Оценка технического состояния контактных соединений низковольтных коммутационных аппаратов по данным тепловизионного контроля

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОНТАКТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НИЗКОВОЛЬТНЫХ КОММУТАЦИОННЫХ АППАРАТОВ ПО ДАННЫМ ТЕПЛОВИЗИОННОГО КОНТРОЛЯ

ФЕДОТОВ А.И., ГРАЧЕВА Е.И., НАУМОВ О.В.

Казанский государственный энергетический университет

В результате экспериментальных исследований данных тепловизионного контроля выявлен критерий оценки технического состояния низковольтных коммутационных аппаратов, в качестве которого выступает сопротивление контактного соединения. Данный критерий позволяет учесть динамику изменения потерь электроэнергии в цеховых сетях, определяемых величиной квадрата эффективного тока и эквивалентного сопротивления, включающего сопротивление линий и коммутационных аппаратов.

Установлены коэффициенты кратности (превышения) величины сопротивления контактов по условию их допустимого перегрева относительно номинальных значений, характеризующие техническое состояние низковольтных коммутационных аппаратов.

В процессе эксплуатации контактные соединения подвергаются механическим и химическим воздействиям, что ведет к увеличению их переходного сопротивления и, как следствие, под действием тока нагрузки - к перегреву и впоследствии - к разрушению. Скорость развития дефектов зависит от конструкции контактного соединения, его расположения и интенсивности внешних воздействий. Промежуток времени между возникновением дефекта и аварийным выходом контактного соединения из строя составляет от нескольких месяцев до нескольких лет [1].

Основными методами контроля состояния контактного соединения до недавнего времени оставались измерение переходного сопротивления с помощью мостов и визуальное наблюдение. Появление тепловизионного оборудования позволило выявлять дефекты контактных соединений на ранней стадии развития и контролировать состояние практически всего электрооборудования, что значительно снизило аварийность.

Допустимые температуры нагрева и превышения температуры над температурой окружающей среды контактных соединений и контактов нормируются [2, 3].

Оценка состояния энергетических объектов, в частности по их ИК-излучению, носит достаточно универсальный и объективный характер в связи с термоэлектрическим подобием физических процессов и тесной взаимосвязью качества функционирования и технического состояния коммутационных аппаратов с сопутствующими тепловыделениями (потерями).

Тепловое состояние электрооборудования оценивается по нормированным температурам нагрева (превышению температуры над эффективной температурой окружающей среды), избыточной температуре, динамике изменения температуры во времени, а также путем измерения текущих значений температуры в пределах одной фазы или между фазами для сравнения с температурой на заведомо исправных участках электроустановки.

© А.И. Федотов, Е.И. Грачева, О.В. Наумов Проблемы энергетики, 2005, № 9-10

Часто при тепловизионных обследованиях приходится оценивать состояние недогруженных контактов и контактных соединений. Перерасчет превышения измеренного значения температуры относительно нормированного для токов (0,6-1) • /ном проводится согласно соотношению [4]

АТном

АТраб

/ Л /ном

V/раб У

2

где АТном и АТраб - превышения температуры при токах /ном и /раб.

Для контактов и контактных соединений, работающих при токах нагрузки (0,3 - 0,6) • /ном , соотношение для перерасчета имеет вид [4]

АТо,5

АТраб

0,5 /н

/раб

2

где АГ05 - превышение температуры при токе 0,5 /ном.

В соответствии с ГОСТ 12393-77 [3] качество контактных соединений, предназначенных для электрического соединения проводов, кабелей, ошиновки электроустановок, подвижных контактов и других токоведущих соединений (болтовых, сварных, выполненных методом обжатия и т.д.), определяется с помощью двух диагностических показателей:

- коэффициента дефектности по перегреву Ка электрического контакта или ответвления, выполненного с помощью того или иного вида соединения;

- избыточной температуры Т аналогичных контактных соединений других фаз

при 0,5 /ном .

Коэффициент дефектности Ка по своей физической сущности определяется отношением удельного теплового потока Джоуля, выделившегося в контактном соединении или ответвлении, к удельному тепловому потоку, выделяющемуся на проводе вне контактного соединения. Удельный тепловой поток с поверхности, вследствие теплоотдачи в окружающую среду и теплового излучения, определяется выражением

д = а

где а - эффективный коэффициент теплоотдачи с поверхности; Т - температура поверхности; Т0 - температура окружающего воздуха.

Тогда коэффициент дефектности АТ

Ка =-^,

АТ

пр

где АТс и АТпр - превышение температуры, соответственно, контактного

соединения коммутационного аппарата и соединяемого провода вне арматуры (на расстоянии не менее 1 м от зажима) над температурой окружающей среды при протекании по ним одного и того же тока.

