CC BY
40
УДК 614.841.332
УВЕЛИЧЕНИЕ РЕСУРСА НАРАБОТКИ КОНТАКТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ В МНОГОАМПЕРНОЙ МОРСКОЙ ПОРТОВОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ
Халезин А.А., аспирант, ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова», г. Новороссийск,
e-mail: Khalezin33@mail.ru
Лицкевич О.Н., аспирант, ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова», г. Новороссийск,
e-mail: olga28.a@mail.ru
В данной статье рассматриваются эксплуатационные особенности контактных соединений в многоамперной морской портовой кабельной электрической сети. В данной работе рассматривается влияние механического фактора на процессе соприкосновения двух контактирующих поверхностей, через которые протекает многоамперный ток.
Ключевые слова: контактные соединения, надежность электрических соединений, функция распределения пятен контакта.
INCREASE IN THE RESOURCE OF THE OPERATING TIME OF CONTACT CONNECTIONS IN THE MULTIAMPERE SEA PORT ELECTRIC NETWORK
Halezin A., the post-graduate student, FSEIHPE «Admiral Ushakov State Maritime University», Novorossiysk,
e-mail: Khalezin33@mail.ru
Litskevich O., the post-graduate student, FSEI HPE «Admiral Ushakov State Maritime University», Novorossiysk,
e-mail: olga28.a@mail.ru
In this article operational features of contact joints on the multiampere sea port cable electrical network are considered. In this operation influence of a mechanical factor on process of contact of two contacting surfaces through which the multiampere current proceeds is considered.
Keywords: contact joints, reliability of electrical connections, distribution function of spots of contact.
Современные морские порты оснащаются погрузочно-разгрузочными машинами и комплексами высокой грузоподъемности, которые являются потребителями значительного по величине тока (800-1200 А) электрической сети 0.4 кВ. Функционирование портового оборудования в этом случае сопровождается растущими потерями активной энергии на нагрев как в токоведущих частях электрооборудования и особенно в местах контакта (сочленения) различных аппаратов. Конструкции линий электропитания подъемно-разгрузочного оборудования содержат десятки таких соединений.
Особую роль в токопроводящих линиях играют электрические контакты, которые используются в распределении электроэнергии, подключающих и отключающих электрических устройствах [1]. Такого рода контакты носят название неподвижных контактов и являются необходимым элементом электротехнических электроэнергетических силовых сетей [2,3]. Одно из основных назначений неподвижных контактов является обеспечение (в смысле минимального рассеяния активной энергии) надежного электрического контакта в течение длительной его эксплуатации. Из физической сущности контактирования различных (разорванных) частей токоведущей линии вытекает необходимость обеспечения высокого двухстороннего механического давления соприкасающихся элементов электрической линии (рис. 1). При этом частые включения и отключения, высокое механическое давлении, а также неизбежное воздействия внешних факторов: ударный износ, появление электрической дуги, воздействие морской влаги, значительно усложняют процесс обеспечения надежности любого контактного соединения. Вследствие этого в каждом конкретном случае требуется проведения анализа влияния тех факторов, которые обеспечивают работоспособность и надежность контактных соединений.
Рис. 1. Подключение нагрузки к электропитающей колонке
164 TRANSPORT BUSINESS IN RUSSIA | №3 2015 |
В данной работе рассматривается влияние механического фактора на процессе соприкосновения двух контактирующих поверхностей электрических колонок, к которым подключаются погрузочно-разгрузочные машины (рис. 2), через которые протекает многоамперный ток (до 1200 А). Поскольку поверхности соприкасающихся поверхностей контакта не являются идеально плоскими, то реальный контакт осуществляется по случайной совокупности отдельных поверхностей (проводящих пятен), как изображено на рис. 3.
