CC BY
53
УДК 621.316
СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НИЗКОВОЛЬТНЫХ АППАРАТОВ
А.В. ШАГИДУЛЛИНА, Е.И. ГРАЧЕВА Казанский государственный энергетический университет
В статье представлены результаты исследования эксплуатационных характеристик российской и зарубежной аппаратуры (низковольтных автоматических выключателей и контакторов), результаты сравнительного анализа аппаратуры различных стран-изготовителей, рассмотрены основные методы исследования надежности низковольтных электрических аппаратов и приведены результаты изучения параметров, определяющих их работоспособность.
Ключевые слова: низковольтные электрические аппараты, эксплуатационные характеристики, автоматические выключатели, контакторы, параметры надежности, вероятность безотказной работы.
Как известно, электрические аппараты низкого напряжения являются одним из основных средств электрификации и автоматизации промышленного производства и технологических процессов. Достаточно сказать, что практически вся электроэнергия (после возможных ее преобразований) распределяется и доводится непосредственно до потребителя с помощью низковольтных аппаратов. Они являются элементами электроприводов и силовых автоматизированных систем, ими защищают электрические цепи при аварийных ситуациях, т.е. низковольтные аппараты являются важнейшей частью практически всех электрифицированных объектов промышленности и быта, оказывают на их работу заметное, а иногда и определяющее влияние. Все это предопределяет высокие требования к их функциональным характеристикам и к их качеству в целом [1].
В настоящее время на российский рынок все настойчивее стали вторгаться иностранные фирмы. Активны в этом отношении французская фирма «Мерлин -Жерин» (аппараты фирмы «Telemecanie Electrice»), французская фирма «Schneider Electric», немецкая «Siemens», Шведско-швейцарская компания «АВВ», Французский концерн Legrand, польская фирма «Relpol» с аппаратами итальянской фирмы «Ловато» и австрийской фирмы «Шрак», датская фирма «Данфосс», тайванская фирма «Бонхеп» и другие.
Представлялось интересным сравнить некоторые эксплуатационные характеристики отечественных и зарубежных фирм-производителей автоматических выключателей. Проведено сравнительное исследование характеристик надежности автоматических выключателей различных фирм и заводов. В ходе исследований были рассмотрены выключатели французской фирмы "Schneider Electric" серии Compact NS, Шведско-швейцарской компании АВВ, германской фирмы Siemens AG и российские выключатели серии ВА57 производства ОАО "Дивногорский завод низковольтных автоматов" и АЕ производства завода «Электроаппарат» г.Тирасполь - ЗАО "Тираспольский электроаппаратный завод". В табл. 1 приведены технические характеристики отечественных автоматических выключателей ВА 57 и АЕ и зарубежных автоматических выключателей серии NS, S230, Tmax, 5SX2, 3VL [3, 4, 5, 6, 7].
© А. В. Шагидуллина, Е.И. Грачева Проблемы энергетики, 2011, № 1-2
Таблица 1
Технические характеристики НВА различных фирм-производителей
Параметр Серия АВ Производитель^\ Номинальный ток /п, А Количество циклов В-О (мех/эл в режиме АС-3) Частота срабатыв аний за час, раз Потери мощнос ти на полюс, Вт Стоимость, рублей
¡А ВА57-31(100) 6,10,16 25; 31,5; 63 80, 100 25000/16000 240 (/п до 32А) 240-150 150 4 6,5-7 10,12 от 845-1150
ВА57-35(250) 125, 160 200, 250 16000 /4000 120 120 25, 40 50, 60 1190-1660
ВА57-39(630) 400 630 8000 /4000 100 100 72 90 11655-16291
ТЭЗ АЕ 1031 6, 10, 16, 20, 25 19000/10000 240 3,5-5 40-82
АЕ 2044 10; 12,5; 16; 20; 25; 31,5; 40; 50; 63 16000/4500 240 4-12 117-302
и 'С и ы - о N8100 6, 10, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100 50000/30000 500 3-10 7069-14720
N8160 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160 40000/20000 500 9-25 12480-19251
13 N8250 125, 160, 200, 250 20000/10000 400 20-35 25018-27907
в .в N8400 400 15000 /6000 300 60 45735-56133
(Л N8630 630 12000 /4000 300 80 54773-63763
АВВ 8 230 6-63 20000/10000 240 3-10 315 - 1592
Ттах (Т3) 63-250 20000/8000 180 9-47 12470-22808
в о 58X2 0,3-63 15000/10000 240 1,3-10 253 - 1680
Ы о {Л 3УЬ 250 80, 100, 160, 200, 250 20000/10000 120 14-60 610 - 2450
Оценим параметры надежности автоматических выключателей различных фирм-производителей. Для этого вычислим значения основных параметров надежности выключателей для условий их работы в режиме АС-3. Расчетным методом доказано, что частота отказов, интенсивность отказов и вероятность отказов у зарубежных выключателей меньше, чем у российских; вероятность безотказной работы у зарубежных выключателей больше, и значит, срок службы у первых значительно больше (сравнение дается для автоматических выключателей серии ВА 57 и N8, Ттах, 3УЬ на номинальный ток 100А, для автоматических выключателей АЕ и 8 230, 58X2 на номинальный ток 63 А) [9, 10].
