автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Разработка методики оценки эффективности функционирования низковольтных коммутационных аппаратов, используемых в цеховых сетях, с учетом их технического состояния

На правах рукописи

РЫБАКОВА АНАСТАСИЯ ВЛАДИСЛАВОВНА

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ НИЗКОВОЛЬТНЫХ КОММУТАЦИОННЫХ АППАРАТОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ЦЕХОВЫХ СЕТЯХ, С УЧЕТОМ ИХ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

Специальность 05.09.01 -Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

28 НОЯ ¿013 005541117

Чебоксары-2013

005541117

Работа выполнена на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», г. Казань.

Научный руководитель: Грачева Елена Ивановна

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты:

Свшшов Геннадий Петрович

доктор технических наук, доцент,

ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный

университет им. И.Н. Ульянова»,

профессор кафедры Электрических и

электронных аппаратов

Федотов Александр Иванович

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Казанский государственный

энергетический университет»,

профессор кафедры «Электроэнергетических

систем и сетей»

Ведущая организация:

ОАО «ВШШР-Прогресс», г. Чебоксары

Защита соостоится «23» декабря 2013 г. в 15 часов 30 минут в зале заседаний Ученого совета на заседании диссертационного совета Д212.301.06 прг ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова). (428034, г. Чебоксары, ул. Университетская, д, 38, библиотечный корпус, третий этаж).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВП «Чувашский государственный университет имени Н.И. Ульянова».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатыс учреждения, просим направлять по адресу 428015, г. Чебоксары, Московский пр. д. 15, на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан « » ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.301.06 Н.В. Руссова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Для решения проблемы снижения потерь электроэнергии в цеховых сетях разработаны разнообразные мероприятия, которые обычно внедряются на основе предварительных расчетов потерь. Результаты испытаний показали, что сопротивление контактов и контактных соединений низковольтных коммутационных, аппаратов, оказывается соизмеримым с сопротивлением линий, и в связи с этим, требуется его учет при определении потерь электроэнергии в цеховых сетях, 0,4 кВ. Поэтому возникает задача оценки эксплуатационных характеристик аппаратов.

Решение задачи оценки уровня потерь в контактных системах и анализа надежности оборудования цеховых распределительных сетей, которые имеют свои особенности, требует большого количества статистических данных. При исследовании надежности и уровня потерь необходима информация о техническом состоянии контактных систем низковольтных коммутационных аппаратов. Учет параметров технического состояния позволяет уточнять результаты вычислений.

Обзор каталогов, ГОСТов, справочной литературы и научных публикаций по выбранной тематике показал, что значения сопротивлений контактов и контактных соединений аппаратов зачастую отсутствуют, поэтому исследование законов распределения сопротивлений контактов и контактных соединений представляется целесообразным для дальнейшего определения этих значений. Превышение сопротивлением контактов и контактных соединений аппаратов критических значений может привести к дополнительным потерям энергии, перегреву, или даже к выходу из строя аппарата.

В развитие теории контактных систем низковольтных коммутационных аппаратов болыпой: вклад внесли работы ученых О.Б. Брона, А.Б. Власова, А.Г. Годжелло В.Г. Дегтяря, Е.Г. Егорова, P.C. Кузнецова, К.К. Намитокова, В.Т. Омельченко, В.И. Раховского, И.С. Таева, Р. Хольма, В.М. Юркевича и других ученых. Это сделало возможным разработку новых методик расчета параметров качества функционирования контактных систем низковольтных коммутационных аппаратов. Как показывает опыт разработки и производства низковольтных коммутационных аппаратов в ОАО «ВНИИР-Прогресс» и на ЗАО «ЧЭАЗ» данные методики при их применении для расчетов в сложных цеховых электрических сетях отличаются трудоемкостью. Поэтому поставленная задача алгоритмизировать метод расчета параметров эффективности функционирования контактных систем низковольтных коммутационных аппаратов с использованием данных об их техническом состоянии является актуальной задачей.

Цель и задачи работы

Целью работы является разработка методики и алгоритмов оценки эффективности функционирования контактных систем низковольтных коммутационных аппаратов с учетом их технического состояния, а именно с

учетом сопротивления контактов и контактных соединений аппаратов и поте мощности в контактных системах.