С другой стороны, учитывая выражение для количества теплоты, можно коэффициент дефектности определить как

/2 К К

К, = -^,

/ Кпр Кпр

где I - сила тока; Якси Япр - электрическое сопротивление, соответственно,

контактного соединения коммутационного аппарата и провода.

В общем случае техническое состояние электрического контактного соединения является функцией тока, площади контактного соединения, момента затяжки (для болтового соединения), а также зависит от наличия коррозии, нагара и т.д. Таким образом, определяя соотношение превышений температур с помощью тепловизора и используя выражения (4) и (5), можно косвенно оценить техническое состояние контактного соединения.

В энергетике, согласно нормам испытаний [4], принято оценивать состояние контактного соединения следующим образом: при Ка < 1,2 - начальная степень неисправности, необходим постоянный контроль; 1,2< Ка <1,5 - развивающийся дефект, следует принимать меры по устранению неисправности при ближайшем выводе оборудования из работы; Кл >1,5 - аварийный дефект, требуется

немедленное устранение или замена арматуры.

Под избыточной температурой понимается превышение измеренной температуры контролируемого узла над температурой аналогичных узлов других фаз, находящихся в одинаковых условиях.

Сопротивление контактного соединения коммутационного аппарата [1]

I нк + к!2

Якс = 2л/Гн

г 2\

Траб ¥кТ + Я1

12у[кТ^

где 1 - теплопроводность материала проводника, для меди 390 Вт/(м*К); кТ -коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2*К); Б - площадь контурной (фактической) площадки касания контактных соединений (табл. 1), м2; Н - охлаждающая поверхность единицы длины, м ; Я = р0 (1 + а* Траб )/Б - сопротивление единицы

длины проводника, Ом; I - ток через контакт (табл. 2), А; Траб = ДТ + Тн - температура

контактного соединения коммутационного аппарата, К; ДТ - избыточная температура, превышение измеренной температуры контролируемого узла над температурой аналогичных узлов других фаз, находящихся в одинаковых условиях (табл.2); Тн - температура контактного соединения коммутационного аппарата на заведомо исправных участках электроустановки, К (табл.3).

Таблица 1

Значения размеров контактных площадок для силовых контактов низковольтных

№№ п/п Наименование коммутационного аппарата Номинальный ток, А Размер контактной площадки, мм2

1 Автоматический выключатель АП50Б 2М ТУ16-522.139-78 1,6 - 6, 3 линия длиной 6 мм

10 - 25 12,5

40 - 63 30,0

2 Автоматический выключатель АЕ20 ТУ16-522.064-82 10 - 16 20,0

20 - 63 30,0

80 - 125 40,0

3 Автоматический выключатель ВА21-29 ТУ16-90 ИКЖШ.641211.021ТУ 1,6 - 25 30,0

31,5 - 63 32,0

4 Автоматический выключатель ВА13-29 ТУ16-88 ИКЖШ.641152.021ТУ 1,0 - 25 30,0

31,5 - 63 32,0

5 Автоматический выключатель А63 ТУ16-91 ИКЖШ.641112.001ТУ 1,6 - 25 30,0

энергетики, 2005, Ж» 9-10

^ Таблица 2

*§ Данные тепловизионного контроля

Ноябрь 2001г. Март 2002г Март 2003г. Ток аппарата 1раб* ^ Сопротивление контакта ]?к с, мОм

№ п/п Секция панель Дефектный узел Вид дефекта и е £ а 1 £ о4 « Н щ1 3 € '3 £ в н и О г- • л г о. я ^ 2 *-в. я ь: а 1- о 3 £ Ю £ 5 Р и о н « Ш £ я £' -е- 5 ь & 2 с «о ~ В Р и а г- • сз Я- о. 2 *-о* я ь: а Н <и 2 Е ю " го 0) 5 Н и о н « Ш £ я £' & 5 ь & 2 с «о ; м ^ в н и О г- . л т а. з ? 2 *-в. я ^ а Н о - 5 ю £ М 0) X н — ю * * £ о ° = ^ -3 я 5 * м К «1 а ° — * £ о ° г ^ &8 я 5 1« «1 — о * *4

1 секция 8НАБ панель 9 рубильник нагрев БКС (фаза С) 63,9 255,6 35,5 37,8 34,1 50,3 45,0 47,5 42,0 1,57 1Д9 1,03

2 секция ЗНМ панель 3 пакетный выключатель нагрев БКС 35,5 37,8 34,1 50,3 33,3 31,0 0,57 0,61