Для расчета показателей надежности учитываем, что в процессе эксплуатации 100 однотипных автоматических выключателей с 1п=100А и 1п=63А в течение 5000 ч их работы в режиме АС-3 без замены и ремонта на протяжении 5 лет фиксировалось число выходов их из строя Лп х (число отказов в /-интервале) в каждом году Л г. Общее число отказов автоматических выключателей в процессе эксплуатации приведено в табл. 2 [1, 8, 9].
Определим основные характеристики надежности автоматических выключателей ВА 57 с /п=100А (г. Дивногорск, Россия).
Общее число отказов в течение заданного срока службы определяется по выражению [1]
Л п х (г) = Л п х/ , (1)
где Лпх/ - число отказов в /-интервале времени; г - общее время эксплуатации автоматических выключателей.
Л п х (5000 ) = 2 + 3 + 2 + 2 + 3 = 12.
Таблица 2
Число отказов автоматических выключателей
ы ч о и <1 ы с я г <1 ВА 57 (ДЗНА) /п=100А АЕ (ТЭЗ) /п=63А Сошрай N8 (8сЬ.Е1.) /п=100А Тшах (АВВ) /п=100А 8 230 (АВВ) /п=63А 58X2 (81ешем) /п=100А 3УЬ (81ешем) /п=63А
0-1 0-1000 2 2 1 1 1 1 1
1-2 1000-2000 3 2 2 2 1 1 2
2-3 2000-3000 2 3 2 1 2 2 2
3-4 3000-4000 2 2 1 2 3 2 1
4-5 4000-5000 3 2 1 1 2 2 1
Частота отказов в периоды времени между серединами интервалов, принятых равными 1000 ч, определяется по выражению [1]
а (г) = Л п х /п ■ Л г , (2)
где Лп х - число отказавших автоматических выключателей в интервале времени от (г-0,5 Л г) до (г+0,5 Л г); п - первоначальное число автоматических выключателей, за которыми производится наблюдение при эксплуатации; Л г -интервал времени в часах.
Определим частоту отказов автоматических выключателей ВА 57 с /п=100А в период времени 4500 часов эксплуатации:
а (4500) = 2/100 ■ Л г = 0,02 ■ 10 - 3.
Интенсивность отказов к/ определяется по выражению [1]
к (г) = Л п х/п х • Л г , (3)
где пх = 0,5(пк_ 1 + пк); п^-1, щ - число исправно работающих автоматических выключателей в начале (щ_1) и в конце (щ) интервала времени Л г.
Определим интенсивность отказов для 4500 часов эксплуатации автоматических выключателей ВА 57 с /п=100А:
к(4500 ) = 3/(0,5(88 + 91) ■ 1000 ) = 0,034 ■ 10 _3 .
Вероятность безотказной (исправной) работы определяется по выражению [1] Р(г) = 1 _ кг = 1 _ Лпх /п , (4)
где п - первоначальное общее число автоматических выключателей, за которыми производится наблюдение при эксплуатации; Лп х - число отказов за наработку г.
Вероятность безотказной (исправной) работы автоматических выключателей ВА 57 с /п=100А после 5000 часов работы:
Р(5000 ) = 1 _ (2 + 3 + 2 + 2 + 3)/100 = 0,88 .
Вероятность отказов по выражению [1]
q ()= = Ап х /п . (5)
Вероятность отказов автоматических выключателей ВА 57 с /и=100А после 5000 часов работы:
q(5000 ) = (2 + 3)/100 = 0,12 .
