Влияние технических параметров электрических аппаратов систем электроснабжения на их характеристики надежности

Effect of Technical Parameters of Electric Low Voltage Devices of the Shop Power Supply Systems on their Reliability Characteristics

Gracheva E.I.1, Ivshin I.V.1, Gorlov A.N. 2, Alimova A.N.1

1Kazan State Power Engineering University Kazan, Russia 2South-Western State University Kursk, Russia

Abstract. The article deals with an integrated approach to the study of the functioning efficiency of low-voltage switching devices as elements of shop networks during their operation. Based on the results of experimental studies of the contact connections of devices using a thermal imaging equipment, a new criterion is offered for the estimation of the technical condition of devices, namely, the coefficient of actual multiplicity exceeding the contact resistance under operating conditions. Its calculated numerical values for circuit breakers, contactors, magnetic starters, knife switches and batch switches are determined that allow evaluating their technical condition and operation. They also prevent the development of defects in the switching equipment and failures and make it possible to use the developed criterium for the supplemental regulation periods of investigations of switching devices. An algorithm and a method have been elaborated for a comprehensive assessment of the functioning efficiency of the switching low-voltage devices, which allows establishing a relationship between the probability of uptime and the contact resistance of devices considering the number of switching cycles. The contact resistance is considered as a random function of the number of switching cycles. The studies carried out according to the developed algorithm with the identification of the functional relationship between the contact resistance parameters and the probability of failure-free operation of the devices installed on the lines of the networks allow us to evaluate the technical condition of the equipment. The amount of the electricity losses and characteristics reliability of the internal power supply systems can also be specified.

Keywords: electrical apparatus, failure-free operation, reliability, electricity, power circuits, resistance

of contact connections.

DOI: 10.5281/zenodo.3367062

Influenta a parametrilor tehnice de aparatele electrice pentru sistemele de aprovizionare cu energie electrica asupra caracterisiticile lor de fiabilitate Graceva E.I., 1 Ivsin I.V., 1 Gorlov A.N., 2 Alimova A.N. 1

1 Universitatea de Stat energetica din Cazani Cazani, Federatia Rusa 2Universitatea de Sud-Vest de Stat Cursc, Federatia Rusa

Rezumat. Scopul acestei lucrari este o noua abordare la studiul eficientei aparatelor de comutare in procesul de functionare a acestora. Obiectivul stabilit in lucrare a fost realizat prin urmare a studiilor experimentale si teoretice, utilizand controlul imagistic termic. Cele mai importante rezultate sunt: elaborarea unui nou criteriu pentru evaluarea starii tehnice a dispozitivelor - coeficientul de multiplicitate reala, rezistenta de contact in exces in conditii de functionare si determinarea valorilor sale numerice pentru intrerupatoare, contactoare, startere magnetice, intrerupatoare cu cutite si intrerupatoare, care ne permit sa evaluam starea tehnica si functionarea acestora, preveni dezvoltarea defectelor la echipamentele de comutare si accidentele, utilizati criteriul elaborat pentru regulamentul suplimentar de reglementari privind calendarul sondajelor echipamentelor de comutare. Semnificatia rezultatelor obtinute consta in obtinerea, conform datelor experimentelor, a dependentelor empirice ale rezistentelor initiale ale conexiunilor de contact ale dispozitivelor de valoarea curentului nominal. Conform examinarilor de imagistica termica, au fost stabilite tipuri de deteriorare a aparatului si au fost obtinute dependentele rezistentei de contact a echipamentului defect la temperatura sistemelor de contact ale aparatului la diferitele lor moduri de incarcare. A fost elaborat un algoritm si o metoda pentru o evaluare cuprinzatoare a eficientei de functionare a dispozitivelor de comutatie de joasa tensiune, care permite stabilirea unei relatii intre probabilitatea de functionare si rezistenta de contact a dispozitivelor. in acest caz, rezistenta de contact este considerata o functie aleatorie a numarului de cicluri de comutare. Conform rezultatelor studiilor experimentale, pentru a obtine o valoare critica a rezistentei dispozitivului, se obtine o crestere medie de trei ori a rezistentei initiale.

© Грачева Е.И., Ившин И.В., Горлов А.Н.,

Алимова А.Н., 2019

Cuvinte-cheie: dispozitive, fiabilitate, fiabilitate, electricitate, circuite de alimentare, rezistenta la contact.

Влияние технических параметров электрических аппаратов систем электроснабжения на их

характеристики надежности Грачева Е.И. 1, Ившин И.В. 1, Горлов А.Н. 2, Алимова А.Н. 1

1 Казанский государственный энергетический университет Казань, Россия 2Юго-Западный Государственный Университет Курск, Россия

