Моделирование законов изменения потерь мощности в автоматических выключателях

Грачева Елена Ивановна; Ившин Игорь Владимирович; Солуянов Юрий Иванович; Шагидуллин Андрей Владиславович; Рыбакова Анастасия Владиславовна

УДК 621.316

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАКОНОВ ИЗМЕНЕНИЯ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ В АВТОМАТИЧЕСКИХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯХ

Е. И. ГРАЧЕВА, И. В. ИВШИН, Ю. И. СОЛУЯНОВ, А. В. ШАГИДУЛЛИН,

А. В. РЫБАКОВА

Казанский государственный энергетический университет

В работе представлен анализ и обработка данных по потерям мощности на полюс в автоматических выключателях и магнитных пускателях. Приведено моделирование закона изменения этих потерь.

Ключевые слова: потери мощности, среднее квадратическое отклонение, автоматические выключатели, магнитные пускатели.

Наука об электрическом контакте основывается на изучении механических, химических, тепловых и электрических процессов, протекающих на соприкасающихся поверхностях. Механические свойства контактных материалов обуславливают, в первую очередь, структуру поверхностей и ее влияние на площадь контактирования. Химические свойства выражены тем, что на поверхности контактов могут образовываться окисные, сульфидные или другие защитные пленки. Тепловые и электрофизические процессы на контактах вызваны прохождением тока от одного вида проводника к другому и могут проявляться в виде эффектов Ленца-Джоуля, Томсона, Пельтье, Колера и других [1].

Цель создания любого электрического соединения состоит в таком соприкосновении двух проводников, при котором электроны кристаллической решетки одного из них могут свободно переходить в решетку другого [1].

Некоторые виды низковольтных коммутационных аппаратов, несмотря на кажущуюся простоту, в ряде случаев представляют собой весьма сложную техническую систему, главным требованием к которой является нормальное функционирование в соответствии с конкретным назначением.

Общее положение, определяющее функциональную пригодность аппарата, предполагает удовлетворение в процессе его эксплуатации заранее установленных и совершенно определенных критериальных требований, причем по содержанию и жесткости они могут сильно различаться в зависимости от типа аппарата, режимов и условий его эксплуатации [2].

Например, характерной особенностью автоматических выключателей является возможность длительного нахождения их контактов в замкнутом состоянии, к тому же в условиях действия агрессивных сред, влаги, повышенной температуры и т.д., что обусловливает жесткие требования к стабильности и уровню переходного сопротивления контактных соединений. При этом необходимо наличие информации о значении величины потерь активной мощности в аппаратах, поскольку, из-за большой протяженности и разветвленности заводских сетей низкого напряжения с множеством последовательных узлов с контактными соединениями, доля потерь последних в общей величине потерь мощности и электроэнергии достаточно высока. Поэтому при определении потерь электроэнергии в низковольтных заводских сетях следует учитывать потери в контактных системах коммутационных аппаратов. Мощность, потребляемая собственно аппаратом при его функционировании и рассеиваемая в нем, должна быть минимальной.

Проблема замены оборудования, которое отработало свой ресурс, чрезвычайно актуальна. Все довольно банально: на протяжении длительного времени не было необходимого финансирования для комплексной модернизации сетей. Отставание от времени, когда необходимо было проводить модернизацию, достигло 12 лет. Ранее в государственных компаниях подобных ситуаций не возникало, вопрос ставился достаточно строго. Все было расписано - и по окончании срока эксплуатации оборудования шла его реконструкция, модернизация или замена.

Сейчас ситуация иная. Очень часто приходится отходить от заданных норм периодичности ремонта и замены оборудования, оценивать его реальное состояние и на основании этого принимать решение о дальнейшей эксплуатации. Это западная технология - проведение ремонта или замены не регламентированного, а в зависимости от состояния оборудования. Рынок заставляет и нас так работать, выбирая из всего, что является самым главным, и модернизировать то оборудование, состояние которого критическое.

Поэтому возникает задача в определении характера зависимости и в моделировании законов изменения потерь мощности низковольтных аппаратов от их номинальных параметров. Факторы, определяющие потери мощности и потребляемую мощность в аппаратах:

- номинальный ток низковольтной коммутационной аппаратуры, А;

- кривизна контактной поверхности (формы контактов);

- материал контактов;

- сечение токоведущих деталей;

- размеры коммутирующих контактов, которые, в свою очередь, зависят от величины номинального тока, конструкции контактной системы, гарантируемой износостойкости контактов и частоты коммутации тока.

Переходное сопротивление контактных соединений низковольтных аппаратов Як = Яс + Яцл •

Переходное сопротивление коммутирующих контактов, определяемое по теоретическим зависимостям Яс =р/2ап, где р = 0,5 • (р1 +Р2) - удельное электрическое сопротивление двух материалов, если контакты изготовлены из различных материалов, Ом-см; а - радиус круглой контактной площадки касания контактов, см; п — число площадок касания.

