CC BY
65
УДК 621.311
ИССЛЕДОВАНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БЕЗОТКАЗНОСТИ НИЗКОВОЛЬТНЫХ КОММУТАЦИОННЫХ АППАРАТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
А.И. ФЕДОТОВ, Е.И. ГРАЧЕВА, О.В. НАУМОВ
Казанский государственный энергетический университет
Аннотация: Представлены основные методы исследования надежности низковольтных электрических аппаратов и приведены результаты изучения характеристик, определяющих их работоспособность.
Ключевые слова: цеховые электрические сети низкого напряжения, низковольтные электрические аппараты, работоспособность, надежность функционирования.
На современном этапе развития техники электрические низковольтные коммутационные аппараты управления - магнитные пускатели, электромагнитные контакторы и др. - получают дальнейшее развитие, несмотря на большие достижения в области электроники и быстрое развитие бесконтактной коммутационной аппаратуры на базе полупроводниковых элементов. Это вызвано такими их существенными преимуществами перед электронными коммутационными аппаратами, как полная гальваническая развязка цепей в разомкнутом состоянии, относительно большая коммутируемая мощность на единицу собственного объема, большая устойчивость к токам перегрузки и перенапряжениям, стабильные параметры при широком изменении внешних условий [1-3]. Тенденция более широкого применения контактной коммутационной аппаратуры по сравнению с электронной вероятно сохранится длительное время.
В связи с тем, что контактные аппараты управления являются массовой продукцией, которая применяется также и на особо ответственных объектах (АЭС, предприятиях с непрерывным технологическим процессом и т.д.), требования к их надежности и качеству постоянно растут. Поэтому на всех этапах выпуска изделия предполагается проводить оценку надежности проектируемого изделия. К достоверным способам определения работоспособности изделия относятся натурные испытания, которые включают в себя различные виды испытаний, в том числе и на коммутационную износостойкость [3].
Результаты исследований причин отказов [4] свидетельствуют о том, что:
- 40-45% их происходят из-за ошибок, допущенных при проектировании;
- 20% - из-за ошибок при производстве;
- 30% - из-за ошибок при эксплуатации;
- 5-7% - из-за естественного износа и старения.
Кроме того, сборка, контроль и испытания занимают до 40% общей трудоемкости производства электрических аппаратов [3].
Поэтому проведению испытаний уделяется большое внимание на всех этапах разработки аппаратуры, ее освоения и сопровождения в производстве, поскольку испытания являются наиболее достоверным источником информации, позволяющим объективно определять характеристики низковольтной коммутационной аппаратуры и способствующим обеспечению ее качества и надежности.
При эксплуатации оборудования систем цехового электроснабжения, одними из основных элементов которых служат коммутационных аппараты, в результате износа
© А.И. Федотов, Е.И. Грачева, О.В. Наумов Проблемы энергетики, 2013, № 9-10
происходит переход с одного уровня работоспособности (функционирования) на другой, более низкий [5, 6].
Быстрота износа контактов при коммутации определяет уровень надежности работы аппаратов. Основными факторами, которые непосредственно определяют скорость износа контактов и, следовательно, возможность возникновения отказа, являются:
- величина тока и напряжения;
- характер нагрузки (с увеличением индуктивности коммутационной цепи износ контактов увеличивается);
- материал контактов, в том числе их размеры, форма, однородность структуры;
- время и амплитуда вибрации контактов в момент замыкания, жесткость контактных пружин и др.
Все эти факторы функционально взаимосвязаны с тепловыми, электрическими и физико-техническими параметрами материалов контактных и дугогасительных систем [7, 8]. Анализ функциональных взаимосвязей указанных факторов и параметров, их систематизация дают возможность обосновать правомерность принятия некоторых критериев, определяющих показатели работоспособности контактных систем электрических аппаратов.
В качестве таких критериев могут быть представлены характерные зависимости изменений провала, суммарной высоты и массы контактов, сопротивления контактов от количества циклов [9].
Опыт работы и лабораторные исследования показывают, что контакты низковольтных коммутационных аппаратов являются наиболее ненадежными элементами.
Целью настоящей работы является статистический анализ экспериментальных данных, полученных при получении коммутационной износостойкости низковольтных аппаратов, и определение характеристик надежности.
Предположим, что в группе из п элементов, находящихся в периоде нормальной эксплуатации и работающих в идентичных условиях, за Т лет наблюдалось т отказов.
Тогда параметр потока отказов определится по выражению [10]
® = ~Т • (1)
пТ
Поскольку отказы являются случайными событиями, то и число т является случайной величиной. Поэтому целесообразно оценить достоверность найденного параметра потока отказов, т. е. определить доверительные границы, в которых находится действительная величина параметра потока отказов для данного типа элементов.
По результатам многолетних наблюдений эксплуатационных характеристик элементов низковольтных электрических сетей Казанского ОАО «Органический синтез» определены статистические параметры надежности основного электрооборудования (табл. 1).