Аннотация. Целью данной работы предлагается новый подход к исследованию эффективности функционирования коммутационных аппаратов в процессе их эксплуатации. Поставленная в работе цель достигнута в результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований с помощью тепловизи-онного контроля. Наиболее важными результатами являются: разработка нового критерия оценки технического состояния аппаратов - коэффициента фактической кратности превышение сопротивления контактов по условиям эксплуатационных режимов и определение его численных для автоматических выключателей, контакторов, магнитных пускателей, рубильников и пакетных выключателей, которые позволяют оценивать их техническое состояние и эксплуатацию, не допускать развитие дефектов коммутационной аппаратуры и аварии, использовать разработанный критерий для вспомогательного регламента сроков проводимых обследований коммутационной аппаратуры. Значимость полученных результатов состоит в получении по данным проведенных экспериментов значений эмпирических зависимостей начальных сопротивлений контактных соединений аппаратов от величины номинального тока. По данным тепловизионных обследований установлены виды повреждений аппаратов и получены зависимости сопротивлений контактных соединений дефектного оборудования от температуры контактных систем аппаратов при их различных режимах загрузки. Разработаны алгоритм и метод комплексной оценки эффективности функционирования коммутационных низковольтных аппаратов позволяющие установить зависимость между вероятностью времени безотказной работы и сопротивления контактов аппаратов с учетом количества циклов коммутаций. При этом сопротивления контактов рассматривается как случайная функция количества коммутационных циклов. По результатам проведенных экспериментальных исследований для достижения критического значения сопротивления аппарата принимается в среднем трехкратное увеличение начального сопротивления. Проведенные согласно разработанному алгоритму исследования с выявлением функциональной зависимости между параметрами сопротивлений контактов и вероятности времени безотказной работы аппаратов позволяют оценивать техническое состояние оборудования уточнять величину потерь электроэнергии и характеристик надежности систем электроснабжения. Ключевые слова: аппараты, безотказность, надежность, электроэнергия, силовые цепи, сопротивления контактных соединений.

ВВЕДЕНИЕ

Достаточно долгое время развитие электроэнергетики в России проходило по экстенсивному пути, в связи с тем, что по большей части оно имело направленность на обеспечение потребности в электрической энергии промышленного, сельского и коммунально-бытового секторов, которое постоянно растет. Распределение и качество электроэнергии остаются ключевыми проблемами, стоящими перед электроэнергетической отраслью. Выбор подходящего оборудования и архитектуры для конкретного приложения означает разницу между успехом и провалом [1; 2]. В статье продолжается развитие данной темы на конкретных примерах. Благодаря высокому влиянию на стоимость электроэнергии и его прямой зависимости от удовлетворенности потребителей, надежность распределения остается одной из наиболее важных тем в электроэнергетике. Авторы рассматривают как избежать распространенных ошибок при проведении тестирования

электрооборудования, как применять эффективное управление рисками [3; 4; 5]. Условия множества потребителей электрической энергии к поставщикам, связанные с обеспечением надежности в России были монотипными и в свою очередь сводились к регламентации допустимой длительности отключения и последствий нарушения электроснабжения.

Грилл П. и другие зарубежные авторы охватывают все аспекты тестирования и обслуживания оборудования энергосистем, обслуживающих различные подстанции и установки, рассматриваются практические аспекты тестирования и обслуживания, а также представлены методологии и основы разработки, необходимые для выполнения этих задач [6; 7; 8]. На данной стадии формирования энергетики устойчивость и качество поставляемой электроэнергии не рассматривались

энергоснабжающими организациями, в силу их монопольного положения, как главные условия

во взаимоотношениях с потребителями электрической энергии и все обусловливалось категориями электроприемников.

В статьях Элайна А.Л. и Алзенира Р. построены два вспомогательных индекса: базовое состояние и рабочее состояние, представляющие физические и функциональные характеристики оборудования, которые могут поставить под угрозу его производительность и способствовать возникновению сбоев. Их оценке помогает индекс технической мощности, который оценивает, насколько сильно на оборудование повлияли условия эксплуатации. В этой работе представлены общие положения, но опускается рассмотрение сопротивления контактов [9; 10; 11].

Шаоди Х. и Ли К. в целях эффективного повышения стабильности работы оборудования и продления его срока службы, на основе анализа причин неисправностей электрооборудования с токо-проводящей нагрузкой предлагают подход раннего предупреждения о неисправности, основанный на эквивалентных сопротивлениях. Во-первых, модель зависимости между сопротивлением, нагрузкой и температурой устанавливается на основе теории теплопередачи. Затем модель используется для расчета эквивалентного сопротивления контактора. После этого предлагается метод извлечения признаков неисправности по отношению нагрузки между различными контакторами на основе анализа эквивалентного сопротивления [12; 13; 14].

Георгита С.М. и др. утверждают, что контактные соединения являются важными элементами электрических установок. Наличие электрического контакта на пути движения тока всегда вносит дополнительное электрическое сопротивление, называемое контактным сопротивлением.

После обзора роли контактов в электрической цепи представлено изменение сопротивления контактов с изменением температуры и времени [15;16; 17]. Соуза Р.Т. и др. считают, поскольку электрические контакты являются токоведущими частями, необходимо, чтобы они характеризовались высокой безопасностью, соответствующей устойчивостью к различным напряжениям различной природы (механические, электрические, факторы окружающей среды) и достаточной термической и

электродинамической устойчивостью [18; 19; 20].

На современном этапе развития, в связи с тем, что происходит существенное возрастание тарифов на электрическую энергию и происходит перестройка структуры состава потребителей электроэнергии, так как начинают использовать современные высокопроизводительные устройства

и технологии, которые в свою очередь более восприимчивы к снижению устойчивости и к нарушению характеристик качества электроэнергии, к данной проблеме меняется отношение заказчиков

Встает вопрос о необходимости исследования технического состояния эффективности функционирования контактных соединений низковольтных коммутационных аппаратов на основании экспериментальных и расчетных данных, так как он не освещается в научной и справочной литературе и проведенное исследование не имеет аналогов.

Можно предположить, что температуры нагрева коммутационных аппаратов при равных условиях эксплуатации в момент измерения (рабочий ток и коэффициент загрузки) не равны между собой. Следствием неравенства температур является неравенство сопротивлений контактных соединений. Причина этого - в имеющихся пленках на контактах аппаратов.

НАДЕЖНОСТЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КОНТАКТНЫХ СИСТЕМ

Тепловизионное обследование низковольтного оборудования выявило, что в дефектных электрических аппаратах из-за образования контактных пленок и неровностей площади контактирования наблюдается недопустимое увеличение температуры контактных соединений.

При тепловизионном контроле анализируется состояние недогруженных контактных групп. Вычисление превышения замеров фактической температуры по отношению к нормированному для величины токов (0,6 - 1) • !пот осуществляется в соответствии

Д пот _( 1 пот

дс

где Д(пот и Д1» - превышения температуры при

токах 1пот , I» .

Для контактов и контактных соединений, работающих при токах нагрузки (0.3 - 0.6) • 1пот, соотношение имеет вид

Д,

0.5

Д,

0.51

где Д0 5 - превышение температуры при токе 0.5-1 пот .

Согласно ГОСТ 12393-2013 техническое состояние контактных соединений аппаратов, а

2

2

также систем служащих для соединения проводов, кабелей, шин электрооборудования вычисляется при помощи двух параметров

- характеристики оценки дефекта по перегреву К, контактного соединения,

- избыточной температуры t аналогичных контактных соединений других фаз при 0.51 пот [21].

Коэффициент дефектности К, соответствует отношению удельного теплового потока Джоуля, выделившегося в контактном соединении к удельному тепловому потоку, вне контактных соединений. Удельный тепловой поток с поверхности в соответствии с теплоотдачей в воздух и теплового излучения, вычисляется по выражению

витие дефектности, требуется постоянный контроль; 1.2 < К, < 1.5 - развивающийся дефект, необходимо устранять неисправность при ближайшем выводе электрооборудования из эксплуатации; К, > 1.5 - аварийный дефект, необходимо срочное устранение.

Избыточная температура - это превышение измеренной температуры исследуемого соединения по отношению к температуре замеров фактических соединений других фаз.

Сопротивление контактных соединений электрических аппаратов вычисляется по выражению [21; 22]

с =Р-( ),

_2УХ-/• кт • 5

е„-

12-р

кт • / • 5

где Р - показатель теплоотдачи с поверхности; t - температура площади поверхности; 1ет - температура окружающей среды.

Тогда коэффициент дефектности

К =-

М,

А/„

где Аtcc и А^ превышение температуры контактного соединения коммутационного аппарата и соединяемого провода вне арматуры (на расстоянии не менее 1 м от зажима) над температурой окружающего воздуха при протекании по ним одного и того же тока.

При учете соотношения для количества теплоты коэффициент дефектности определяется

К =

12г 12г

где I - сила тока; г и гС№ - сопротивление контактного соединения коммутационного аппарата и провода.

Известно, что эксплуатационное состояние электрического контакта зависит от тока, площади контактной системы, силы затяжки (для болтовых соединений) а также определяется коррозией, нагаром и т.д. При определении соотношения повышений температур тепловизором и пользуясь выражениями (4) и (5), косвенно оценивается техническое состояние контактной системы.

В электроэнергетике по нормам испытаний оборудования [22] анализируется состояние контактных соединений: при К, < 1.2 - слабое раз-

где Х - теплопроводность материала проводника, для меди Х = 390 Вт/(м-К); f - поверхность

охлаждения, м2 (/ = 2 • (с + ,) -1 • 10-3 при прямоугольной поверхности; / = 2%г -1-10 3 при круглой поверхности); кт - коэффициент теплоотдачи, для меди кт = 16 Вт/(м2-К); 5 - контурная площадка касания контактных соединений, м2 (5 = с •,) для прямоугольной поверхности;

5 = %г2 для круглой поверхности); I - ток через контакты, А (I = К1 • 1п, где К1 - коэффициент загрузки); - температура контактных площадок (Sc = Аt + tn; Аt - избыточная температура, превышение измеренной температуры исследуемого соединения над температурой ts (таблица 1), tn -температура контактного соединения аппарата на заведомо исправных участках электрооборудования (таблица 2)); ек - допустимый перепад температуры контакта над температурой окружающей среды, ек = 45°С ; р - удельное электрическое сопротивление, для меди р = 1.62^ 10-8 Ом/м2; а - температурный коэффициент сопротивления, для меди а = 0.0043.

Температура контактной системы коммутационного аппарата на заведомо исправных участках электрооборудования [21,22]

С =

Т 2 11 -t \

у регт 1впу )

+с

где tp

допустимая температура нагревания

частей аппаратов при температуре окружающей среды 40°С (величины допустимых превышений температуры для аппаратов, работающих при

г

сл>

I

температуре окружающей среды, не равной принятой расчетной (40°С), изменяются так, чтобы допустимая температура элементов аппаратов, вычисляемая суммированием превышения и рас-

четной температуры окружающей среды, оставалась постоянной [22]); ^ - температура окружающей среды.

Таблица 11

Значение температуры контактных соединений аппаратов на заведомо исправных участках2

№ п/п Секция, панель Section, panel Тип низковольтного электрического аппарата Type of low voltage electrical apparatus Рабочий ток Iw, А The operating current, Iw, А Температура контактной системы, °С Contact system temperature, °С

11.16. 03.17. 03.18. 11.16. 03.17. 03.18.

1 Цех №1 Shop N1 Рубильник Knife switch 46 48 41 34 35 32

2 Цех №2 Shop N2 Предохранитель Fuse 34 30 28 27

3 Цех №3 Shop N3 Магнитный пускатель Magnetic switch 27 28 25 25

4 Цех №4 Shop N4 Автоматический выключатель Circuit breaker 41 39 39,5 32 30 27

5 Цех №5 Shop N5 Автоматический выключатель Circuit breaker 23 23 24 24

6 Цех №6 Shop N6 Контактор Contactor 53 49 38 36

Таблица 23.