3 хим. цех панель 15 магнитный пускатель 35,5 37,8 34,1 50,3 26,8 27,4 16,52 16,21

4 секция 18НО панель 3 автоматический выключатель нагрев БКС 68,1 106,4 35,5 37,8 34,1 50,3 40,0 38,8 39,1 6,79 6,84 6,22

5 секция ЗНО панель 4 автоматический выключатель нагрев БКС 35,5 37,8 34,1 50,3 48,6 22,5 8,34 6,58

6 секция ЗНО панель 96 контактор 35,5 37,8 34,1 50,3 52,1 48,6 7,23 5,36

Температура контактного соединения коммутационных аппаратов на заведомо исправных участках электроустановки

№ п/п Секция панель Коммутационный аппарат Ток аппарата 1раб>А Температура контактного 0/-Ї соединения, С

ноябрь 2001г. март 2002г. март 2003г. ноябрь 2001г. март 2002г. март 2003г.

1 секция 8НАБ панель 9 рубильник 45,0 47,5 42,0 33,2 34,7 31,5

2 секция 3НМ панель 3 пакетный выключатель 33,3 31,0 27,2 26,2

3 хим. цех панель 15 магнитный пускатель 26,8 27,4 24,7 24,9

4 секция 18НО панель 3 автоматический выключатель 40,0 38,8 39,1 30,4 29,8 26,0

5 секция 3НО панель 4 автоматический выключатель 22,5 22,5 23,3 23,3

6 секция 3НО панель 96 контактор 52,1 48,6 37,6 35,4

Температура контактного соединения коммутационного заведомо исправных участках электроустановки [5]

аппарата на

Т =

'н

12(Т

доп

Т )

окр/

+ То

окр

доп

где Тдоп - допустимая температура нагрева частей аппаратов при температуре

окружающего воздуха 400С (величины допустимых превышений температуры для аппаратов, работающих при температуре окружающего воздуха, отличающейся от принятой расчетной (400С), должны быть изменены так, чтобы допустимая температура частей аппаратов, определяемая как сумма превышения и расчетной температуры окружающего воздуха, сохранялась неизменной [5]); То

температура окружающей среды.

После подстановки значений температура автоматического выключателя на заведомо электроустановки (табл.3 п.4) составит

Т =

= 38,82 ( + 40) -20) + 20 = 29>780С = 302,9К.

контактного

исправных

окр

соединения

участках

1002

Тогда сопротивление контактного соединения коммутационного аппарата (табл.2, п.4) составит

й„

(302,9 + 68,5) • 52 • 10-6 • 13 + (1 + 0,0043 (302,9 + 68,5))• 38,82 /2,5

38,8^13 • 30 • 10-6

х 2л/390 • 52 • 10-6 = 0,00684 Ом.

Результаты расчета сопротивлений контактных соединений коммутационных аппаратов представлены в табл. 2.

Теоретические результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными, согласно которым сопротивление коммутационных аппаратов, измеренное микроомметром Ф 4104 - М1, не отличается от рассчитанного значения более чем на 15%.

На рис. 1-5 представлены зависимости сопротивлений контактных

соединений дефектных коммутационных аппаратов от температуры контактного соединения, определяемой в ходе тепловизионного контроля, при различных среднеквадратических коэффициентах загрузки цеховой сети.

Рис. 1 Зависимость сопротивления

контактного соединения дефектного магнитного пускателя ПМЛ 12 от температуры контактного соединения, по результатам тепловизионного контроля

Рис. 2 Зависимость сопротивления контактного соединения дефектного автоматического выключателя АЕ 2043 от температуры контактного соединения, по результатам

тепловизионного контроля

Рис. 3 Зависимость сопротивления контактного соединения дефектного контактора КТ 6013 от температуры контактного соединения, по

результатам тепловизионного контроля

Рис. 4 Зависимость сопротивления контактного соединения дефектного рубильника ВР 32-31 от температуры контактного соединения, по

результатам тепловизионного

контроля

Рис. 5 Зависимость сопротивления контактного соединения дефектного пакетного выключателя ВП 2-40 от температуры контактного соединения, по результатам тепловизионного контроля

Не трудно заметить, что избыточные фактические температуры коммутационных аппаратов при одинаковых условиях эксплуатации в момент измерения (рабочий ток и коэффициент загрузки) не равны между собой. Неравенство температур приводит к тому, что сопротивления контактных соединений коммутационных аппаратов имеют также разные значения. Причиной являются пленки, образующиеся на контактных поверхностях аппаратов.

