CC BY
39
УДК 621.311
ВЫБОР КРИТЕРИЯ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ НИЗКОВОЛЬТНЫХ КОММУТАЦИОННЫХ АППАРАТОВ
А.И. ФЕДОТОВ, Е.И. ГРАЧЕВА, О.В. НАУМОВ
Казанский государственный энергетический университет
Для цеховых электрических сетей напряжением до 1000 В, по результатам экспериментальных исследований данных термографического обследования, предложен критерий оценки технического состояния низковольтных коммутационных аппаратов, в качестве которого выступает сопротивление контактного соединения. Данный критерий позволяет учесть динамику изменения величины потерь электроэнергии в цеховых сетях, определяемой величиной квадрата эффективного тока и эквивалентного сопротивления, включающего сопротивление линий и коммутационных аппаратов.
Ключевые слова: цеховые электрические сети низкого напряжения, низковольтные электрические аппараты, потери электроэнергии, работоспособность, надежность функционирования.
При испытаниях низковольтных электрических аппаратов на электрическую долговечность обычно определяется количество циклов, которое аппарат выдерживает при некотором лабораторном или нормативном режиме. Обычно необходимый уровень долговечности определяется также на основании практического опыта и отражается в нормах и стандартах на отдельные виды аппаратов.
Как правило, для наглядности уровень надежности в период испытания представляется графически, где время эксплуатации может быть оценено на основании практического опыта работы изделия (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость уровня надежности изделий от времени эксплуатации: рн - вероятность безотказной работы (надежности) нового изделия; рм - минимально допустимый уровень надежности, при котором требуется ремонт; р2, р3 и т.д. - надежность аппарата после первого, второго и т.д. ремонтов; ^ - время эксплуатации аппарата до первого ремонта; ¿2, г"3 и т.д. - времена эксплуатации аппаратов между ремонтами; ¿э - время эксплуатации, после которого ремонты
становятся экономически невыгодными [1] © А.И. Федотов, Е.И. Грачева, О.В. Наумов Проблемы энергетики, 2010, № 1-2
Обычно испытаниям подвергается новый аппарат и таким образом в какой-то степени имитируется период эксплуатации, равный ¿1. В течение этого периода у значительной части аппаратов чаще всего изнашиваются контакты, но могут оставаться в работоспособном состоянии дугогасительные устройства, камеры и т.п. Очевидно, для определения электрической долговечности таких элементов в том или ином режиме может возникнуть необходимость в продолжении испытаний после замены контактов, т.е. на участках ¿2, ¿3 и т.д.
Аппараты должны быть смонтированы на испытательном стенде нормально предусмотренным способом. Сечение, материал и способ крепления подводящих проводов должны быть такими, какое рекомендуется при эксплуатации. Аппараты, предназначенные для работы в оболочках, должны испытываться в своих индивидуальных оболочках. Испытательные режимы должны отвечать требованиям, изложенным в нормативных документах.
Внимание, как правило, обращается на проверку: начальных и конечных нажатий контактов, нажатия возвратных пружин (там, где они имеются), одновременности касания контактов, чистоту их обработки и правильности гальванического покрытия.
Поскольку износ контактов существенно зависит от их температуры и температуры непосредственно с ними соприкасающихся частей, при испытаниях измеряются и фиксируются эти температуры.
В процессе испытаний на электрическую долговечность не должно быть приваривания контактов или перекрытий между полюсами либо между полюсами и заземленными частями. В необходимых случаях производится периодическая очистка контактов и дугогасительных камер способами, указанными в инструкции по обслуживанию аппарата.
Оценка долговечности контактов производится, как правило, по провалу контактов. Аппарат считается выдержавшим испытания на электрическую долговечность контактов, если после производства предписанного количества циклов в заданном режиме остается провал контактов не менее 1/5 начального (при начальном провале 2,5мм и более) и не менее 0,5мм при начальном провале 2,5мм и менее.