Доверительные границы могут быть определены лишь с некоторой вероятностью, называемой доверительной вероятностью, или коэффициентом доверия. Выбор величины доверительной вероятности в большей степени зависит от цели исследования. Опыт показывает, что доверительная вероятность 0,95 или 0,90 вполне достаточна для практических целей. Оценим достоверность найденного параметра потока отказов, определим доверительные границы, в которых находится действительная величина параметра потока отказов для данного типа элементов.
Доверительная вероятность а = 0,95.
- автоматический выключатель марки ВА-51: © Проблемы энергетики, 2013, № 9-10
217
ю =_____= 0,051 1/год,
нижняя граница
верхняя граница
юн = —= -
283-15 ю 0,051
г1 1,12 ю 0,051
= 0,046 1/год, -9,8%, = 0,057 1/год, +9,8%,
г2 0,89
где Г\ и г2 - коэффициенты для соответствующей доверительной вероятности 0,95. - магнитный пускатель марки ПМЕ-211:
135
■ = 0,095 1/год,
нижняя граница
верхняя граница
- контактор марки КТ:
нижняя граница верхняя граница
ю = — 178-15
ю 0, 095
г1 1,16 Ю = 0,095 г2 " 0,86
123
ю=
юн = — = -
180 - 7 ю 0,098
г1 1,17 ю 0,098
г2 0,86 - предохранитель марки ПН2-100:
190
= 0,082 1/год -13,8%, = 0,110 1/год +14,0%,
= 0,098 1/год, = 0,084 1/год -14,3%, = 0,110 1/год +14,0%;
га =-
нижняя граница
верхняя граница
281-16
ю 0,042
юв = — = -
г1 1,13 ю 0,042
г2 0,89
- пакетный выключатель марки ПВ-3:
= 0,042 1/год, = 0,037 1/год -11,5%, = 0,047 1/год +12,4%;
нижняя граница
верхняя граница
- рубильник марки Р:
нижняя граница верхняя граница
ю = 116 = 0,027 1/год, 206 - 21
ю 0,027
г1 1,18 ю = 0,027 г2 = 0,85
144
ю=
юн = — = -
163 - 23 ю 0,038
= 0,023 1/год -14,8%, = 0,032 1/год +18,5%;
= 0,038 1/год,
г1 1,15 ю 0,038
юв = — = -
г2 0,87
= 0,033 1/год -13,0%, = 0,044 1/год +15,8%;
- кабельная линия марки АВВГ-0,4кВ (на 100м):
ю = = 0,026 1/год,
нижняя граница
верхняя граница
72 • 35 ю 0,026
г1 1,25 ю 0,026
Юв = — = -
= 0,021 1/год -19,2%, = 0,032 1/год +23,1%.
г2 0,81
Проведем аналогичные расчеты для доверительной вероятности а = 0,90 (табл.1). Для усеченного закона распределения времени до отказа параметр потока отказов определяется по выражению [11]
I =
(гТ )2
2а2
т - г
(2)
)
Определим интенсивность отказов для рассматриваемого оборудования по имеющимся данным:
- автоматический выключатель марки ВА-51:
(1-13)2 22,52
11,52
=1год) =
Т2Л2,5Р(13-!) 6,27р(4,8)
2,5
(13-13)2 22,52
^ = 13год) = -
л/2Л 2,5Б(
13 -13) 6,27Б(0) 2,5 )
= 1,58 • 10-5 1/год.
= 0,319 1/год.
Занесем результаты расчетов в табл. 2 и отобразим изменение интенсивности отказов во времени на рис. 1.
X, 1/год
1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2
0,1 0,0
г, год
0
2
4
6
8
10
12 14
16
18
Рис. 1. Интенсивность отказов автоматического выключателя марки ВА-51
(а = 2,5 года, Тср = 13 лет)
е
Таблица 1
Значения параметров потока отказов электрооборудования
Наименование электрооборудования Количество элементов и, шт Количество отказавших элементов т, шт Время наблюдения Г, год Средняя наработка на отказ Тср, год Среднеквадра-тическое отклонение наработки на отказ а, год Время восстановления элементов Тв, час Средний параметр потока отказов со, 1/год Границы доверительного интервала С0„/С0в Доверительная вероятность
а = 0,90 а =0,95
Автоматический выключатель В А-51 283 217 15 13 2,5 4 0,051 -9,8/+9,8 -9,8/+9,8
Магнитный пускатель ПМЕ-211 178 135 8 6 1,7 3 0,095 -11,6/+12,6 -13,8/+14,0
Контактор марки КТ 180 123 7 6 1,7 3 0,098 -11,2/+12,2 -14,3/+14,0
Предохранитель ПН2-100 281 190 16 15 2,6 3 0,042 -9,5/+9,5 -11,5/+12,4
Пакетный выключатель ПВ-3 206 116 21 20 2,9 4 0,027 -11,1/+14,8 -14,8/+18,5
Рубильник марки Р 163 144 23 20 2,9 3 0,038 -10,5/+10,5 -13,0/+15,8
Кабельная линия АВВГ-0,4кВ (на 100м) 72 65 35 30 3,4 24 0,026 -15,4/+19,2 -23,1/+19,2
Таблица 2
Интенсивность отказов автоматического выключателя марки ВА-51
Время наблюдения 1, год Значение (Тср - г)/а Значение функции ^((Тср - г)/а) Интенсивность отказов X, 1/год
1 4,8 1,000 1,61-10"6
2 4,4 1,000 1,00-10"5
3 4,0 1,000 5,35-10"5
4 3,6 0,999 2,45-10"4
5 3,2 0,999 9,55-10"4
6 2,8 0,997 3,18-10-3
7 2,4 0,992 9,03-10-3
8 2,0 0,977 2,21-10-2
9 1,6 0,945 4,70-10"2
10 1,2 0,885 8,77-10"2
11 0,8 0,788 0,147
12 0,4 0,655 0,225
13 0,0 0,500 0,319
14 -0,4 0,344 0,428
15 -0,8 0,212 0,547
16 -1,2 0,115 0,675
Далее представлены графики интенсивностей отказов низковольтного электрооборудования и кабельной линии.