Рисунок 2. Электрическая колонка для подачи напряжения 0.4 кв. на приемники электроэнергии
Рисунок 3. Графическое изображение на контактной поверхности электрических колонок
Исследования поверхности с помощью оптической микроскопической техники позволили определить величину сопротивления для различных законов распределения пятен контакта, а также получить соотношения для зависимости сопротивления от времени [5]. В со-
ответствие с множеством распределенных по поверхности контакта пятен проводимости зависимость сопротивления
Р _ Я
я(0
имеет вид
Я (') =
2 • г (г)
1 -
<КЬ Б Л° 5
—V- г
а
1 -
—V- г
а
/
Я (г )=
П
[4]. Для пятен эта формула принимает вид: Р
2 • г (г) • п (г)
п
где
(г)
(1)
число проводящих пятен, уменьшающееся со временем, так как пятна малого размера постепенно исчезают из-за окисле-
п (г)
ния. Рассмотрим выражения , для двух функций распределения пятен контакта по размерам: равномерном распределениии и бета
распределениии. При равномерного распределения пятен контакта по размерам [4]:
ТКАШРОКТ БШШБББ Ш КШБТА | №3 2015 | 165
Я (г)_
—0
1 -
К р
2
1 +
КР
а
(2)
ат ^ К§_[1 - 4.51п (5с / 5т )]" фф 5С"
где радиус пятна контакта, коэффициент аппроксимации, толщина пленки на границе
5 р
квазиметалдического участка. т " толщина пленки на свободной поверхности пятна контакта, и - коэффициент диффузии окислителя
по поверхности контакта, г " время.
При бета распределениии пятен контакта по размерам [4]:
— (г)_
Я
1 -
кр
а
1 + 2 •
кр
а
, К5 р 1г
а...
, (3)
Следует отметить, что зависимость сопротивления от времени Я(1) не является гладкой функцией. На регулярную составляющую (тренд) накладываются случайные колебания, поэтому с точки зрения математической статистики зависимость сопротивления контакта от времени Я(1) является типичным примером нестационарного случайного процесса.
При экспериментальных исследованиях было установлено, что величина сопротивления контактов электрических колонок, определяется сдавливающей контакт силой, твердостью контактирующего материала и плотностью тока в контакте. Площадь исследуемых контактов различных аппаратов занимала оптимальную поверхность. Это обстоятельство объяснялось тем, что при длительной работе и износе контакта не происходил его перегрев и не возрастало контактного падения напряжения.
Экспериментально было установлено, что при соединении внахлест проводников прямоугольного сечения (шин) сопротивление соединения больше, чем у сплошного проводника той же длины с одинаковым сечением, даже если поверхность контакта полностью электропроводна, как в сплошном проводнике [5]. Этот эффект называется эффектом потока и он зависит от соотношения между длиной участка контакта и толщиной шин.
В эксперименте было проанализировано контактное соединение алюминиевой шины с медным выводом электротехнического устройства (рис. 4).
Рисунок 4. Конструкция контактного соединения 2-х алюминиевых шин
0л _ 20
С; коэффициент теплопроводности; алюминиевой шины
_ 230
птт
Исходные данные: температура окружающей среды Вт/(м-К), медного вывода выв Вт/(м-К); коэффициент теплоотдачи (экспериментальные данные): алюминиевой шины
к _7 7 к _20
тШ ' Вт/(м2-К), медного вывода тв ' Вт/(м2-К). Площадь поперечного сечения шины:
ч-3
_5шЫ _(6• 50)10-6 _ 0.3 10
м2.
Боковую поверхность шины длиной, равной длине контактного соединения, определим как:
_ 2Ь1 + 25шI _ (2 • 50 • 50 + 2 • 6 • 50)-10-6 _ 5.6 10-3
м .
Боковая поверхность контактного соединения:
_ 2Ы + 21 (5ш +8,ы,)+Ь(5Ш +5вьш )_ _[ 2 • 50 • 50 + 2 • 50 (6 + 5 )+ 50 (6 + 5)]10-6 = 6.7 10-3
м2.
Определим удельное электрическое сопротивление, коэффициент теплоотдачи и коэффициент теплопроводности контактирующих деталей:
Рк _ (РШ + Р,„,)/2 _ (2.92 +1.78)• 10-8 / 2 _ 2.35 • 10
Ом;
кт _(ктш + кт.,)/2 _ (7.7 + 2.0)/2 _ 4.85
Вт/(ма К);
166 ТЯАШРОЯТ БШШЕВВ Ш ЯШВТА | №3 2015 |
2хш х,ыв _ 2 • 230 • 360 _ 281 (*ш + \ьв) 230 + 360
Определим температуру шины: \2
Вт/(м-К).
10-3
е _ Iном Рш I _ 6302 • 2.92 10'8 • 50 •„ _ 433 1 ' ~ 7.7 • 5.6 10-3 • 0.3 10-3 '
Определим температуру зоны контакта: 1ном *к.с _
°С.
е =
6302 • 4.26 10-6
2^4.85 • 281 • 0.3 10-3 • 6.7 10-3/ (50 10-3)
= 3.6
°С.
