة بإخراج الهواء الساخن دون المساس بالختم الكلي للغلاف. فعلى سبيل المثال، عند وضع فتحات التهوية في أماكنها المناسبة داخل خزائن الألمنيوم، تنخفض درجات الحرارة الداخلية ما بين 8 إلى 12 درجة مئوية مقارنةً بالخيارات القياسية المصنوعة من الصلب الصلب. وهذا يُحدث فرقًا كبيرًا في أداء المعدات تحت الأحمال.

متى يجب اختيار التبريد السلبي مقابل التبريد النشط في البيئات القاسية

تعمل التبريد السلبي بشكل جيد حقًا في الأماكن التي تبقى فيها درجة الحرارة المحيطة مستقرة نسبيًا دون حوالي 35 درجة مئوية أو 95 درجة فهرنهايت. كما أنه مناسب للمواقف التي لا يولد فيها كل خزانة أكثر من حوالي 500 واط من الحرارة، بالإضافة إلى الأنظمة الموجودة في مواقع بعيدة أو التي تحتاج إلى صيانة دنيا. ولكن عندما تتجاوز الحرارة 800 واط، أو إذا تقلبت درجات الحرارة تقلبًا كبيرًا خارج النطاق الطبيعي، يصبح التبريد النشط ضروريًا. وينطبق نفس الشيء على التطبيقات التي تتطلب تحكمًا دقيقًا جدًا في درجة الحرارة ضمن نطاق لا يتعدى درجتين مئويتين فقط. أما الأساليب الهجينة فتوفر حلاً بين هذين الطرفين. تعتمد هذه الأساليب في معظم الأوقات على التقنيات السلبية، لكنها تشغّل مكونات تبريد إضافية مثل المراوح أو المبردات عند حدوث ارتفاع مفاجئ في الطلب. يساعد هذا الأسلوب المختلط في ترشيد استهلاك الطاقة مع الحفاظ في الوقت نفسه على الظروف التشغيلية المناسبة.

الأسئلة الشائعة

ما هي المؤشرات الشائعة لارتفاع درجة الحرارة في الخزائن الكهربائية؟

تشمل علامات ارتفاع درجة الحرارة تصرف المعدات بشكل غير طبيعي، وانخفاض الأداء، وتراكم الرطوبة من الداخل، والأضرار المادية على المكونات مثل لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)، وانتفاخ المكثفات. ويمكن أن يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى انخفاض مقاومة العزل وفشل المكونات.

لماذا يُعد اختيار المواد مهمًا في تصميم الخزائن الكهربائية؟

يؤثر اختيار المواد على التعامل مع الحرارة والمتانة. فالألومنيوم يبدد الحرارة بكفاءة بفضل توصيله الحراري العالي، مما يجعله مناسبًا لأنظمة التكييف والمزارع الشمسية. ويقدم الفولاذ قوة هيكلية، لكنه يتطلب إجراءات تبريد إضافية. أما المواد المركبة فتقاوم التآكل وتتعامل مع حرارة معتدلة، وهي مثالية للبيئات الكيميائية القاسية.

ما أهمية التصنيفات IP وNEMA/UL في تصميم الخزائن الكهربائية؟

تضمن تقييمات الحماية البيئية قدرة الخزانات على إدارة احتياجات التبريد. تتيح الخزانات ذات التصنيف IP54 تدفق الهواء الطبيعي، في حين تحمي خزانات NEMA 12 ضد الزيوت والسوائل المبردة. أما التصاميم UL Type 4X فهي مناسبة للبيئات الغنية بالرطوبة والمواد الكيميائية، وتحافظ على درجات حرارة مستقرة.

كيف تعمل استراتيجيات التبريد السلبية؟

يعتمد التبريد السلبي على الإشعاع والحمل والتوصيل دون استخدام أجزاء ميكانيكية أو كهرباء خارجية. وتشمل الطرق النموذجية استخدام مشتّات الحرارة وخزانات مصممة بشكل استراتيجي للحفاظ على درجات حرارة تشغيل آمنة من خلال التبدد الطبيعي للحرارة.