Особенности исследования надежности низковольтных аппаратов цеховых сетей

УДК 621.311

ОСОБЕННОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ НАДЕЖНОСТИ НИЗКОВОЛЬТНЫХ АППАРАТОВ ЦЕХОВЫХ СЕТЕЙ

А.И. ФЕДОТОВ, Е.И. ГРАЧЕВА, О.В. НАУМОВ Казанский государственный энергетический университет

Представлены основные методы исследования надежности низковольтных электрических аппаратов и приведены результаты изучения некоторых характеристик, определяющих их работоспособность.

Ключевые слова: цеховые электрические сети низкого напряжения, низковольтные электрические аппараты, работоспособность, надежность функционирования

Технические системы, состоящие из конструктивно независимых узлов, обладающие способностью перестраивать свою структуру для сохранения работоспособности при отказе отдельных частей, в теории надежности, принято называть сложными техническими системами. Число работоспособных состояний таких систем - два и более. Каждое из работоспособных состояний характеризуется своей эффективностью работы, которая может измеряться производительностью, вероятностью выполнения поставленной задачи и т.д. Показателем надежности сложной системы может быть суммарная вероятность работоспособности системы -сумма вероятностей всех работоспособных состояний системы под влиянием всех воздействующих факторов. Следует указать, что электрические аппараты низкого напряжения подвергаются разнообразным воздействиям, зависящим от нагрузки, режима, условий работы. Принято к первой группе воздействующих факторов здесь относить величину тока и напряжения, род тока, характер нагрузки, частоту срабатывания, продолжительность включения и т.д. Ко второй группе воздействующих факторов обычно относят: температуру окружающей среды, влажность воздуха, давление и запыленность воздуха, агрессивные газы и пары, особенности монтажа, вибрации, ударные сотрясения, ускорения, действия обслуживающего персонала и т.д.

Как известно, к электрическим аппаратам относят устройства, предназначенные для коммутации электрических цепей, защиты электрооборудования при аварийных ситуациях, для преобразования, регулирования и распределения электроэнергии, а также для управления режимами работы потребителей электроэнергии и некоторыми технологическими процессами. Слабым элементом по надежности электроаппаратов признается контактная группа. Само понятие «электрический контакт» означает надежное соединение двух проводников, позволяющее проводить ток. Наука об электрическом контакте основывается на изучении механических, химических, тепловых и электрофизических процессов. Механические свойства контактных материалов обусловливают структуру поверхностей и ее влияние на площадь контактирования. Химические свойства выражены тем, что на поверхности этих контактов в любом случае имеются различные химические соединения. Тепловые и электрофизические процессы на контактах вызваны прохождением тока от одного проводника к другому (эффекты Ленца-Джоуля, Томпсона, Пельтье) [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. При механическом контакте в огромном большинстве металлических проводников количество электронов одного металла, проникающих в кристаллическую решетку другого за счет туннельного эффекта, составляет лишь незначительную часть проходящего полного тока. В этом случае два проводника находятся в таком положении, что их кристаллические решетки тесно соприкасаются, а изолирующий слой не мешает этому контакту.

Одной из главных характеристик металлических поверхностей является

шероховатость. Независимо от способа изготовления на поверхности металлов всегда имеются неровности. Природа контакта двух твердых тел в значительной степени зависит от шероховатости соприкасающихся поверхностей, которые, прежде всего, коснутся друг друга в тех местах, где микровыступ одной поверхности встретит соответствующий микровыступ другой. Интенсивное местное давление вызывает деформацию металла в этих микрообластях контактных точек. При дальнейшем сближении поверхностей площади контактных точек будут увеличиваться и создавать новые контактные точки по мере соприкосновения других неровностей. Весь процесс происходит до тех пор, пока силы сопротивления смятию не сравняются с внешней приложенной силой. Но даже тогда, когда процесс закончен и уже произошла значительная деформация металла, большая часть соприкасающихся поверхностей все же отделена друг от друга расстояниями, во много раз превосходящими расстояния, на которых начинают действовать межатомные силы. Лишь небольшая площадь имеет настоящий тесный металлический контакт. Контактное сопротивление состоит из двух составляющих:

Кк = К т + Кп,

К К

где т - сопротивление тела контактов; п - переходное сопротивление мест

контактирования.