Данные тепловизионного обследования4

№ п/п Секция, панель Section, panel Дефектное соединение Defective compound Вид дефекта Type of defect 11.16. 03.17. 03.18. Ток аппарата IP, А Apparatus current IP , А Сопротивление контакта rcc, мОм Resistance contact rcc, mOhm

Избыточная температура, Excessive actual temperature, °С 11.16. 03.17. 03.18. 11.16. 03.17. 03.18.

1 Цех №1 Shop N1 Рубильник Knife switch нагревание БКС (фаза А) Heating of PCU (phase A) 64 98 36 38 35 51 46 48 41 1.6 1.2 1.1

2 Цех №2 Shop N2 Предохранитель Fuse 36 38 35 51 34 30 0.6 0.71

3 Цех №3 Shop N3 Магнитный пускатель Magnetic switch 36 38 35 51 27 28 17.3 17.1

4 Цех №4 Shop N4 Автоматический выключатель Circuit breaker 69 99 36 38 35 51 41 39 39 6.9 7.0 6.3

5 Цех №5 Shop N5 Автоматический выключатель Circuit breaker Нагревание БКС Heating of PCU 36 38 35 51 23 23 8.6 6.8

6 Цех №6 Shop N6 Контактор Contactor 36 38 35 51 53 49 8.1 6.2

После подстановки значений в (7) температура контактной системы автоматического выключателя на заведомо исправных участках электрооборудования в марте 2018 г. (таблица 1, п. 4) будет равна tcc = 30°С = 303 К . Тогда сопротивление контактной системы автоматического выключателя по (6) составит гсс = 0,007 Ом.

Результаты вычислений сопротивлений контактных соединений аппаратов приведены в таблице 2.

Теоретические данные соответствуют результатам экспериментальных исследований, показавшим, что сопротивление контактных соединений коммутационных аппаратов, измеренное микроомметром Ф 4104-М1, не отличается от вычисленного более чем на 14 % [23; 24]

В результате экспериментов установлено, что температуры нагрева контактов коммутационных аппаратов при равных условиях эксплуатации в момент измерения не равны между собой. Следствием неравенства температур является неравенство сопротивлений контактных соединений. Причина этого - в имеющихся пленках на контактах аппаратов [12; 18].

Тепловизионное обследование низковольтного оборудования выявило, что в аппаратах из-за образования контактных пленок и неровностей площади контактирования наблюдается недопустимое увеличение температуры контактных соединений. В результате чего сопротивление контактов относительно начального увеличилось в среднем в 1,9-3 раза.

Значение коэффициента фактической кратности превышения сопротивления контактов электрических аппаратов по условиям эксплуатационных режимов определяется:

и

ту- _ Кех.г. = ^

где Япп - начальное сопротивление контактов аппарата до эксплуатации (таблица 4); Кас( - фактическое сопротивление контактов аппарата в эксплуатационных режимах.

Графики зависимости сопротивлений контактов аппаратов от температуры контактной системы приведены на рисунке 1

тОЬт

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 ^ °С

Рис. 1. Графики зависимости сопротивлений контактных соединений аппаратов от температуры

контактных площадок при Кг = 0,5 (1 - магнитный пускатель, 1пот — 63 А; 2 - автоматический выключатель, 1пот — 63 А; 3 — контактор, 1пот — 63 А; 4 — рубильник, 1пот — 63 А; 5 — выключатель

пакетный, 1пот — 63 А).5

Полученные статистические данные ежегодного тепловизионного обследования контактных соединений низковольтных коммутационных аппаратов позволили обосновать допустимые кратности превышения сопротивления контактов аппаратов по условию достижения предельно допустимой температуры нагрева контактов:

— для автоматических выключателей в 2.9 раза;

— для контакторов в 3.0 раза;

— для магнитных пускателей в 3.1 раза;

— для рубильников в 2.3 раза;

— для пакетных выключателей в 2.1 раза. Для определения сопротивления контактных

соединений с помощью номограмм, представленных на рисунке 1 , необходимо рассчитать значение температуры контактной системы, например для магнитного пускателя

PROBLEMELE ENERGETICIIREGIONALE 2 (43) 2019

272

632

+ 20 + 68 = 107

Затем по оси абсцисс на рисунке 6 отложить полученное значение 107 и провести вертикально линию до пересечения с графиком, соответствующим исследуемому аппарату. На оси ординат отложится искомое значение контактного сопротивления, равное 14 мОм. При этом сопротивление контактов аппарата при измерении микроомметром, равно 14,1 мОм, что позволяет применять показанные номограммы для практического использования.

Таким образом, представленные результаты проведенных тепловизионных обследований позволяют оценивать эксплуатационное состояние низковольтных коммутационных аппаратов по критерию допустимой кратности превышения сопротивления контактных соединений и предотвращать развитие дефектов коммутационной ап-

паратуры и аварийные ситуации, а также использовать предлагаемый критерий в качестве дополнительного регламента сроков проводимых обследований коммутационной аппаратуры.

Комплексное исследование эффективности функционирования электрических аппаратов низкого напряжения. По результатам проведенных экспериментальных исследований для достижения критического значения сопротивления аппарата принимается в среднем трехкратное увеличение начального сопротивления

R

= k • R

kex.r. ' Rir

где кех г - коэффициент, допустимой кратности превышения сопротивления контактов.