Определим температуру фактической площади касания:
6302 • 4.262 10-6
I2 Я 2
е _ ном к.с _
8^рк 8 • 281 • 2.35 -10
температура контактного соединения
_ 0.1
°С;
екс _е0 +е1 +е2 +е3 _ 20+43,3+3,6+0,1 _ 67,0
°С.
В результате температура нагрева контактного соединения составила 67,0 °С, что ниже допустимой по ГОСТ 10434 - 82 температуры (95 °С). Экспериментальные приборные измерения с помощью тепловизора на эксплуатируемых электрических линиях и соединительных колонках с различными типами контактных соединений показали, что температура контактных соединений с 5% точностью подтверждается формулой (4):
е кс _е 0 +е, +е 2 +е3 «е 0 +е, + 0,1е, + 0,01е,
(4)
е3« 0,016,
В этой формуле температурой фактической площади касания 3 1 можно пренебречь. Приведенный выше анализ позволяет
сделать важный вывод - размер номинальной площади касания контактного соединения незначительно влияет на температуру контактного
е2
соединения: уменьшение ширины вывода (шины) в 2 раза вызывает увеличение 2 , и соответственно иК, всего на 4 - 5 °С. Сказанное позволяет уменьшить выводы электротехнических устройств, что дает возможность снизить габариты самих аппаратов.
Рассмотрим роль контактного давления в контактном соединении. Ранее отмечалось, что в контакте давление должно быть высоким для обеспечения необходимой площади контакта и в то же время не превышать предела упругости материала контакта, чтобы не допускать пластических деформаций, релаксации напряжений и ползучести, приводящих к отказам. Влияние контактной нагрузки на сопротивление замкнутых медных контактов было исследовано Браунович М. [5]. В данной работе исследовалась временная зависимость сопротивления сферических медных контактов измерялась под нагрузкой 52 и 107 Н для тока в 1000 А. При ускоренных испытаниях, представленных на рис. 5, видно, что увеличение нагрузки в два раза приводит к увеличению времени до отказа (резкого роста сопротивления) в 5 раз.
При исследовании зажимных контактов, используемых для соединений нескольких проводников, сила, требуемая для обеспечения контакта; обеспечивается деформацией втулки, охватывающей соединение. Степень усилия, прилагаемого для обжатия втулки, определяется, как с точки зрения обеспечения требуемого сопротивления контакта, так и с точки зрения предотвращения избыточной деформации, приводящей к релаксации напряжений и ползучести.
Рисунок 5. Изменение контактного сопротивления для медных контактов при различной нагрузке
Несмотря на трудности выполнения электрических и механических условий надежности электрических соединений, при проведении экспериментов на эксплуатируемых в порту устройствах достигнуты приемлемые показатели надежности при циклических перегревах.
Исследование роли смазки на надежность электрического контакта позволило сделать вывод, что смазка несколько улучшает характеристики электрического контакта. Это связано с тем, что при установлении контакта смазка выдавливается с его пятен и защищает его от окисления. Несмотря на большой опыт применения смазок в контактах, в эксплуатационной практике не так много сведений об её высокой эффективности. Тем не менее вывод о её полезности не вызывает сомнения.
ТЯАШРОЯТ ВиЗШЕББ Ш ЯШВТА | №3 2015 | 167
Как показали экспериментальные исследования на эксплуатируемых контактах, в случае соединений меди с медью соединения без смазок работают долгое время без заметного ухудшения характеристик.
Выводы
Приведенные в статье данные по состоянию контактов питающих электрических колонок на территории порта, а также вычисления проведенные на математических моделях переходных сопротивлений позволяют сделать следующие выводы: для того чтобы обеспечить требуемую долговременную работоспособность контактных соединений (электрических колонок) необходима периодическая механическая обработка контактной поверхности (приведена величина временного промежутка обработки контактов); обоснована температурная нагрузка на контакты с целью обеспечения длительной их работоспособности; рассмотрено воздействие морской агрессивной среды.
Применение указанных выше рекомендаций будет способствовать повышению надежности контактных соединений и увеличению их ресурса использования.
Литература:
1. Контактные соединения. ГОСТ 10434 — 82.
2. Дзекцер Н.Н., Висленев Ю.С. Многоамперные контактные соединения. — Л: Энергоатомиздат, 1987.
3. Дзекцер Н.Н., Книгелъ В.А., Саргсян Л.Г. Монтаж контактных соединений в электроустановках. Справочник. — М.: Энергоато-миздат, 1995.