Переходное сопротивление для автоматических выключателей находится по

выражению Яс =-,Р =, где а, Ъ - размеры контакта; Е - сила нажатия,

2п

а

приходящаяся на одну пластинку, Н или кгс; г — радиус сферы точечного контакта, см; Е — модуль упругости материала, Н/см или кгс/см.

лч г. Рс ^с РА Н , Сопротивление пленок =-— =-, где рс - сопротивление пленки (>>

па2 Е

металла); ёс - толщина пленки; Н - твердость более мягкого материала в контакте.

о

Толстыми считаются пленки порядка 100 А, сопротивление таких пленок для аппарата на 10 А будет порядка 7,2-10-8 мОм, что составляет 1-10-4 % от общего сопротивления.

67

В табл. 1 для примера приведены сравнительные параметры автоматических выключателей российских и иностранных фирм [3].

Таблица 1

Технические характеристики автоматических выключателей

Параметр Потери мощн-ти на полюс, Вт Коммутац-ая износ-ть, циклов Механ-ая износ-ть, циклов Габариты (ШхВхГ), мм I А ^-ном? Uном, В

Российские

Автоматический выключатель ВА57 (Курский электроаппаратный завод) 7,5 2000 10000 250х523х 200 100 440, 690

Зарубежные

Автоматический выключатель NSX100 (Schneider Electric) 8,8 10000 50000 140х161х 86 100 440, 690

Автоматический выключатель DX MCBs (Legrand) 7.8 10000 20000 140х130х 68 100 440

Автоматический выключатель S 800 N (ABB) 8.3 10000 20000 70х88х69 100 440

В зависимости от номинального тока аппарата его потери мощности будут различными. По каталожным данным построим зависимости потерь мощности АР от номинального тока I (рис. 1) для автоматических выключателей (ВА-57, N8X100, БХ МСБ8, б 800 N1.

ДР, Вт 20

15

10

0

50 60

80

100

120

I, А

68

5

Рис. 1. Зависимости потерь мощности от номинального тока для автоматических выключателей различных фирм производителей

Поскольку в справочной литературе отсутствует информация о потерях мощности большинства коммутационных апапратов (а те данные, что приводятся, носят весьма приближенный характер), возникает проблема исследования законов изменения потерь мощности контактных соединений различных групп аппаратов экспериментальными и расчетными методами.

Произведем аппроксимацию построенных функций для нахождения зависимостей потерь мощности от номинального тока.

Так график функции для автоматического выключателя ВА-57 можно представить следующими функциями:

/1ВА (I) = -1,941 + 0,272 • I - 7,35110-4-12;

f2ВА(I) = -37,949 • е"0,0251 + 20,256 ;

/3ВА (I)=143,974• е-0,11 -8,322• 10-4 •12 +0,305• I-4,122 ,

где /1ВА(0, _/2вА(!), /вА(!) - функции зависимости потерь мощности в автоматическом выключателе ВА-57 от номинального тока; I - номинальный ток автоматического выключателя ВА-57.

Графики зависимости аппроксимирующих функций представлены на рис. 2.

Далее проведем аппроксимацию функций зависимости потерь напряжения от номинального тока для автоматических выключателей различных фирм.

Аппроксимирующую функцию можно представить следующими выражениями:

Для автоматического выключателя N8X100:

flNSX (I) = 0,778 + 0,103. I -1,232^ 10-4 • 12;

/2 NSX (I) = -29,179 • е"4,00110( ^ + 29,417;

/3тх (I) = -1067 • е"0Д •1 + 5,963 • 10-4 • 12 - 0,142 • I + 16,94.

Для автоматического выключателя Бх МсВ8:

/их (I) = 7,464 - 0,1311 + 0,154 • 10-4 •!2;

/2Пх(I) = -2,227Л06 •е"6,29810(^1 + 2,227 406;

/звх(I) = -516,214• е"0Д • 1 +0,281 10-4 • 12 - 0,390 • I + 20,369 .

Для автоматического выключателя 8800 N

/lS800 (I) = -0,548 + 0,116" I - 2,947 • 10-4 • 12;

/2S800(I) = -15,340 • е"9,692-10(+13,966 ;

/зS800 (I) = -241,047 • е"0Д •1 + 2,938^ 10-4 • 12 - 4,645 • 10-3 • I + 5,478, где /¡(Т), /2(Т), /3(Г) - функции зависимости потерь мощности в автоматическом выключателе (N8X100, Бх МсВ8, Б 800 N от номинального тока; I - номинальный ток автоматического выключателя (N8X100, Бх МсВ8, 8800 N).

На рис. 3 - 5 показаны графики зависимости потерь мощности от номинального тока для автоматических выключателей N8X100, Бх МсВ8, 8800 N соответственно.

Произведем расчет среднеквадратического отклонения найденных функций от каталожных значений по формуле

69

5 = (/(I)-АР)2 ,

где /(I) - значение найденной функции при определенном номинальном токе; АР -каталожное значение потерь мощности.