Средняя наработка до отказа *ср определяется по выражению [1]:
* ср =£ А п Г * СрГ /п , (6)
где АиГ - количество вышедших из строя автоматических выключателей в
каждом интервале времени *срГ . Здесь *срГ =0,5( *г _ 1 + *г ), где *г _ 1 - время
начала г-го интервала; *г - время конца; п - число испытываемых
автоматических выключателей.
Если считать, что за каждые 1000 ч будет выходить из строя 2,5 автоматических выключателя ВА 57 с /и=100А, то все 100 аппаратов выйдут из строя за 40000 ч.
Тогда *ср = 2,5(500+1500+2500+3500+...+39500)/100=20000=20 лет.
Результаты расчетов для остальных автоматических выключателей приведены в табл. 3.
Таблица 3
Сравнительный анализ параметров надежности НВА
Производитель Серия автоматического выключателя Вероятность безотказной работы (прогноз) в течение 5000 ч при Кз=1 Интенсивность отказов Срок службы: расчетное (среднее) время, лет
ДЗНА ВА57-31(100) 0,88 0,034-10-3 20 (20-25)
ТЭЗ АЕ2044 0,89 0,027-10"3 24 (20-25)
Schneider Electric NS100 0,902 0,0152-10-3 38 (35-40)
АВВ S 230 0,89 0,0196-10"3 31 (30-35)
Tmax (Т3) 0,9 0,015-10-3 38 (35-40)
Siemens 5SX2 0,9 0,0178-10-3 35 (35-40)
3VL 250 0,87 0,015-10"3 38 (35-40)
Также в результате вычислений определена вероятность безотказной работы в период нормальной эксплуатации (при неполной загрузке К3 =0,6)
автоматических выключателей при условии, что ВА 57 с /п=100А отработал в среднем 16000 циклов, что соответствует 10 ч непрерывной его работы при испытаниях с частотой включения и отключения 27 циклов в минуту, Compact
N8 отработал в среднем 25000 циклов, что соответствует 10 ч непрерывной его работы при испытании с частотой включения и отключения 42 цикла в минуту и т.д. Принимаем, что выходят из строя контактная система с интенсивностью отказов (0,2-0,25)-10-2 и пружина с интенсивностью отказов (0,75-0,8)-10-2 [5, 8, 9].
В табл. 4 приведены данные числа отказов автоматических выключателей [2, 5, 8, 9, 10].
Таблица 4
Параметры числа отказов выключателей НВА
\ § II \ Н \ я \ ^ \ ¡2 И \ « 2 \ я 13 \ » \ о « \ я я \ н ч \ и ^ \ 2 а \ р и \ Я ^ \ ПО \ О | \ И И \ ВА 57 /и=100А (ДЗНА) АЕ 7и=63А (ТЭЗ) Compact NS /и=100А (Sch.El.) Tmax 7и=100А S 230 /и=63А 5SX2 7и=100А 3VL 7и=63А
(АВВ) (Siemens)
16000 13000 25000 14000 15000 12500 15000
Количество циклов в минуту 27 22 42 23 25 21 25
Интенсивность отказов контактной системы при К=0,6 0,25-10-2 0,4-10"2 0,28-10"2 0,26-10"2 0,27-10"2 0,27-10"2 0,3-10"2
Интенсивность отказов пружины при Кз=0,6 0,75-10-2 0,7-10-2 0,65-10-2 0,71-10-2 0,75-10-2 0,68-10-2 0,74-10-2
Определим значение вероятности безотказной работы автоматических выключателей по выражению [10]
Р ()= е - к* = ехр [ - Щ, (7)
где к - интенсивность отказов неремонтируемых автоматических выключателей серии; наработка * - продолжительность работы автоматических выключателей серии.
Определим значение вероятности безотказной работы контактной системы автоматических выключателей ВА 57 с /п=100А:
Р к = е - °,°025 10 = е - °,°25 = 0,975.
Определим значение вероятности безотказной работы пружины автоматических выключателей ВА 57 с /п=100А:
Р п = е - °,°075 10 = е - °,°75 = 0,927.
Вероятность безотказной работы автоматического выключателя ВА 57 с /п=100А [10]:
Р в = Рк • Рп ; (8)
Рв = 0,975 • 0,927 = 0,9 .
Автоматические выключатели АЕ, NS, Tmax, 5SX2, S230, 3VL рассчитаны аналогично. Результаты расчета приведены в табл. 5 и на рис.1.