Тепловизионный контроль сетей низкого напряжения показал, что в дефектных узлах - коммутационных аппаратах - из-за наличия поверхностных пленок и дефектов поверхности контактирования происходит недопустимое повышение температуры контактного соединения. В результате этого сопротивление аппаратов по отношению к начальному значению выросло в среднем:

- для автоматических выключателей (/ном = 100А) в 2,1 раза;

- для контакторов (/ном = 100А) в 2,3 раза;

- для магнитных пускателей (/ном = 100А) в 2,2 раза;

- для рубильников (/ном = 100А) в 1,8 раза;

- для пакетных выключателей (/ном = 100А) в 1,7 раза.

Коэффициент превышения сопротивления по условиям технической эксплуатации определяется по выражению

Кп.с = —,

Лк.о

где Лко - начальное сопротивление контактного соединения коммутационного аппарата [7]; Лкс - фактическое сопротивление контактного соединения коммутационного аппарата, определяемое по формуле (6).

ак-, мОм

Г, °С

Як, мОм

Г, °С

Зависимость сопротивления контактного соединения коммутационных аппаратов от температуры контактного соединения представлена на рис.6. Сопротивление контактного соединения коммутационных аппаратов при этом является функцией температуры контактного соединения и определяется при различных среднеквадратических коэффициентах загрузки цеховой сети.

Рис. 6 Зависимость сопротивления контактного соединения коммутационных аппаратов от температуры контактного соединения при кЗ = 0,3 (1 - магнитный пускатель ПМЛ 12, /ном = 100А;

2 - автоматический выключатель АЕ 2043, /ном = 100А; 3 - контактор КТ 6013, /ном = 100А;

4 - рубильник ВР 32-31, /ном = 100А; 5 - выключатель пакетный ВП 2-40, /ном = 100А)

Для расчета сопротивления контактного соединения с помощью номограммы, представленной на рис. 6, необходимо в первую очередь вычислить величину температуры контактного соединения, например, для магнитного пускателя:

1Н

_ 26,82 ((65 + 40-20) - 20) +

100^

20 + 67,1 _ 91,770 С _ 364,9 К.

Затем по оси абсцисс на рис.6 отложить вычисленное значение 91,8 и провести вертикальную линию до пересечения с кривой, соответствующей заданному коммутационному аппарату. На оси ординат отложится искомая величина эквивалентного сопротивления, равная 8,9 мОм. В то время как по сопротивление контактного сопротивления, измеренное микроометром,

составило 8,1 мОм, что доказывает возможность использования представленных номограмм.

На основании обработки экспериментальных данных выведены зависимости сопротивлений контактных соединений низковольтных

коммутационных аппаратов, от режимов эксплуатации цеховых сетей. Предложен критерий оценки технического состояния низковольтных

коммутационных аппаратов, позволяющее учесть динамику изменения величины потерь электроэнергии в цеховых сетях. В результате

экспериментальных исследований установлены коэффициенты кратности (превышения) величины сопротивления контактных соединений по условию их перегрева относительно номинальных значений, характеризующие техническое состояние низковольтных коммутационных аппаратов.

Summary

As a result of experimental researches given optic-electronic monitoring systems of a control, the criterion of a rating of availability index of product of low-voltage commutative devices is detected, as which the resistance of contact connection appears. The given criterion allows to take into account to the speaker of change of the value of losses of the electric power in shop networks defined value of a square of an effective current and equivalent resistance including a resistance of lines and commutative devices.

The coefficients of a multiplicity (exceeding) of the value of a resistance of contacts on a condition their admitted heating concerning face values describing availability index of product of low-voltage commutative devices are placed.

Литература

1. Егоров Е.Г. Испытания и исследования низковольтных коммутационных электрических аппаратов. - Чебоксары.: Чуваш. ун-т, 2000. -448 с.

2. ГОСТ 10434-82. Соединения контактные электрические. Классификация. Общие технические требования. - Введ. 1983-01-01. - М.: Изд. стандартов,1994. - 21 с.

3. ГОСТ 12393-77. Арматура контактной сети электрифицированных железных дорог. Общие технические условия. - Введ. 1980-01-01. - М.: Изд. стандартов, 1997. - 24 с.

4. РД 34.45-51.300-97. Объемы и нормы испытаний электрооборудования.-М.: НЦ ЭНАС, 2001. - 256 с.

5. ГОСТ 403-73. Аппараты электрические на напряжение до 1000В. Допустимые температуры нагрева частей аппаратов. - Введ. 1973-06-04. - М.: Изд. стандартов, 1973. - 6 с.

6. Справочник по электрическим установкам высокого напряжения/ Под ред. И.А. Баумштейна. - М.: Энергоатомиздат, 1981. - 256 с.

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

Поступила 11.08.2005