Рис. 2. Графики аппроксимирующих функций зависимости потерь мощности от номинального тока для автоматического выключателя ВА-57

Рис. 3. Графики зависимости потерь мощности от номинального тока для автоматического

выключателя N8X100

70

50 60 80 100 120 I, А

Рис. 5. Графики зависимости потерь мощности от номинального тока для автоматического

выключателя Б800 N

В табл. 2 представлены значения среднеквадратического отклонения аппроксимирующих функций.

71

Таблица 2

Среднеквадратическое отклонение функций для автоматического выключателя

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Аппроксимирующая функция Средне-квадратическое отклонение Б

Автоматический выключатель ВА 57

/1ВА (I )=-1,941+0,272-1-7,351 10-4-12 0,379

/2ВА (I )=-37,949-е-0,025'1 +20,256 0,143

/3ВА (I )=143,974' е-0,1' I -8,322' 10-4'12 +0,305-1-4,122 1,152

Автоматический выключатель 100

Ятх (I )=0,778+0,103' I-1,232' 10-4' 12 2,651

/2 ШХ (I )=-29,179' е-4,001' 10 ' +29,417 0,373

/3№Х (I )=-1067' е-0,1^ +5,963'10-4' 12 -0,142' I +16,94 2,633

Автоматический выключатель Бх МсВ8

/Юх (I )=7,464-0,131' I +0,154' 10-4' 12 1,459

/2Вх (I )=-2,227' 106' е-6,298'10 1 +2,227' 106 1,161

/3Вх (I )=-516,214' е-0,1^ +0,281'10-4'12 -0,390' I +20,369 7,758

Автоматический выключатель Б800 N

/15800( I )=-0,548+0,116' I-2,947' 10-4' 12 0,811

/25800 (I)=-15,340'е-9,692' 10( 3)'1 +13,966 0,693

/35 800( I )=-241,047' е-0,1^ +2,938'10-4'12 -4,645'10-3' I+5,478 0,8

72

Таким образом, определены зависимости изменения потерь мощности на полюс от номинального тока - это аппроксимирующие функции, имеющие наименьшее среднеквадратическое отклонение.

Для действующих значений тока с коэффициентом загрузки 0,5 зависимости будут иметь вид, представленный на рис. 6.

Рис. 6. Зависимости потерь мощности от действующих значении тока для автоматических выключателей различных фирм производителей

Вывод. Низковольтная коммутационная аппаратура является неотъемлемой частью цеховых сетей. Протекание тока через коммутационные аппараты вызывает потери в их активном сопротивлении. Доля этих потерь невелика по сравнению с пропускаемой мощностью: 0,12 - 0,15%. Но пока электроэнергия доходит до электроприемника, она проходит несколько узлов коммутаций и доля потерь от передаваемой мощности возрастает до 1 - 1,5% [7, 8], что является существенным при оценке потерь электроэнергии в цеховых сетях. Поэтому при оценке потерь электроэнергии в цеховых сетях следует учитывать потери в коммутационных аппаратах, используя разработанные аппроксимирующие функции (табл. 2).

Summary

In work the analysis and data processing on capacity losses on a pole in automatic switches and magnetic actuators is presented. Modelling of the law of change of these losses is resulted.

Keywords: capacity losses, an average quadratic deviation, automatic switches, magnetic actuators.

73

Литература

1.Хольм Р. Электрические контакты / Пер. с англ.: под ред. Д.Э. Брускина. М.: Энергия, 1978.

456 с.

2.Шевченко В.В., Грачева Е.И. Определение сопротивлений контактных соединений низковольтных коммутационных аппаратов // Промышленная энергетика. 2002. №1. С. 42-43.

3.Каталог продукции «Владикавказский завод Электроконтактор» (http://www.ekontaktor.ru/catalog/). Каталог продукции IEK 2010. Каталог продукции ABB (http://www.kstm.ru/catalog/166?branch_id=8417). Каталог продукции Schneider Electric.

4.Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения: Уч. пособие для вузов. М.: Высш. шк., 2000.

5.Калявин В.П., Рыбаков Л.М. Надежность и диагностика электроустановок: Учебное пособие. / Йошкар-Ола, МарГУ, 2000.

6.Проектирование электрических аппаратов / Под ред. Александрова Г.Н. Л.: Энергоатомиздат, 1985.

7.Грачева Е.И. Оценка величины потерь электроэнергии в низковольтных коммутационных аппаратах // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2009. №7-8. С. 74-81.

8.Грачева Е.И. Расчетное определение потерь электроэнергии в цеховых сетях // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2009. №11-12. С. 51-59.

Поступила в редакцию 20 февраля 2012 г.

Грачева Елена Ивановна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (917) 2688891.

Ившин Игорь Владимирович - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).

Солуянов Юрий Иванович - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Безопасность жизнедеятельности» (БЖД) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).

Шагидуллин Андрей Владиславович - магистр кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 268-11-49, 8 (904) 7622520. E-mail: shagidullinav@gmail.com.

Рыбакова Анастасия Владиславовна - аспирант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).

74

Modelling of laws of change of losses of capacity in automatic switches

Текст научной работы на тему «Моделирование законов изменения потерь мощности в автоматических выключателях»