К К

Сопротивление п , в отличие от т , имеет значительные вариации по абсолютной величине и способно вызвать неприятные явления, связанные с отказом контактов. Переходное сопротивление, в свою очередь, состоит из двух составляющих:

Кп = Кпл + Кст

К К

где пл - сопротивление поверхностных пленок; ст - сопротивление стягивания.

К

Первая составляющая пл вызвана поверхностными пленками, которые образуются на контактных поверхностях и препятствуют протеканию тока. Вторая

К

составляющая ст вызвана тем, что соединенные встык контакты соприкасаются не по всей кажущейся поверхности, а лишь в отдельных точках.

Действительные контактные точки в различной степени способствуют протеканию тока. По проводимости их обычно разделяют на три группы:

1 металлические соприкасающиеся поверхности;

2 квазиметаллические соприкасающиеся поверхности, покрытые абсорбированной газовой пленкой толщиной несколько молекул;

п

3 несущие поверхностные пленки с высоким сопротивлением пл. Соприкосновение металлических поверхностей приводит к тому, что линии

тока стягиваются к местам с хорошей проводимостью, при этом плотность тока

К

может доходить до 10 А/см2. Образование сопротивления ст объясняется наличием сопротивления тела микровыступов. Сама природа деформаций, происходящих на двух соприкасающихся поверхностях, оказывает огромное влияние на характеристики контакта. Обычно считается, что имеющиеся на поверхности изолирующие пленки разрушаются только в случае пластичной деформации металла при контакте, и поэтому за последние годы было проведено большое количество исследований с целью определения факторов, влияющих на механизм деформаций.

Приведем некоторые особенности зависимости надежности аппаратов низкого напряжения от условий эксплуатации, свойств материалов и конструкций. Как показывает опыт длительных практических эксплуатаций и стендовых испытаний большого числа различных низковольтных аппаратов, главными характеристиками, определяющими их работоспособность, являются:

1 износоустойчивость контактов как при включении, так и отключении

тока;

2 частота циклов (включений-отключений);

3 механическая прочность устройств;

4 род тока (постоянный или переменный);

5 стойкость контактов против сваривания;

6 конструктивные параметры аппарата;

7 коммутационная способность, в том числе термическая и динамическая устойчивость;

8 надежность контактирования (стабильность переходного контактного сопротивления);

9 стабильность характеристик срабатывания;

10 сохраняемость свойств изоляции.

Как правило, все отказы в работе контактных систем аппаратов объясняются неудовлетворительным уровнем или состоянием перечисленных выше характеристик, которые являются физическими составляющими основного свойства надежности - безотказности в работе.

Из всех элементов, составляющих низковольтные аппараты, коммутационные аппараты являются наиболее сложными, с точки зрения надежности, объектами электрической системы.

Основными причинами повреждения коммутационных аппаратов являются: несрабатывание приводов, механические повреждения, обгорание контактов, перекрытие изоляции при внешних и внутренних перенапряжениях.

Работа реального элемента электрической сети в установившемся режиме практически не зависит от вида распределений продолжительности работы и продолжительности восстановления и достаточно хорошо отражается поведением элемента с показательными распределениями этих интервалов времени.

Для неустановившихся значений вероятностей состояния (работы или отказа) виды распределений оказывают более существенное влияние, особенно на вероятность нахождения в состоянии отказа. Однако следует иметь в виду, что значительное усложнение математических моделей, по сравнению с показательными распределениями, часто не оправдывается достигаемыми значениями уточнений результатов.

Уровень обслуживания и квалификация электротехнического персонала -немаловажный фактор в деле сохранения и поддержания работоспособности низковольтных электрических аппаратов.