Таблица 5
Сравнительный анализ вероятности безотказной работы НВА
Производитель Серия выключателя Вероятность безотказной работы (прогноз) в течение 5000 ч при Кз=1 Вероятность безотказной работы (прогноз) в течение 5000 ч при Кз=0,6
ДЗНА ВА57-31(100) 0,88 0,9
ТЭЗ АЕ2044 0,89 0,9
Schneider Electric ^100 0,902 0,911
АВВ S 230 0,89 0,903
Ттах (Т3) 0,9 0,907
Siemens 5SX2 0,9 0,909
3УЬ 250 0,88 0,901
P(t) 0,91 0,905 0,9 0,895 0,89 0,885 0,88
NS100
7тах IT3)
S 230
АЕ2Ф44
ЗУ1Л5<0 ВЛ 57
0,6
1
К,
Рис.1. График зависимости вероятности безотказной работы автоматических выключателей различных фирм от коэффициента загрузки по току Кз
Определим закон изменения вероятности безотказной работы автоматического выключателя серии ВА57 с /п=100А в зависимости от количества циклов включения-отключения. Принимаем экспоненциальный закон распределения наработки на отказ.
При испытании пяти образцов автоматических выключателей ВА 57 на номинальный ток 100А после 50-106 циклов не было обнаружено существенных следов внешнего изменения и работоспособности (испытания продолжались 1,5 года). Зарегистрировано 14 отказов, из которых два произошли в период приработки [8].
Средняя наработка на отказ автоматических выключателей ВА 57 с /п=100А определяется по выражению [8]
^ ср = 1/1 = пх А ¿/А пх , (9)
>6
6,
tср = 5 • 50 • 10" = 20,8 • 10"циклов
Средняя интенсивность отказов автоматических выключателей ВА 57 с /п=100А определяется по выражению [8]
X = 1/t
ср
(10)
где tcp - средняя наработка на отказ автоматических выключателей.
X = 1/20,8 ■ 10 6 = 0,045 ■ 10-6 циклов.
Значение вероятности безотказной работы автоматических выключателей определяется по выражению (7)
Рв = в-°,°45 5 = 0,8.
Результаты расчета приведены в табл. 6.
Вероятность безотказной работы P(t) автоматического выключателя ВА57 с /и=100А для разного количества циклов
Таблица 6
N- количество циклов, t-106 циклов 0,1 1 5 10 20
P(t) - вероятность безотказной работы 0,9955 0,955 0,8 0,64 0,41
Графически зависимость вероятности безотказной работы автоматического выключателя серии ВА57 с /п=100А от количества циклов коммутаций показана на рис. 2.
Рис. 2. График зависимости вероятности безотказной работы автоматического выключателя серии ВА57 с In=100A от количества циклов включения-отключения
Определим вероятность безотказной работы в эксплуатации с коэффициентом загрузки Кз =0,8 автоматического выключателя ВА 57 с /и=100А (установленного в цеховых сетях) в пределах его наработки 18000 циклов, что
соответствует 10 ч непрерывной его работы при испытании с частотой включения и отключения 30 циклов в минуту [8]. Принимаем, что выходят из строя контактная система с интенсивностью отказов (0,2-0,3)-10-2 и пружина с интенсивностью отказов (0,7-0,8)-10-2 [8, 10].
Значение вероятности безотказной работы автоматических выключателей определяется по выражению (7).
Минимальное и максимальное значение вероятности безотказной работы контактной системы автоматического выключателя ВА 57 с /п=100А:
Ркмин (10) = е-°'002 10 = в-°'°2 = 0,98, Ркмакс (10) = е-°'003 10 = e-0'03 = 0,97.
То же пружины автоматического выключателя ВА 57 с In=100A: Рпмин (10) = е-0'007 10 = в-°'°7 = 0,93 , Рпмакс (10) = е-0'008 10 = e-0'08 = 0,92.
Вероятность безотказной работы автоматического выключателя ВА 57 с In=100A:
Р вмин (10) = -^кмин (10) ' -^пмин (10) ,
Рвмин (10) = 0,98 ' 0,93 = 0,91 ,
Рвмакс (10) = -^кмакс (10) ' -^пмакс (10) ,
Рвмакс (10) = 0,97 ' 0,92 = 0,89 .
По экспериментальным данным известно, что автоматические выключатели серии Compact NS с /п=100А обладают следующими показателями надежности: контактная система с интенсивностью отказов (0,2-0,4)-10-2 и пружина с интенсивностью отказов (0,6-0,7)-10-2 [8, 10].