По мнению В.А. Дулина [1], при исследованиях долговечности контактов следует периодически измерять провал контактов по контрольному зазору. После соответствующего перерасчета следует строить график зависимости потери провала в функции количества произведенных испытательных циклов.
В большинстве случаев (за исключением периода приработки) этот график имеет линейный характер, что позволяет пользоваться очень простым и удобным показателем износа контактов, а именно, удельным износом, выражаемым в миллиметрах на цикл.
Этот показатель рассчитывается по выражению [1]
.к = Пн-П„ , (1)
Т р
где гк - удельный износ контактов, выраженный в миллиметрах потери провала за один цикл; Пн - провал новых неизношенных контактов; Пи - провал изношенных (после некоторого количества циклов) контактов, мм; Тр -количество проработанных циклов, после которого произведен замер.
В ряде случаев для сопоставления различных конструкций этот показатель бывает необходимо выразить в процентах, то есть © Проблемы энергетики, 2010, № 1-2
П - П i
гк (%) = н и ■ 100 = ■ 100, (2)
^рП П
где П - номинальный провал контактов, мм.
При неоднократном периодическом испытании аппаратов текущего производства на электрическую долговечность контактов в случае повторяющего близкого совпадения показателей интенсивности износа (т.е. удельного износа) испытания могут проводиться до половины предписанного количества циклов, с последующей экстраполяцией до полного количества циклов.
Одна из главных задач испытаний - это необходимость обеспечить единство испытаний, последнее достигается применением аттестованного испытательного оборудования и поверенных средств измерений, применением средств аттестации и поверки, а также стандартов системы государственных испытаний продукции, стандартов государственной системы обеспечения единства измерения, других стандартов, технических условий и аттестованных методик испытаний.
При некоторых специальных исследованиях (например, при исследовании переноса контактного материала) износ контактов определяется также по потере веса контактов.
Главный фактор массопереноса - электрическая эрозия контактов - не только вызывает интенсивный износ контактов, определяющий, по существу, износостойкость аппарата, но может вызывать также крайне нежелательные последствия, связанные с напылением металла на изоляционные части, тем самым снижать их поверхностное сопротивление изоляции и вызывать опасность электрического пробоя.
Вторичные факторы переноса металлов также могут значительно ухудшить изоляционные свойства диэлектрических частей аппарата или же, если переносятся компоненты изоляционных материалов, могут ухудшить условия контактирования разъемных контактных соединений, а также коммутирующих контактов главной и вспомогательной цепей.
Массоперенос в электрических аппаратах возникает за счет следующих возможных методов [2].
Перенос за счет эрозии контактов. До сих пор нельзя считать полностью выясненным механизм этого сложного процесса, тем более если речь идет о количественных характеристиках. В аппаратах большой мощности следует различать в основном два класса эрозионных явлений: первый - явления, протекающие в результате действия электрической дуги; второй - явления, протекающие в зонах стягивания тока в контактных переходах.
Перенос вещества за счет косвенного воздействия дуги на другие части аппарата. Массоперенос на части аппаратов происходит не только за счет эрозии контактов, но и в результате косвенного воздействия на них дуги и плазменных потоков. В результате такого воздействия вещество может с поверхности одних частей аппарата удаляться (путем испарения, распыления, диссоциации), а на других - осаждаться. Этот процесс протекает относительно медленно, но при большом числе коммутационных циклов даже при номинальных токах может проявить себя заметно.
Перенос вещества при механическом разрушении частей аппаратов. При длительной работе сопряженных узлов аппарата (в которых могут сочетаться разнородные металлы и неметаллы) за счет перемещений одной части относительно другой возникает механический износ. Продукты этого износа остаются часто внутри аппарата, перераспределяясь как-то на его частях. Этому © Проблемы энергетики, 2010, № 1-2
способствуют: возможность трибоэлектризации частиц изоляционных материалов и намагничивание ферромагнитных частиц. Осаждение этих частиц на трущиеся поверхности может оказывать абразивное действие, изменять изоляционные свойства, ухудшить контактирование.