Неисполнение заводских инструкций по монтажу, регулировке и обслуживанию, недопустимые замены материалов изношенных деталей, в особенности контактных, нарушение правил хранения и транспортировки, неправильное использование техники в непредусмотренных режимах или условиях, небрежная или несвоевременная профилактика являются довольно часто встречающимися недостатками при эксплуатации электроаппаратуры. От качества применяемых материалов в значительной степени зависят многие характеристики работоспособности аппаратов. К ним обычно относятся: контактные материалы; изоляционные, в том числе применяющиеся для систем дугогашения; магнитные; антифрикционные для подшипниковых узлов, шарниров и направляющих (эти материалы не должны быть склонны к образованию пыли); пластические массы; обмоточные провода; керамика; пружинные материалы; материалы со специальными свойствами - биметаллы; термобиметаллы; мембранные материалы; резины; различные металлокерамические композиции и др. [2].

Магнитные материалы электромагнитов, как правило, подвергаются ударам, что приводит к рекристаллизации, расклепыванию, выкрашиванию, трещинам и к другим видам механического разрушения.

Контакты и ряд деталей дугогасительных систем подвергаются воздействию высокой температуры электрической дуги, электродинамических сил, тепловых и механических ударов.

Чувствительные элементы некоторых реле изготовляют из материалов с особыми свойствами, т.е. из термобиметаллов, эластичных или пружинных материалов. Нестабильность параметров, таких как коэффициент чувствительности, эластичность, упругость и т.п., пагубно сказывается на характеристиках

срабатывания низковольтных электроаппаратов. Можно утверждать, что надежность электрических аппаратов более чем наполовину зависит от конструкции, а контактных устройств прямо определяется совершенством конструкции. Роль конструктора в обеспечении высоких характеристик работоспособности аппарата является ведущей и определяющей. Всем известно, что одной из важнейших характеристик работоспособности электроаппарата является механическая долговечность, которая зависит от износоустойчивости элементов, подвергающихся трению, ударам; от механической-динамической и усталостной прочности деталей и узлов, от сопротивляемости внешним воздействиям и от стабильности структуры материала. Средства защиты от этих воздействий (материал деталей, антикоррозионные покрытия, оболочки, амортизаторы и т.п.) выбирает, разрабатывает или указывает конструктор.

Отмечая характеристики работоспособности низковольтных электроаппаратов, следует указать на то, что надежность их определяется не столько точностью размеров самих деталей, сколько точностью зазоров между ними. В связи с этим существует правило, согласно которому допуски на сопрягаемые размеры должны идти в тело деталей. Тогда номинальные размеры характеризуют высшую точность нового механизма, а допуски - максимально терпимое снижение этой точности в новых изделиях. В свою очередь, точность изготовления деталей определяет во многих случаях уровень таких характеристик работоспособности низковольтных электрических аппаратов, как износоустойчивость и стабильность характеристик срабатывания [2].

Можно также указать, что от степени изношенности оснастки и оборудования зависит точность изготовления деталей, и качество их поверхностей, и, наконец, сама возможность соблюдения технологических режимов.

Такое же значение имеет и качество сборки первичных деталей, которые зависят от стабильности технологических режимов при изготовлении деталей и, наконец, от состояния сборочных приспособлений и инструментов, в том числе и от тех, которые служат для контроля и регулировки отдельных параметров (размеров, зазоров, уставок и т. п.) узлов и полностью собранных аппаратов.

В настоящее время получили новое развитие методы исследования надежности электроконструкций.

Методы исследования надежности конструкций низковольтных электрических аппаратов охватывают довольно широкий круг вопросов. Объектами исследований надежности конструкции аппаратов могут быть отдельные узлы, макеты, аппараты опытного или промышленного производства. Под влиянием требований экономического характера постоянно возникает необходимость в новых разработках или усовершенствованиях серий аппаратов либо некоторых типов аппаратов из серии, либо, наконец, отдельных узлов или деталей.

Объектами исследований могут быть также характеристики работоспособности низковольтных аппаратов различных серий, изготавливаемых или выпускаемых разными предприятиями, в том числе зарубежными фирмами. Целью исследований в подобных случаях является сопоставление характеристик работоспособности, определение технического уровня конструкции или стабильности производства, а в некоторой части случаев - изучение особенностей конструкции или же свойств примененных материалов. Наиболее важными и определяющими являются исследования, проводимые с целью изыскания более рациональных и рентабельных способов разработки, производства и испытания низковольтных аппаратов.