4. Совершенствование диффузионно-окислительной модели износа многоамперных контактов низковольтной части портовой электросети. Лицкевич С.А., Лицкевич А.П. Материалы научно-технической конференции. Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на юге России, Новороссийск: РИО МГА им. адм. Ф.Ф.Ушакова, 2014
5. Н.К.Мышкин, В.В.Кончиц, М.Браунович. Электрические контакты: Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2008 г.
УДК 629.7.019.3:62-496.003
ИНФОРМАЦИОННАЯ ПОДДЕРЖКА ШВАРТОВКИ СУДНА К ПРИЧАЛУ С ИЗМЕРИТЕЛЕМ ПАРАМЕТРОВ СБЛИЖЕНИЯ
Росторгуева Н.Ю., к.т.н., ст. преподаватель, ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова»,
e-mail: rostorgueva.nata@mail.ru
Юсупов Л.Н., к.т.н., доцент, ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова», e-mail: leonid.
radio@mail.ru
В статье исследуются вопросы информационной поддержки судоводителя при швартовке судна к причалу с измерителем параметров сближения. Представлен анализ скоростных параметров в процессе швартовки. Особенностью исследования является предложение варианта индикатора безопасности как интеллектуальной помощи судоводителю. Дана количественная оценка эффективности использования индикатора безопасности. Сделаны выводы о том, что наличие индикатора безопасности поможет судоводителю принять своевременное решение о регулировании увеличившейся по скорости сближения, снизив тем самым вероятность завершения швартовки со скоростью, превышающей допустимую в момент касания причала.
Ключевые слова: информационная поддержка; индикатор безопасности; система поддержки решений; количественная оценка; эффективность.
INFORMATION SUPPORT OF THE MOORING BERTH WITH THE METER
SETTINGS CONVERGENCE
Rostorgueva N., Ph.D., head lecturer, FSEIHPE «Admiral Ushakov Maritime State University», e-mail: rostorgueva.nata@mail.ru, Yusupov L., Ph.D., assistant professor, FSEI HPE «Admiral Ushakov Maritime State University», e-mail: leonid.radio@mail.ru
The article examines the issues of information support of the skipper when mooring the vessel to berth with meter settings rapprochement. The analysis of the MSE-speed-data during mooring. A feature of the research is the proposal by the security options for indicators as an intellectual of the skipper. A quantitative evaluation of the effectiveness of using the security indicator. The conclusion is made that the presence of the security indicator helps the skipper to take a timely decision on the regulation of the increased speed of convergence, thereby reducing the likelihood of completion of the mooring at a speed exceeding the allowable moment of contact in the dock.
Keywords: information support; safety indicator; system of support of decisions; quantitative assessment; efficiency.
Вопросы обеспечения безопасности на морском транспорте охватывают самые широкие стороны этой сферы деятельности. Внедряются высокоточные навигационные спутниковые системы, повышается надёжность технических средств судовождения, устанавливаются дополнительные системы охраны судна и удалённого наблюдения за ним [1]. Сказанное можно отнести и к повышению безопасности швартовки судна к причалу.
Так, администрация порта Новороссийск и портовые власти постоянно уделяют внимание технологическим процессам, связанным со швартовкой крупнотоннажных судов. Исследования процесса швартовных операций в нефтерайоне порта Новороссийск показывают, что принимаемые меры хотя и снижают уровень аварийности, но вопрос безопасности остаётся актуальным [2]. Это обусловлено многими факторами, в том числе, слабой информированностью судоводителя о текущих параметрах швартовки, а так же низкой точностью визуального, на большинстве причалов, определения человеком-оператором (судоводителем) расстояний от борта судна до границы опасности [3].
Известно, что за последние двадцать пять - тридцать лет на судовом мостике появилось много новых навигационных приборов [4]. Конечно, все эти приборы позволяют вести судно с большей уверенностью и безопасностью, но и требуют больше внимания от судоводителя. Поэтому очень важно иметь такие технические средства, которые бы являлись системами интеллектуальной поддержки принятия решений, помогающие судоводителю (капитану, лоцману...) оперировать текущей информацией, и предоставлять ему результаты обработки баз данных, например, в визуализированном виде, облегчающем маневрирование. Техническим вариантом такого решения в задаче швартовки может быть динамическая система - индикатор безопасности, представляющий собой техническое средство, которое:
- оперирует данными измерений реальных параметров местоположения швартуемого судна, определяемые лазерной системой швартовки крупнотоннажных судов (ЛСШКС);
- получает и обрабатывает текущую информацию об изменении этих параметров;
168 TRANSPORT BUSINESS IN RUSSIA | №3 2015 |