Диффузионный и механический перенос. Между плотно соприкасающимися частями аппаратов возможен диффузионный перенос одного материала на другой. Эффект диффузионного переноса зависит от коэффициента диффузии и температуры в месте сопряжения частей. К диффузионному переносу возможно добавление чисто механического переноса одного материала на другой в узлах трения, если по своим физико-механическим свойствам эти материалы сильно различаются. Оба вида массопереноса, хотя количественно выражены незначительно, но могут оказывать сильное влияние на коэффициент трения, вызывать явления схватывания трущихся пар, задиры на поверхностях.
Химический перенос вещества. Металлические части деталей, изготовленные из разнородных материалов и сплавов, могут образовывать между собой гальванические пары. В этом случае при наличии влаги, а также в условиях образования химических соединений под воздействием, например, дуги между частями аппарата могут возникать локальные участки электролитической проводимости (как правило, на поверхности изоляционных материалов, разделяющих металлические части, так как влага может конденсироваться на этих поверхностях).
Электрофоретический перенос. Внутри электрического аппарата существует электрическое поле сложной конфигурации, обусловленное разностью потенциалов между токоведущими элементами, а также возможностью электризации изоляционных материалов.
Вместе с тем, в результате эрозионных явлений механического износа, а также попадания аэрозольных частиц внутрь аппарата и между его частями всегда существуют во взвешенном состоянии электрически заряженные (или поляризованные) твердые частицы мельчайших размеров.
Под действием электрического поля такие частицы будут перемещаться и перераспределяться в объеме и осаждаться на части аппарата. Хотя эти процессы относительно слабо выражены (по сравнению с вышеописанными), но в ряде случаев и они могут быть причиной нарушения изоляции дуговых перекрытий между частями аппарата.
Как мы видим, процессы массопереноса в электрических аппаратах имеют различную природу, так как все они связаны с различными физико-химическими, механическими, теплофизическими и другими факторами.
Поэтому количественная оценка каждого из этих факторов требует различного подхода. Даже только одно из проявлений массопереноса, связанное с электроэрозионными явлениями, ввиду многообразия их форм требует при изучении большого комплекса разнообразных методик. Эти явления применительно к электрическим аппаратам можно характеризовать следующими показателями:
1) интенсивностью эрозионного разрушения контактов, обычно определяемому по изменению провала контактов;
2) переносом вещества между частями аппарата. Об интенсивности переноса судят по визуальным изменениям поверхностей, непосредственно примыкающим к центрам эмиссии. В исследованиях прибегают к расчету элементов методом радиоактивных изотопов (метод меченых атомов). Этот метод эффективен при изучении переноса между трущимися частями аппарата;
3) анализом продуктов разрушения. Если продукты переноса могут быть как-либо сняты с частей, на которых они осаждаются, то большую информацию дает анализ их структуры и состава. Зная соотношение парообразной и жидкой фаз в продуктах электрической эрозии, не трудно сделать оптимальный выбор контактных материалов исходя из режима эксплуатации [3];
4) динамикой переноса вещества. Наиболее точен прямой анализ продуктов. На практике обычно судят по скорости изменения провала контактов.
Помимо влияния известных факторов (материал, режим работы и т.п.) на надежность контактирования, описано немало случаев отрицательного влияния и некоторых специфических свойств, и условий работы. Так, например, специальные смазки, применяемые иногда для защиты контактов от окисления, задерживают пыль, что может нарушить контактирование. Некоторые масла на кремнийорганической основе имеют большую склонность к растеканию и малую испаряемость, а взаимодействие с искрами при коммутировании приводит к образованию 8Ю2, который, благодаря своей стекловидной структуре и твердости, создает на контактах трудно удаляемые изоляционные пленки. Пары органических веществ, выделяемые из изоляционных материалов, осаждаются и произвольно полимеризуются на контактных поверхностях. Резина и эбонит выделяют серу, а полихлорвинил - хлор, что также образует на поверхностях серебросодержащих контактов непроводящие оксидные пленки и т.п. [1].