Следует указать, что первые способы исследования надежности конструкции, устройств сводились к сопоставлению и отбору перспективных образцов техники, поэтому первые поисковые работы в этой области получили название метода сопоставлений [2].

По данным Р. Розенберга [3] в первом приближении в таблице сопоставляемых параметров могут содержаться лишь ориентировочные словесные оценки. Для примера приведена таблица сопоставляемых параметров магнитоуправляемых и электронных реле.

Таблица

Параметры магнитоуправляемых и электронных реле

№ п/п Параметры Магнитоуправляемые Электронные

реле реле

1 Срок службы зависит от нагрузки зависит от

и циклов времени

2 Время срабатывания быстрое мгновенное

3 Потребление мощности низкое ничтожное

4 Изоляция вход-выход отличная плохая

5 Температурная устойчивость хорошая плохая

6 Невосприимчивость к отличная плохая

электрическому шуму

7 Габариты и вес плохие отличные

8 Коэффициент усилия высокий низкий

9 Логические функции на выходе многократные одна

10 Устранение неисправностей легкое сложное

11 Относительная стоимость одной цепи 0,3 1,0

Очень часто в качестве сопоставляемых величин, особенно при сравнении характеристик аппаратов различной конструкции, но одного и того же назначения, берутся удельные показатели, например, кг/кВт, кВт/дм2, кВт/дм3, кг/А, иллюстрирующие использование объема, монтажной площадки, материалов, веса и т.п.

Как видим, метод сопоставлений позволяет сравнивать характеристики работоспособности аппаратов и определять соотношения между одинаковыми характеристиками разных по конструкции устройств или узлов. Этот метод позволяет выбрать более удачный вариант конструкции, если сравниваемых показателей не очень много и достаточно ясно их значение. Метод сопоставлений путем количественной оценки позволяет в принципе найти оптимальное решение при выборе конструкции, схемы, при которых при минимуме приведенных затрат обеспечивается максимальная надежность.

Следует указать, что в области низковольтных электрических аппаратов методы создания и анализа конструкции на моделях с разработкой критериев подобия постепенно нашли широкое применение. В отдельных сериях аппаратов многие узлы и детали, как правило, конструктивно подобны, а большинство определяющих размеров разных величин аппаратов в серии связаны четкой зависимостью. Для иллюстрации на рис. 1 и 2 соответственно показаны зависимость раствора между контактами Р и расстояния между полюсами М от величины номинального тока в магнитных пускателях фирмы «Сквер-Ди» (США).

Рис. 1. Зависимость раствора между контактами от величины номинального тока в магнитных

пускателях фирмы «Сквер-Ди»

Рис. 2. Зависимость расстояния между полюсами от величины номинального тока в магнитных

пускателях фирмы «Сквер-Ди»

Трудоемкость проектирования электромагнитов с применением подобия получается значительно меньшей, чем при использовании обычных методов проектирования. Кроме того, по данным Г.В.Могилевского [3] точность расчета оказывается также значительно большей.

Анализ защитных характеристик электроаппаратов, выраженных в критериальной форме, также значительно облегчается. Защитные характеристики аппаратов теплового действия, у которых ток проходит по реагирующему органу, а также характеристики допустимой перегрузки защищаемого объекта могут быть удобно выражены в форме зависимости между безразмерными величинами - в критериальной форме. Критериальные характеристики многочисленных аппаратов одного и того же типа, а иногда и разных типов и серий одинаковы [4]. Л.К. Грейнер также считает, что серийное проектирование существенно облегчается и ускоряется, если при этом можно воспользоваться, например, положением теории геометрического подобия [5].

Лабораторные методы. Являлись и остаются основными при исследовании

надежности конструкции электроаппаратов, работающих на напряжениях 0,66 кВ и ниже. С помощью этих методов определяются предельные возможности изделий по всем характеристикам работоспособности, выявляется устойчивость к различным внешним воздействиям, а также стабильность характеристик срабатывания, износоустойчивость и т.п.