Рис. 2. Интенсивность отказов магнитного контактора пускателя марки ПМЕ-211 (а = 1,7 года, Тср = 6 лет) = 6 лет)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Рис. 3. Интенсивность отказов
марки КТ (а = 1,7 года, Тср
г, год
Рис. 4. Интенсивность отказов предохранителя марки ПН2-100 (а = 2,6 года, Тср = 15 лет)
Рис. 5. Интенсивность отказов пакетного выключателя марки ПВ-3(а = 2,9 года, Тср = 20 лет)
Рис. 6. Интенсивность отказов рубильника марки Р (а = 2,9 года, Тср = 20 лет)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34
Рис. 7. Интенсивность отказов кабельной линии марки АВВГ-0,4кВ (а = 3,4 года, Тср = 30 лет)
Таким образом, в результате исследований определены законы изменения параметров потока отказов и интенсивности отказов низковольтных коммутационных аппаратов и кабельных линий 0,4 кВ, а также их доверительные интервалы на основании обработки статистической информации. Полученные данные могут быть использованы при оценке характеристик надежности оборудования цеховых низковольтных сетей, а также при составлении графиков планово-предупредительных ремонтов, осмотров и программ замены оборудования.
Summary
The main methods of research of reliability of low-voltage electric devices are presented and results of studying of some characteristics defining their working capacity are given.
Keywords: workshop electric networks of a low voltage, low-voltage electric devices, working capacity, reliability of functioning.
Литература
1. Электрические и электронные аппараты: Учеб. для вузов / Под ред. Ю.К. Розанова. М.: Энергоатомиздат, 1998.
2. Таев И.С. Электрические аппараты. Общая теория. М.: Энергия, 1977. 272 с.
3. Егоров Е.Г. Испытания и исследования низковольтных коммутационных электрических аппаратов. Чебоксары.: Чуваш. ун-т, 2000. 448 с.
4. Сотстков Б.С. Основы теории и расчета надежности элементов и устройств автоматики и вычислительной техники. М.: Высш. школа, 1970. 271 с.
5. Федотов А.И., Грачева Е.И., Наумов О.В. Влияние теплофизических процессов на нагрев контактов низковольтных коммутационных аппаратов // Промышленная энергетика. 2011. № 4. С. 2-5.
6. Федотов А.И., Грачева Е.И., Наумов О.В. Влияние технического состояния систем контактного соединения низковольтных коммутационных аппаратов на эксплуатационные характеристики цеховых сетей // Промышленная энергетика. 2006. № 7. С. 14-18.
7. Федотов А.И., Грачева Е.И., Наумов О.В. Выбор критерия оценки технического состояния низковольтных коммутационных аппаратов // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2010. № 1-2. С. 46-53.
8. Федотов А.И., Грачева Е.И., Наумов О.В. Особенности исследования надежности низковольтных аппаратов цеховых сетей // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2008. № 9-10. С. 44-51.
9. Федотов А.И., Грачева Е.И., Наумов О.В. Оценка технического состояния контактных соединений низковольтных коммутационных аппаратов по данным тепловизионного контроля // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2005. № 9-10. С. 47-55.
10. Колемаев В.А. Теория вероятностей и математическая статистика / В.А. Колемаев, В.Н. Калинина. 2 изд., перераб. и доп. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003. 352 с.
11. Р 50.1.037-2002 Прикладная статистика. Правила проверки согласия опытного распределения с теоретическим. Часть II. Непараметрические критерии. Введ. 2002-01-22. М.: Изд-во стандартов, 2002. 66 с.
Поступила в редакцию 03 сентября 2013 г.
Федотов Александр Иванович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Электроэнергетические системы и сети» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел: 8(843)2984130.
Грачева Елена Ивановна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел: 8(843)2245795.
Наумов Олег Витальевич - канд. техн. наук, старший преподаватель кафедры «Электроэнергетические системы и сети» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел: 8(843)5439760. E-mail: o_naumov@list.ru.