В этих условиях существенное влияние на надежность контактирования при прочих равных условиях оказывает напряжение, при котором работают контакты, так как при средних напряжениях (0,3-0,66 кВ) непроводящие пленки сравнительно легко пробиваются. Н.Мейер рекомендует эмпирическую формулу для ориентировочной оценки количества нарушений контактирования в зависимости от основных влияющих факторов: с 0,8
¥ = -ПТ, (3)
V 2 Л1'5
где ¥ - количество нарушений контактирования; С - количество рабочих циклов включения - отключения; V- рабочее напряжение, В; Л - нажатие контактов.
Особенно заметно перемежающиеся отказы (сбои) проявляются при напряжениях ниже 24 В. Действенной мерой повышения надежности контактирования является, как известно, параллельное включение контактов. Количество отказов двух параллельно включенных контактов ¥Р за некоторое количество циклов п определяется как
п
¥р = ¥К, (4)
где ¥К - количество отказов одного контакта.
В принципе оценку надежности контактирования низковольтных аппаратов осуществляют путем измерения падения напряжения на испытуемом контакте при коммутации испытательной цепи и сравнения его с указанным пороговым значением для каждого срабатывания. Если падение напряжения на испытуемом контакте превышает пороговое значение, то это считается сбоем: отказ считается имеющим место после накопления допустимого количества сбоев на контакт или группу контактов.
Процессы, протекающие при функционировании контактных устройств, как указывалось, при кажущейся стабильности условий и режимов не всегда
идентичны. Например, процесс эрозии контактов в одном цикле коммутации переменного тока может сильно отличаться от другого, так как могут не совпадать по фазе в моменты размыкания и замыкания в одном и другом циклах коммутируемые токи или могут быть различными условия контактирования, условия сваривания и т.д. Поэтому исследователи, работающие в этой области, хорошо понимают, что не всегда можно судить о характере протекающих в аппаратах процессов по результатам разовых испытаний. Анализ таких процессов требует наличия достаточной информации о событиях, имеющих стохастический характер. Своевременно не устраненные неисправности могут тоже в конечном итоге привести к отказам. Например, в автоматическом выключателе при длительном прохождении тока без коммутации может иметь место повышение температуры на контактах выше нормы в результате ослабления нажатия пружины. Если это не устранить, в ближайшее время можно ожидать сваривания контактов и отказ выключателя.
Так как под отказом контакта считаем превышение сопротивлением контактного соединения некоторого критического значения, при котором имеет место аварийный дефект, требующий немедленного устранения или замены аппаратуры, возникает необходимость определения вероятности сохранения работоспособности низковольтных коммутационных аппаратов, то есть вероятности выполнения аппаратом заданных функций.
Для оценки надежной работы контактов предлагается использовать условие
Як.С < ЯКР , (5)
где ЛКР - критическое сопротивление аппарата, вычисляется по коэффициентам КП.С; ЯкС - сопротивление контактного соединения коммутационного аппарата [4].
Считая нормальным закон распределения сопротивления контакта, определим вероятность нахождения сопротивления коммутационного аппарата в заданных пределах, используя выражение [5]
о (Як - Якр)2 1 Якр 2 т 2 о
р = ~т=- I е 21 Кк ¿Як , (6)
/Якр о
где / - среднеквадратическое значение тока, отн.ед.; ЯКР - критическое сопротивление аппарата, при котором имеет место аварийный дефект, требующий немедленного устранения или замены аппаратуры; вычисляется по коэффициентам КПС, отн.ед.; ЯК - сопротивление контактного соединения коммутационного аппарата, отн.ед.; за базисные величины приняты: номинальный ток /„ом коммутационного аппарата, сопротивление контактного соединения коммутационного аппарата до наработки [6].
Вероятности сохранения сопротивлений коммутационных аппаратов в заданных пределах при изменении коэффициента загрузки приведены на рис. 2.