Начальное значение сопротивления контактов коммутационного аппарата Лги вычисляется на основании выражений, представленных в таблице 3.

Таблица 36.

Значение эмпирических зависимостей начальных сопротивлений контактных соединений

7

аппаратов от величины номинального тока7

Тип аппарата Type of apparatus Величина номинального TO^ lnom , А Rated current lno)m, А Эмпирическая зависимость сопротивления от номинального тока Empirical dependence of resistance on the value of the rated current

Магнитный пускатель Magnetic switch < 75 Rn = 820/ lnom

> 75 Rn = 770/ lnom

Автоматический выключатель и контактор Circuit breaker and contactor < 65 Rn = 350/ lnom

> 65 Rn = 310/ lnom

Предохранитель Fuse < 100 Rm = 200/ lnom

> 100 Rn = 120/ lnom

Рубильник и пакетный выключатель Knife switch and switch packet Любое значение Every value Rn = 70 / lnom

Сопротивление контактов можно рассматривать как случайную функцию количества коммутационных циклов Л

R (г )= R„ +J vdz,

0

где Лпп - начальное значение сопротивления контактов коммутационного аппарата; V - скорость изменения сопротивления контактов.

Вероятность исправной работы контактов аппарата определяется выражением

P (r )= J f (r )dr .

Rln

Нижний предел интегрирования Япп определяет среднее значение начального сопротивления контактов всей выборки значений, а верхний -среднее значение критического сопротивления Лсг выборки значений сопротивлений аппаратов.

Так как текущие значения Л(z) распределяются по нормальному закону, то

Р

Л1п

где КтМ - среднее значение сопротивления контактов генеральной совокупности аппаратов;

R

стЯ - среднеквадратическое отклонение сопротивления.

У некоррелированных веерных случайных функций среднеквадратические отклонения:

,( z ) = <

где ст у - среднеквадратическое отклонение углового коэффициента у .

Вычисление плотности вероятности безотказно выполненных циклов «включения-отключения» /

,Я = или = [

Таким образом, после дифференцирования и преобразований получим

f (z) = l/yllnovz2 ^ •

-05 '(CTRn/CTvZ + Vmid/CTv )2 +(Rcr - Rn.mid )'

-0.5 '

'exp ' exp

В таблице 4 указаны начальные значения сопротивления контактов пускателей и критические значения контактного сопротивления.

Таблица 48.

Данные для расчета надежности магнитных пускателей9

ст

№ Номинальный ток In, А Rated current In, А Начальное сопротивление r0, мОм Критическое значение сопротивления rcr, мОм Скорость изменения сопротивления v, мОм/цикл

Initial resistance Critical resistance Resistance rate v

r0, mOhm rcr ,mOhm mOhm / cycle

1 13.1 39.3 1.14 • 10-5

2 13.2 39.6 2.14 • 105

3 13.1 39.3 1.14 • 105

4 13.1 39.3 1.14 • 105

5 63 13.1 39.3 1.14 • 105

6 13.7 41.1 7.14 • 105

7 13.4 40.2 4.14 • 105

8 13.1 39.3 1.14 • 105

9 13.1 39,3 1.14 • 105

10 13.1 39.6 1.14 • 10-5

Для практических расчетов можно упростить полученное выражение. Обозначим коэффициенты вариации скорости и начального сопротивления соответственно 5 и 5, т.е.

5 = ^

vmid

5 =

3' 5 ' R

q _ 3 ' ' Rin.mid

vmid r — R

а _ Rcr Rin.mid

vmid

f (z) =

%z

01

' exp

—0.5'

02

+—2'exp S

-0.5'

( 0

_z_

5

( 0 У 1 _°2

_z_

5

v /

Вероятность времени безотказной работы контактов электрических аппаратов

P( z) = 1 -J

s

0\/2гоз

01 5

exp

-0.5'

1+?!

_z_

5

\2'

1

ст

R

1

н—2 • ехр 5

-0.5 •

с о 1 -02

_z_

5

dz.

Выборочная средняя величина начального сопротивления магнитного пускателя определяется по выражению

_ 2 Л

Я = ^— = 13.2 мОм.

где Я — выборочная средняя величина. Среднеквадратическое отклонение выборки сопротивлений магнитного пускателя

п / —\2 2 (Я - л ) м-= 0.2.

Ордината полюса принимается равной по выражению

ЯтМ = Я + К • ат.б-

где К определяется числом испытанных образцов изделий п и доверительной вероятностью а, с которой гарантируется вычисление .

Л,п.тМ = 13,2 + 0,65 • 0,2 = 14.3 м°м.

Среднее критическое сопротивление Лсг

_ 2 к,сг

Яг = ^-= 39.6 мОм.

Скорость изменения сопротивления контактов магнитного пускателя определяем по выражению

Я - Я

in.mid

= 1.14 10-5 Ом/цикл.

Выборочная средняя величина скорости изменения сопротивления магнитного пускателя определяется по равенству

п

2 Vi

Среднее квадратическое отклонение скорости изменения сопротивлений магнитного пускателя

1

п / \ 2 2

п -1

= 2 10-5 Ом/цикл.

В таблице 5 приведена информация для построения кривых зависимости безотказности контактов магнитных пускателей с 1п = 40Ли 1п = 80 Л от числа циклов «включения-отключения». Данные таблицы 5 послужили основой для построения графиков зависимостей сопротивлений контактов магнитных пускателей, контакторов, автоматических выключателей от количества коммутационных циклов и зависимость вероятности времени безотказной работы контактов магнитных пускателей, контакторов и автоматических выключателей от количества коммутационных циклов.