При лабораторных исследованиях определяются не только предельные возможности аппаратов, но также и испытательные режимы, отличающиеся обычно от предельных на величину производственного запаса. Кроме того, лабораторные исследования дают материал для установления эксплуатационных рабочих режимов, которые, как правило, назначаются ниже испытательных с тем, чтобы обеспечить надежную работу аппарата в эксплуатации. Сами лабораторные исследования надежности конструкции электроаппаратуры требуют довольно значительных помещений по площади, дорогостоящего, а в большинстве случаев специального уникального оборудования, но они, по сути, являются единственным средством совершенствования конструкции электроаппаратов, методов их производства и контроля качества, отвечающих данному уровню развития науки и техники.

Кроме того, только стендовые испытания позволяют получать сопоставимые результаты испытания на долговечность опытных и экспериментальных образцов аппаратов, а также отдельных деталей и узлов при доработке конструкции, замене материалов, модернизации конструкции либо при изменениях или усовершенствованиях методов производства и т.п.; конструкции аппарата, т.е. аппарата, изготовленного на проверенной оснастке, по отработанной технологии и из предусмотренных материалов; промышленных образцов аппаратов текущего производства; аппаратов различных конструкций или устройств, изготовленных различными предприятиями или фирмами, и накапливать материал для установления корреляционных связей и выработки ускоренных методов испытаний.

Методы ускоренных испытаний аппаратов. Испытания электрических аппаратов на механическую и коммутационную износостойкость и определение других показателей надежности требуют длительных затрат времени, которое исчисляется месяцами, а иногда - годами. Известно, что современные аппараты управления (контакторы, пускатели и реле) нередко обладают долговечностью до 10 и более миллионов циклов.

При стендовых испытаниях таких аппаратов при круглосуточной безостановочной работе требуется, например, при частоте 3600 циклов в час - около года, а при 100 циклах в час - около 12 лет; поэтому разработка новых методов получения объективной информации за счет рационального ускорения испытаний является актуальной задачей.

Параметрами, наиболее сильно влияющими на работоспособность аппаратов, являются температура, электрическая нагрузка на контакты, напряжение на втягивающей катушке реле времени и частота включений в час. Варьируя этими параметрами, можно значительно форсировать процесс испытаний. Естественно, что достоверные методы ускоренных испытаний можно получить на основе достаточно солидного и тщательно обработанного статистического материала.

Вместе с тем, для того, чтобы сделать правильные выводы по методам форсированных испытаний, в каждом отдельном случае необходимо устанавливать непосредственные корреляционные связи между нормальным и форсированным режимом, а также учитывать возможное влияние на них общей связывающей причины.

Summary

The basic methods of research of reliability of low-voltage electric devices are submitted and results of studying of some characteristics determining their serviceability are resulted.

Key words: shop electric networks of a low-voltage, low-voltage electric devices, serviceability, reliability of functioning.

Литература

1. Грачева Е.И., Лазаревич А.С. Исследование теплофизических процессов в

замкнутых контактах низковольтных коммутационных аппаратов // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2004. №5-6. С. 102-106.

2. Дулин В.А. Методы исследования надежности низковольтных аппаратов. М.: Энергетика, 1970. 152 с.

3. Могилевский Г.В. Применение теории подобия к проектированию электромагнитов // Вестник электропромышленности. 1959. №4. С. 86-92.

4. Кузнецов Р.С. Аппараты распределительных устройств низкого напряжения. М.: Госэнергоиздат, 1962. 448 с.

5. Грейнер Л.К. Основы методологии проектирования электрических аппаратов. М.: Госэнергоиздат, 1973. 362 с.

Поступила в редакцию 16 апреля 2009 г.

Федотов Александр Иванович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8 (843) 29841-30; 8 (843) 519-42-72.

Грачева Елена Ивановна - канд. техн. наук., доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 51942-73; 8 (843) 265-92-81; 8-917-268-88-91.

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. E-mail: o_naumov@list.ru.