Минимальное и максимальное значение вероятности безотказной работы контактной системы автоматического выключателя серии Compact NS с /п=100А:
Ркмин (10) = е-°'002 10 = в-°'02 = 0,98, Ркмакс (10) = е"°'°°4 10 = в"°'°4 = 0,96.
То же пружины автоматического выключателя серии Compact NS с /п=100А: Рпмин (10) = в-0'006 10 = в-0'06 = 0,94 , Рпмакс (10) = в-0'007 10 = в-0'07 = 0,93.
Вероятность безотказной работы автоматического выключателя серии Compact NS с /п=100А:
Рвмин (10) = 0,98 ' 0,94 = 0,921 , Рвмакс (10) = 0,96 ' 0,93 = 0,893 .
В результате исследований эксплуатационных характеристик можно сделать вывод о том, что автоматические выключатели российских производителей марок ВА 57-31, ВА 57-35, ВА 57-39 и АЕ1031, АЕ2044 имеют аналогичные показатели надежности, как и зарубежные аппараты фирмы «Schneider Electric» серии NS, фирмы «АВВ» серии Tmax, S230 и фирмы «Siemens» серии 5SX2, 3VL.
При этом стоимость отечественных аппаратов зачастую оказывается на порядок ниже, чем у зарубежных производителей, что говорит о высокой конкурентоспособности низковольтных аппаратов российского производства.
Выводы
1. В результате исследований установлено, что интенсивности отказов контактных систем отечественных и зарубежных фирм производителей имеют меньшие значения, чем интенсивности отказов пружин НВА.
2. Показано, что с увеличением коэффициента загрузки аппаратов от 0,6 до 1,0 вероятность безотказной работы снижается незначительно.
3. Установлено, что автоматические выключатели отечественных и зарубежных фирм-производителей имеют высокие показатели надежности (табл. 7).
Таблица 7
Минимальное и максимальное значение вероятностей безотказной работы Рф автоматических выключателей
Вероятностей безотказной работы Автоматический ^^^^^^^^ выключатель Р 1 к мин Р А к макс Р 1 п мин Р А п макс Р 1 в мин Р А в макс
ВА с /и=100А 0,98 0,97 0,93 0,92 0,91 0,89
Compact NS с /и=100А 0,98 0,96 0,94 0,93 0,921 0,893
Summary
The article presents the results of a study of performance of Russian and foreign equipment (low voltage circuit breakers and contactors), а comparative analysis of instruments from different countries-manufacturers, the basic methods of investigating the reliability of low voltage electrical apparatus and the results of the study the parameters determining their performance.
Key words: low-voltage electrical apparatus, performance characteristics, circuit breakers, contactors, reliability parameters, the probability of failure-free operation.
Литература
1. Сахаров П.В. Проектирование электрических аппаратов. М.: Энергия, 1971. 560 с.
2. Сагарадзе Е.В., Мандравин В.Е. Состояние и перспективы развития низковольтной коммутационной аппаратуры // Электротехника. 2000. №7.
3. Автоматические выключатели и выключатели-разъединители. Оборудование низкого напряжения. Schneider Electric: каталог. 2008.
4. Автоматические выключатели низкого напряжения. Schneider Electric. Каталог. 2006.
5. Сайт "СнабЭлектро". - Автоматические выключатели: каталог. 20072008.
6. Автоматические выключатели ВА 57 (ВА 57-31, ВА 57-35, ВА 57ф35, ВА 57-39): каталог ДЗНВА. 2009.
7. Автоматические выключатели и выключатели-разъединители низкого напряжения Compact NS 80-1600 A: каталог продукции. С июня 2006 года каталог доступен на сайте www.schneider-electric.ru в разделе «Продукция - Низкое Напряжение - Compact NS».
8. Буткевич Г.В. Задачник по электрическим аппаратам: Учебное пособие для вузов по спец. «Электрические аппараты» - 2-ое изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк, 1987.
9. Розанов М.Н. Надежность электроэнергетических систем. М.: Энергия,
1974.
10. Егоров Е.Г. Испытание и исследование низковольтных коммутационных аппаратов. Чебоксары, 2000.
Поступила в редакцию 20 сентября 2010 г.
Грачева Елена Ивановна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-73; 8 (843) 265-92-81; 8-917-268-88-91.
Шагидуллина Анастасия Владиславовна - аспирант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета (КГэУ). Тел. 8 (843) 519-42-73; 8-904-763-94-21. E-mail: severwhite@mail.ru.