1,0
0,8
0,6
0,4-
1
2
3
4
5
0,2
0,1
0,3
0,5
0,7
0,9 1,0
Рис. 2. Вероятности сохранения сопротивлений коммутационных аппаратов низкого напряжения в допустимых пределах в зависимости от величины коэффициента загрузки:
1 - контактор КТ 6013 (7ном = 100А); 2 - магнитный пускатель ПМЛ 12 (7ном = 100А);
3 - автоматический выключатель АЕ 2043 (7ном = 100 А); 4 - пакетный выключатель ВП 2-40 (7„ом = 100А); 5 - рубильник ВР 32-31 (7„ом = 100А)
Таким образом, вероятности нахождения сопротивлений коммутационных аппаратов в заданных пределах определяются:
- для автоматических выключателей (7ном = 100А), при увеличении тока до номинального значения, вероятность нахождения сопротивления коммутационного аппарата в заданных пределах понижается до 0,438;
- для контакторов (7ном = 100А), при увеличении тока до номинального значения, вероятность нахождения сопротивления коммутационного аппарата в заданных пределах понижается до 0,501;
- для магнитных пускателей (7ном = 100А), при увеличении тока до номинального значения, вероятность нахождения сопротивления коммутационного аппарата в заданных пределах понижается до 0,476;
- для рубильников (7ном = 100А), при увеличении тока до номинального значения, вероятность нахождения сопротивления коммутационного аппарата в заданных пределах понижается до 0,322;
- для пакетных выключателей (7ном = 100А), при увеличении тока до номинального значения, вероятность нахождения сопротивления коммутационного аппарата в заданных пределах понижается до 0,397.
В результате экспериментальных исследований данных термографического обследования выявлен критерий оценки технического состояния низковольтных коммутационных аппаратов, в качестве которого выступает сопротивление контактного соединения. Данный критерий позволяет учесть динамику изменения величины потерь электроэнергии в цеховых сетях, определяемой величиной квадрата эффективного тока и эквивалентного сопротивления, включающего сопротивление линий и коммутационных аппаратов.
Установлены коэффициенты кратности величины сопротивления контактов по условию их допустимого перегрева относительно номинальных значений, характеризующие техническое состояние низковольтных коммутационных аппаратов.
На основании полученных кратностей определены показатели эффективности функционирования и вероятности сохранения работоспособности
низковольтных коммутационных аппаратов в зависимости от режимов эксплуатации.
Summary
For shop electric networks the voltage up to 1000В by results of experimental researches of the data teplovision inspections, offers criterion of an estimation of a technical condition of low-voltage switching devices as which resistance of contact connection acts. The given criterion allows to take into account dynamics of change of size of losses of the electric power in the shop networks, the determined size of a square of an effective current and the equivalent resistance including resistance of lines and switching devices.
Key words: shop electric networks of a low voltage, low-voltage electric devices, losses of the electric power, serviceability, reliability of functioning.
Литература
1. Дулин В.А. Методы исследования надежности низковольтных аппаратов. М.: Энергетика, 1970. 152 с.
2. Намитоков К.К. Испытания аппаратов низкого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1985. 248 с.
3. Электрическая эрозия сильноточных контактов и электродов / Г.В. Буткевич, Г.С. Белкин, Н.А. Ведешенков и др. М.: Энергия, 1978, 256 с.
4. 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.
5. Кобленц М.Г. Исследование электрической износоустойчивости силовых контактов контакторов при работе в повторно-кратковременном режиме // Сб. Электрические контакты. М.: Госэнергоиздат, 1962. С.59-71.
6. Шевченко В.В., Грачева Е.И. Определение сопротивления контактных соединений низковольтных коммутационных аппаратов // Промышленная энергетика. 2002. №1. С. 42-43.
Поступила в редакцию 25 мая 2009 г.
Федотов Александр Иванович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 298-41-30; 8 (843) 519-42-72.
Грачева Елена Ивановна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 224-57-95; 8 (843) 519-42-73.
Наумов Олег Витальевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 571-69-54; 8 (843) 519-42-72.