По данным таблицы 5 построены графики зависимостей средней величины сопротивления и безотказности контактов магнитных пускателей от числа циклов «включения-отключения» - рисунок 2 (кривые 1, 2, 3).

Зависимость определяется по формуле (21) и показана на рисунке 2 (кривые 4 и 6).

На графике (рисунок 3) по оси абсцисс отложено число включений и отключений (циклов) контакторов за время эксплуатации. Выборка начальных сопротивлений контактов автоматических выключателей составлена для автоматических выключателей. На графике (рисунок 4) по оси абсцисс отложено число включений и отключений (циклов) автоматических выключателей за время эксплуатации.

РАСЧЕТНЫЙ МЕТОД

В ходе экспериментов в результате проведенных исследований [25] установлены размеры контактов аппаратов. Используя размеры контактов аппаратов, определим сопротивление контактов в зависимости от номинального тока и коэффициента загрузки:

= 5

Ясс , ч 9

(1п • к{ )2

о,-

К!5

где X - теплопроводность материала проводника, для меди X = 390 Вт/(м-К); / - поверхность

vmid

= 2.14 -10-5 Ом/цикл.

охлаждения, м2 (/ = 2(с + d) -1 • 10- при прямоугольной поверхности; / = 2жг -1-10-3 при круглой поверхности); kт - коэффициент тепло-

п

п

<^m.s

п

п

V =

z

i=1

п

отдачи, для меди кт = 16 Вт/(м2К); а - контурная площадка касания контактных соединений, м2 (а = с • d для прямоугольной поверхности;

£ = п г2 для круглой поверхности);

Таблица 510.

Зависимость вероятности времени безотказной работы контактов магнитных пускателей от количества коммутационных циклов11

Номинальный ток магнитного пускателя Ir of the magnetic starter S Si 01, 106 02, 106 z • 106 циклов z •iO6 cycles P

1 0.98

2 0.92

3 0.85

4 0.78

In = 40 А 0.81 0.01 0.027 1.68 5 0.73

6 0.58

7 0.42

8 0.40

9 0.37

10 0.35

1 0.98

2 0.93

3 0.87

4 0.79

In = 63 А 0.93 0.01 0.028 1.24 5 0.74

6 0.59

7 0.43

8 0.42

9 0.40

10 0.38

1 0.99

2 0.95

3 0.91

4 0.85

In = 80 А 0.52 0.006 0.002 2.7 5 0.77

6 0.63

7 0.46

8 0.44

9 0.42

10 0.40

1п - номинальный ток аппарата, А; к1 - коэффициент загрузки; - температура контактных площадок; 0с - допустимый перепад температуры контакта над температурой окружающей среды, 9с = 45 °С; р - удельное электрическое сопротивление, для меди р= 1.62•Ю-8 Ом/м2; а - температурный коэффициент сопротивления, для меди а = 0.0043.

Формула (27) получена для слаботочных контактов коммутационных аппаратов. Температура контактных площадок:

4 • к1 )2 •р+^о • кт • I • а 5

К кт • а •1 ~(1п • к1 )2 'Р'а '

где - температура окружающей среды, 30 = 25 °С.

Результаты расчетов приведены в таблице 6.

R, mOhm P

0 12 3 4 5 6 7

Рис. 2. Зависимость сопротивления контактов магнитных пускателей от количества коммутационных циклов: 1 - 1п = 40 А, 2 -1п = 63 А, 3 - 1п = 80 А; зависимость вероятности времени безотказной работы контактов магнитных пускателей от количества коммутационных циклов: 4 - 1п

= 40 А, 5 - 1п = 63 А, 6 - 1п = 80 А. 12

0 1 2 3 4 5 6 7

Рис. 3. Зависимость сопротивления контакторов от количества коммутационных циклов: 1 - 1п = 20 А, 2 - 1п = 63 А, 3 - 1п = 75 А; зависимость вероятности времени безотказной работы контактов контакторов от количества коммутационных циклов: 4 - 1п = 20 А, 5 - 1п = 63 А, 6 - 1п = 75 А. 13

R, mOhm

P

20 " - 1.0 - 5

16 " " 0.8 - 4 ^^ 6

12 " " 0.6 -

8 " - 0.4 " 1 3

4 " - 0.2 " 2

z • 10

Рис. 4. Зависимость сопротивления контактов автоматических выключателей от количества коммутационных циклов: 1 -In = 50 А, 2 -In = 63 А, 3 - In = 100 А; зависимость безотказности контактов автоматических выключателей от количества коммутационных циклов: 4 - In = 50 А, 5 - In = 63 А, 6 - In =

100 А. 14

121314 Appendix 1 84

0

2

3

4

7

5

6

Таблица б15

Результаты расчета параметров контактов автоматических выключателей, контакторов и

магнитных пускателей16

Номинальный ток In А Размеры контактов, м* 10-3 Температура контактов ,°С Сопротивление контактов Rc, мОм

Rated current Contact dimensions, Contact temperature Contact resistance Rc ,

In А m*10-3 \, °c mOhm

6 с = 2.8, d = 2.8 35.2 80

c = 2.8, d = 2.8 35.7 43

« s „ i-i s ё a Ü1 16 с = 2.8, d = 2.8 36.8 18

25 c = 2.8, d = 2.8 36.7 13

32 c = 3.8, d = 38 37.9 11

£ 8 s § Й oS Ц h л .я 40 c = 3.8, d = 38 39.5 9

50 c = 3.8, d = 38 42.1 8

jq И О 63 c = 3.8, d = 38 46.4 7

100 c = 6, d = 6.2 41.8 5

400 c = 9, d = 9.5 69.6 2

P о 25 c = 12, d = 16 35.0 15

H +2 и й d га 40 c = 12, d = 16 35.1 11

1 ! 250 c = 10, d = 20 38.2 4

400 c = 17, d = 20 38.9 1.2

• л о 1- е .У . 4 r = 3 35.0 250

Магнит пускате, Magnet switch 25 r = 4 35.3 38

40 c = 8.1, d = 8.1 35.5 27

60 c = 12, d = 12 35.3 15

Учет сопротивлений контактов и вероятности времени безотказной работы низковольтных аппаратов позволяет оценивать техническое состояние оборудования, уточнять величину потерь электроэнергии и характеристики надежности систем электроснабжения.

