Обоснование системы обогрева грунта теплиц на основе саморегулирующегося кабеля
Автор: Тепсаев С.С.
Журнал: Агротехника и энергообеспечение @agrotech-orel
Рубрика: Электротехнологии, электрооборудование и энергоснабжение агропромышленного комплекса
Статья в выпуске: 2 (51), 2026 года.
Бесплатный доступ
В условиях импортозамещения и необходимости повышения энергоэффективности тепличного хозяйства актуальным является внедрение адаптивных систем обогрева грунта. Традиционные резистивные кабели характеризуются риском локальных перегревов и перегорания, а водяные системы – высокой инерционностью. Предложено использование саморегулирующегося нагревательного кабеля (СНК) на основе полупроводниковой матрицы с положительным температурным коэффициентом сопротивления. Разработана система электроснабжения нагревательных установок, учитывающая нелинейный характер нагрузки, повышенные пусковые токи (в 1,5–2,5 раза выше номинальных) и ограничение длины линии (до 80 м при сечении 2,5 мм²). Представлены структурная и принципиальная электрические схемы системы электроснабжения, включающие главный распределительный щит (ГРЩ) с АВР, зональные шкафы управления на базе программируемого логического контроллера ОВЕН ПЛК110 и твердотельных реле. Приведены результаты экспериментальных исследований лабораторного образца, подтверждающие снижение энергопотребления на 14% по сравнению с резистивным аналогом и предотвращение перегрева корнеобитаемого слоя (максимальная температура не превысила 28 °C против 60–80 °C). Предложены варианты конструктивного исполнения и размещения оборудования в условиях промышленной теплицы.
Теплица, обогрев грунта, саморегулирующийся нагревательный кабель, PTC-эффект, система электроснабжения, пусковые токи, автоматизация, энергоэффективность
Короткий адрес: https://sciup.org/147254432
IDR: 147254432 | УДК: 631.371:635.64
Justification of the power supply system for heating units for soil heating of greenhouses based on self-regulating cable
In the context of import substitution and the need to improve the energy efficiency of greenhouse farming, the implementation of adaptive soil heating systems is relevant. Traditional resistive cables are characterized by the risk of local overheating and burnout, while water systems are characterized by high inertia. The use of a self-regulating heating cable (SRHC) based on a semiconductor matrix with a positive temperature coefficient of resistance is proposed. A power supply system for heating units has been developed that takes into account the nonlinear nature of the load, increased inrush currents (1.5–2.5 times higher than rated ones) and line length limitation (up to 80 m with a cross-section of 2.5 mm²). Structural and schematic electrical diagrams of the power supply system are presented, including a main distribution board (MDB) with an automatic transfer switch (ATS), zone control cabinets based on an OWEN PLC110 programmable logic controller and solid-state relays. The results of experimental studies of a laboratory prototype are presented, confirming a 14% reduction in energy consumption compared to a resistive analogue and preventing overheating of the root zone (maximum temperature did not exceed 28 °C versus 60–80 °C). Design options and equipment placement in an industrial greenhouse are proposed.
Текст научной статьи Обоснование системы обогрева грунта теплиц на основе саморегулирующегося кабеля
Введение.
Современное тепличное хозяйство является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей АПК, обеспечивающей население свежей овощной продукцией круглогодично. Интенсификация тепличного производства требует внедрения энергоэффективных технологий, позволяющих создавать оптимальные условия для роста растений при минимальных затратах ресурсов [1, 2]. Температура корнеобитаемого слоя является критическим фактором, влияющим на физиологические процессы растений. Для огурца и томата оптимальная температура грунта составляет 20–24 °C, а допустимая неравномерность по объему не должна превышать 2–3 °C [3]. Существующие системы обогрева грунта – водяные, резистивные кабельные, инфракрасные – обладают рядом недостатков. Водяные системы характеризуются высокой инерционностью и сложностью регулирования. Резистивные кабели, несмотря на простоту монтажа, подвержены локальным перегревам из-за постоянной погонной мощности, что приводит к перегоранию и повреждению корней растений [4].
Перспективной альтернативой является применение саморегулирующегося нагрев ательного кабеля, конструкция которого основана на полупроводниковой полимерной 88 Агротехника и энергообеспечение. – 2026. – № 2 (51)
матрице, изменяющей свое электрическое сопротивление в зависимости от температуры (PTC-эффект). При локальном повышении температуры сопротивление матрицы возрастает, ток снижается, и тепловыделение уменьшается. На холодных участках происходит обратный процесс [5]. Однако эффективное использование СНК требует обоснования параметров системы электроснабжения, учитывающих его специфические характеристики: нелинейную вольт-амперную характеристику, повышенные пусковые токи при холодном запуске, а также ограничения по максимальной длине линии из-за падения напряжения.
Цель работы – обоснование параметров и разработка системы электроснабжения нагревательных установок для обогрева грунта теплиц на основе саморегулирующегося кабеля, обеспечивающей надежную, безопасную и энергоэффективную работу.
Материалы и методы.
Выполнен аналитический обзор существующих систем обогрева грунта и их систем электроснабжения. Разработана структурная схема системы электроснабжения для типового блока теплицы площадью 1000 м² с 5 продольными грядками. Выполнены расчеты установленной мощности, номинальных и пусковых токов, допустимой длины питающих линий.
Экспериментальные исследования проведены на лабораторном стенде, включающем контейнер с торфогрунтом (1200×600×500 мм) и двумя секциями саморегулирующегося кабеля марки 30SLT2-CR (30 Вт/м, 220 В) длиной по 5 м. Управление осуществлялось на базе программируемого логического контроллера (ПЛК) ОВЕН ПЛК110. Регистрация параметров выполнялась с помощью цифрового осциллографа Hantek DSO5102P и многоканального измерителя температуры ОВЕН ТРМ101.