ВЫВОДЫ

Благодаря проведению тепловизионных обследований получены результаты, которые позволили ввести в качестве критерия оценки технического состояния и эксплуатационной надежности низковольтных коммутационных аппаратов величину коэффициента превышения сопротивления контактных соединений аппаратов.

По результатам экспериментальных исследований обоснованы допустимые кратности превышения сопротивления контактных соединений по отношению к начальному значению сопротивлений новых аппаратов по достижению предельно допустимой температуры нагрева контактов: для автоматических выключателей в 2,9 раза; для контакторов в 3 раза; для магнитных пускателей в 3,1 раза; для рубильников в 2,3 раза; для пакетных выключателей в 2,1 раза, которые позволяют оценивать техническое состояние низковольтных

коммутационных аппаратов и их эксплуатацию, не допускать развитие дефектов коммутационной аппаратуры и аварии, использовать разработанный критерий для вспомогательного регламента сроков проводимых обследований коммутационной аппаратуры.

Разработаны алгоритм и метод комплексной оценки с целью повышения эффективности функционирования низковольтных аппаратов, выявлены законы изменения вероятности времени безотказной работы и сопротивлений контактных соединений коммутационных аппаратов низкого напряжения систем электроснабжения в зависимости от режимов эксплуатации с учетом их технического состояния.

Приведенные расчеты, согласно разработанному алгоритму, показали возможности уточнения функциональных параметров низковольтных коммутационных аппаратов - вероятности времени безотказной работы и сопротивления соединения контактов, а также управления эксплуатационными режимами систем электроснабжения.

APPENDIX 1

12Table 1. The temperature of the contact connections

of the devices on the known serviceable sites.

1516 Appendix 1

3'4Table 2. Thermal imaging data. 5Fig. 1. Graphs of the resistance of the contact connections of devices on the temperature of the contact pads at Kl = 0.5 (1 —magnetic starter, Inom = 63 A; 2 —circuit breaker, Inom = 63 A; 3 - contactor, Inom = 63 A; 4 —knife switch, Inom = 63 A; 5 — packet switch, Inom = 63 A).

6'7Table 3. The value of the empirical dependences of the initial resistances of the contact connections of low-voltage devices on the magnitude of the rated current. 8'9Table 4. Data for the calculation of the reliability of magnetic starters.

10'nTable 5. Dependence of the probability of the time of the failure-free operation of the contacts of magnetic actuators on the number of switching cycles. 12Fig. 2. Dependence of contact resistance of magnetic starters on the number of switching cycles: 1 — In = 40 A, 2 — In = 63 A, 3 — In = 80 A; dependence of probability of time of failure-free operation of contacts of magnetic actuators on the number of switching cycles: 4 — In = 40 A, 5 — In = 63 A, 6 - In = 80 A. 13Fig. 3. Dependence of contactors resistance on the number of switching cycles: 1 — In = 20 A, 2 — In = 63 A, 3 — In = 75 A; dependence of probability of time of failure-free operation of contacts of contactors on the number of switching cycles: 4 — In = 20 A, 5 — In = 63 A, 6 — In = 75 A.

14Fig. 4. Dependence of contact resistance of circuit breakers on the number of switching cycles: 1 — In = 50 A, 2 — In = 63 A, 3 — In = 100 A; dependence of reliability of contacts of automatic switches on the number of switching cycles: 4 — In = 50 A, 5 — In = 63 A, 6 — In = 100 A.

15.16Table 6. The results of the calculation of the contacts' parameters of the circuit breakers, contactors and magnetic starters.

Литература

[1] Short T. A. Electric Power Distribution Equipment and Systems. Boca Raton, 2018. 344 p.

[2] Tseng M.L., Lin R.J., Tan K., Geng Y., Lim M. Benchmarking eco-efficiency in green supply chain practices in uncertainty. Prod. Plan. Control. 2014, no. 25, pp. 1079-1090.

[3] Brown R.E. Electric Power Distribution Reliability. Boca Raton, 2017. 504 p.

[4] Choi U.M., Blaabjerg F., Iannuzzo F. Junction temperature estimation method for a 600V, 30A IGBT module during converter operation. Micro-electron. Reliab. 2015, no. 55, pp. 2022-2026.

[5] Astigarraga D., Ibanez F.M., Galarza A. Analysis of the Results of Accelerated Aging Tests in Insulated Gate Bipolar Transistors. IEEE Trans. Power Electron. 2016, no. 31, pp. 7953-7962.

[6] Grill P. Electrical Power Equipment Maintenance and Testing. Boca Raton, 2016. 1000 p.

[7] Shin D., Golosnoy I.O., McBride J.W. Advanced Aircraft Power Electronics Systems the impact of simulation, standards and wide band-gap devices.

IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology. 2018. pp. 1-8.

[8] Alghassi, A.; Perinpanayagam, S.; Samie, M. Stochastic RUL calculation enhanced with TDNN-based IGBT failure modeling. IEEE Trans. Reliab. 2016, no. 65, pp. 558-573.

[9] Bo T., Wei Q., Ze W. Monitoring IGBT's Health Condition via Junction Temperature Variations. In Proceedings of the 2014 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition—APEC 2014, Fort Worth, TX, USA, 16-20 March 2014; pp. 2550-2555.

[10] Vega A.R.D., Ghimire P., Pedersen K.B. Test setup for accelerated test of high power IGBT modules with online monitoring of Vce and Vf voltage during converter operation. In Proceedings of the 2014 International Power Electronics Conference (IPEC-Hiroshima 2014—ECCE ASIA), Hiroshima, Japan, 18-21 May 2014; pp. 2547-2553.

[11] Hu Z., Du M.,Wei K. Real-time monitoring solder fatigue for IGBT modules using case temperatures. HKIE Trans. 2017, no. 24, pp. 141-150.

[12] H. R. Esmaeilian, Fadaeinedjad R. Energy Loss Minimization in Distribution Systems Utilizing an Enhanced Reconfiguration Method Integrating Distributed Generation. IEEE Syst. J., IEEE. 2014. pp. 1-10.

[13] Shaodi H., Li X. Early warning of electric equipment current-carrying fault based on equivalent resistance analysis. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2016, vol. 34, no. 3, pp. 541-546.

[14] Liu B-Y., Wang G-S., Tseng M-L., Wu K-J. Exploring the Electro-Thermal Parameters of Reliable Power Modules: Insulated Gate Bipolar Transistor Junction and Case Temperature, no. 25, pp. 329-334.

[15] Ma K., Bahman A., Beczkowski S.S. Complete loss and thermal model of power semiconductors including device rating information. IEEE Trans. Power Electron. 2015, no. 30, pp. 2556-2569.

[16] Gheorghita C.M., Adam M. About contact resistance of the electrical equipment. 2017 International Conference on Modern Power Systems (MPS). Cluj-Napoca, 2017, pp. 298-301.

[17] Gupta R., Sharp J., Mccarty R. Practical contact resistance measurement method for bulk Bi2te3-based thermoelectric devices. Journal of Electronic Materials, 2013, vol. 43, no. 6, pp. 457-462. doi: 10.1007/s11664-013-2806-6.

[18] Assael, M. J. A Novel Portable Absolute Transient Hot-Wire Instrument for the Measurement of the Thermal Conductivity of Solids. Int. J. Thermo-phys, 2015, 36, pp.c 3083-3105.

[19] Souza R.T., Costa E.G. Characterization of contacts degradation in circuit breakers through the dynamic contact resistance, Transmission & Distribution Conference and Exposition. Latin America (PES T&D-LA). Medellin, 2014, pp. 367-370.

[20] He X., Guo A. A traction three-phase to singlephase cascade converter substation in an advanced traction power supply system. Energies, 2015, vol. 8, no. 9, pp. 9915-9929.

[21] GOST 12393-2013. Armatura kontaktnoy seti zheleznoy dorogi lineynaya. Obshchiye tekhnich-eskiye usloviya [State Standard 12393-2013. Line fittings for overhead system of railways. General common requirements]. Moscow, Standartinform Publ., 2014. 20 p.

[22] RD 34.45-51.300-97. The scope and standards of electrical testing [RD 34.45-51.300-970b"yem i normy ispytaniy elektrooborudovaniya]. Moscow, SC ENAS, 2004. 256 p.

[23] GOSTR 50030.4.1-2012 (MEK 60947-4-1:2009) Apparatura raspredeleniya i upravleniya niz-kovol'tnaya. Chast' 4. Kontaktory i puskateli. Razdel 1. Elektromekhanicheskiye kontaktory i

puskateli. [State Standard 50030.4.1-2012. IEC 60947-4-1: 2009. Low-voltage switchgear and controlgear. Part 4. Contactors and motor-starters. Section 1. Electromechanical contactors and motor-starters]. Moscow, Standartinform Publ., 2013. 93 p.

[24] Ryabchitsky, M. V. Nizkovol'tnyye kommu-tatsionnyye (silovyye) apparaty dlya nuzhd el-ektroenergetiki [Low-voltage switching (power) devices for the needs of electric power engineering]. Electrical Equipment: Operation and Repair, 2014, no. 8, p. 17-25. (In Russian).

[25] Levtsev, A.P. Problems and ways of implementing energy-saving projects that give the greatest effect. Regionology. 2015. no 3 (92). pp. 79-86. (In Russian).

Im

Сведения об авторах.

— -. Грачева Елена Ивановна,

д-р техн. наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Казанского государственного энергетического университета. Область научных интересов: эффективность функционирования систем электроснабжения промышленных предприятий. E-mail: grachieva. i@bk. ru Ившин Игорь

Владимирович, д-р техн. наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Казанского государственного энергетического университета. Область научных интересов: надежность, диагностика в электроэнергетике. E-mail: ivshini@mail.ru

Горлов Алексей

Николаевич, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой электроснабжения Юго-Западного государственного университета. Область

научных интересов: Электромагнитная совместимость технических средств. E-mail: alexiulia17@yandex.ru

Алимова Алсу

Нюрхайдаровна, магистрант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Казанского государственного энергетического университета. Область научных интересов: эффективность функционирования систем электроснабжения промышленных предприятий.

E-mail: aan-678@rambler.ru