Результаты и обсуждение.
На основе теплотехнического расчета для условий Московского региона установлено, что стационарные теплопотери грунта составляют 41,1 Вт/м². С учетом краевых эффектов принята расчетная удельная мощность 80 Вт/м². Выбран саморегулирующийся кабель 30SLT2-CR с погонной мощностью 30 Вт/м. Шаг укладки составил 0,35 м, глубина заложения – 200 мм от поверхности. Для блока теплицы площадью 1000 м² общая длина кабеля – 1440 м, разбитого на 20 секций по 72 м.
Конструктивно система обогрева грунта приведена на рисунке 1.
Расчет параметров системы электроснабжения. Номинальная мощность одной секции:
Рсекц = Ркаб • ^секц = 30^72 = 2160 Вт = 2,16 кВт.
Номинальный ток секции при напряжении 220 В:
^ секц
р гсекц
и
9,82 А.
Ключевой особенностью СНК являются пусковые токи. При холодном пуске (температура кабеля +5 °C) пусковой ток может достигать:
^ пуск Р пуск • ^ секц
2,5 · 9,82 = 24,55 А.
Это требует выбора автоматических выключателей с характеристикой C, допускающей кратковременные перегрузки в 5–10 раз.
Допустимая длина питающей линии при сечении 2,5 мм² по условию падения напряжения (5%):
. = ли•и•s max — 2фФ100
5•220•2,5
2•0,0175•9,82•100
80 м .
а)
б)
Рисунок 1 – Система обогрева грунта: а) конструктив; б) конструкция «пирога» грядки
На рисунке 2 представлена структурная схема автоматизации, имеющая трехуровневую иерархию: главный распределительный щит (ГРЩ) с автоматическим вводом резерва (АВР) – зональные шкафы управления – нагревательные секции [5].
Рисунок 2 – Структурная схема системы электроснабжения нагревательных установок для обогрева грунта
Принципиальная электрическая схема (рисунок 3) включает следующие элементы: вводной автоматический выключатель QF1 (16 А, характеристика C); устройство защитного отключения УЗО1 (30 мА, тип А); программируемый логический контроллер ПЛК1 (ОВЕН ПЛК110); твердотельное реле SSR1 (25 А) для бесконтактной коммутации; контакторы КМ1, КМ2 для зонального управления; трансформатор тока ТА1 для диагностики; датчики температуры грунта DS18B20 (T1, T2).
Микроконтроллерный блок управления (МБУ) обеспечивает: непрерывный опрос датчиков температуры (2 датчика на грядку, частота 1 Гц); ПИД-регулирование мощности нагрева через твердотельное реле (режим непрерывного питания, исключающий частые холодные пуски); зональную коррекцию температуры (краевая зона – 24 °C, центральная – 22 °C); программное управление по суточному графику (день/ночь); диагностику обрыва кабеля и утечек тока (контроль тока через ТА1); защиту от перегрева (отключение при T > 40 °C); связь с диспетчерским пунктом по протоколу Modbus RTU (RS-485).
Рисунок 3 – Принципиальная электрическая схема
На лабораторном стенде (рисунок 4) были проведены испытания в трех сериях.
Рисунок 4 – Контейнер для имитации грядки
Серия 1 (холодный пуск) (рисунок 5). При начальной температуре кабеля +8 °C пусковой ток составил 2,15·Iном = 21,1 А, что находится в пределах теоретического диапазона. Время выхода на установившийся режим – 45 минут. Неравномерность температурного поля не превысила 1,8 °C.
Рисунок 5 – Результаты серии 1 (холодный пуск)
Серия 2 (саморегуляция) (рисунок 6). При локальном пересыхании грунта мощность кабеля автоматически снизилась на 14%, а температура не превысила 28 °C (у резистивного аналога достигает 60–80 °C с последующим перегоранием). При локальном увлажнении мощность возросла на 14%, выравнивая температурное поле.
Рисунок 6 – Результаты серии 2 (саморегуляция)
Серия 3 (защиты) (рисунок 7). Защита от перегрева отключила секцию при достижении
40 °C за 0,5 с. УЗО сработало за 40 мс при утечке 22 мА.
Рисунок 7 – Результаты серии 3 (защиты и диагностика)
Все графики построены в программной среде Matlab [6, 7]. В таблице 1 представлено сравнение основных параметров.
Таблица 1 – Сравнение расчетных и экспериментальных параметров
|
Параметр |
Расчетное значение |
Экспериментальное значение |
Отклонение |
|
Пусковой ток (при +8 °C), А |
19,6–24,5 |
21,1 |
+7,6% (в диапазоне) |
|
Ток установившегося режима, А |
3,93–5,89 |
4,2 |
- |
|
Время выхода на режим, мин |
40–60 |
45 |
- |
|
Температура перегретой зоны (сухой грунт), °C |
не более 40 |
28 |
ниже |
|
Неравномерность температурного поля, °C |
2–3 |
1,8 |
лучше расчетного |
|
Срабатывание УЗО при утечке, мс |
< 100 |
40 |
соответствует |
|
Порог отключения по перегреву, °C |
40 |
40 |
соответствует |
Отклонения находятся в пределах точности измерений и допущений теплофизической модели. Экспериментально подтверждена способность саморегулирующегося кабеля автоматически адаптировать мощность к локальным условиям теплоотвода.
Результаты испытаний позволяют рекомендовать разработанную систему электроснабжения для практического применения в тепличных хозяйствах с заменой резистивного кабеля на саморегулирующийся без существенного изменения конструктивных решений, но с обязательным учетом пусковых токов при выборе аппаратов защиты.