В диссертационной работе в соответствии с целью поставлены и решен следующие научные и практические задачи:

- разработка алгоритмов и моделей определения сопротивлений контакт и контактных соединений и потерь мощности в контактных систем низковольтных коммутационных аппаратов;

- разработка методики и алгоритмов оценки эффективно функционирования контактных систем низковольтных коммутационнь аппаратов, применяемых в цеховых сетях, с учетом их технического состояния;

- реализация указанных алгоритмов для уточнения функциональнь параметров и управления режимами эксплуатации внутрицеховых электрическ сетей.

Методы исследования

Методики исследований определялись содержанием каждой решаем задачи и базировались на использовании методов обработки результат экспериментов, теории электрических цепей, статистической теор погрешностей, теории вероятностей и математической статистики, теор надежности.

Научная новизна

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые разработаны алгоритмы и модели определения сопротивлен контактов и контактных соединений и потерь мощности в контактных систем низковольтных коммутационных аппаратов в зависимости от имеющей исходной информации, позволяющие соотносить долю сопротивления контакт и контактных соединений в эквивалентном сопротивлении участка сет1 фиксировать изменение сопротивления и потерь мощности;

- разработаны новая методика и алгоритмы оценки эффективное функционирования контактных систем низковольтных коммутационнь аппаратов, применяемых в цеховых сетях, с учетом их технического состояни отличающиеся от известных методик выбранным критерием оценки техническо состояния контактных систем аппаратов, в качестве которого приня сопротивление контактов и контактных соединений аппаратов;

- алгоритмизирован метод расчета параметров надежности контактнь систем с использованием данных о техническом состоянии низковольтнь коммутационных аппаратов, позволяющий обеспечить более надежное качественное электроснабжение потребителей;

- разработаны алгоритмы, позволяющие уточнять функциональнь параметры внутрицеховых электрических сетей и управлять режимами и эксплуатации;

- в результате экспериментальных исследований и моделирован определены закономерности изменения сопротивлений контактов и контактны соединений и потерь мощности в контактных системах низковольтных аппарата

различных фирм-производителей на основании статистических данных, что позволяет объективно принимать решение по управлению эксплуатацией внутрицеховыми электрическими сетями.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы состоит в разработке алгоритмов и моделей, позволяющих:

1. Определять основные технические характеристики низковольтных коммутационных аппаратов в зависимости от имеющейся исходной информации и уточнять оптимальные варианты установки энергоэффективных по потерям мощности в контактных системах низковольтных аппаратов на линиях цеховых сетей.

2. Определять работоспособность, ресурс и качество функционирования контактных систем низковольтных коммутационных аппаратов в зависимости от их технического состояния.

3. Уточнять величину эквивалентного сопротивления линий цеховых сетей с учетом сопротивлений контактов и контактных соединений низковольтных коммутационных аппаратов для расчета потерь электроэнергии в цеховых сетях и внедрения мероприятий по энергосбережению, а также управлять режимами эксплуатации внутрицеховых электрических сетей

4. Планировать программу замены и ремонтов электрооборудования цеховых сетей.

А также ценность диссертационной работы состоит в передаче и использовании методик для оценки конкурентоспособности разрабатываемых коммутационных аппаратов в ОАО «ВНИИР-Прогресс» (г. Чебоксары).

Достоверность результатов

Достоверность результатов и выводов исследования подтверждается корректностью постановки задачи, обоснованностью принятых допущений; адекватностью используемого математического аппарата и полученных моделей исследуемым процессам; хорошей сходимостью результатов теоретических расчетов с экспериментальными данными.

Основные положения, выносимые на защиту

- алгоритмы и модели определения сопротивлений контактов и контактных соединений и потерь мощности в контактных системах низковольтных коммутационных аппаратов с учетом оценки их основных технических характеристик;

- методика и алгоритм оценки эффективности функционирования контактных систем низковольтных коммутационных аппаратов, применяемых в цеховых сетях;

- методика расчета параметров надежности контактных систем низковольтных коммутационных аппаратов с использованием данных об их техническом состоянии.

Апробация работы

Основные положения проведенных исследований и результаты работы докладывались на Пятой международной научно-технической конференции

«Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургическог производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования» Вологда, 2009г.; 11-й Международной научной заочной конференци «Актуальные вопросы современной техники и технологии», Липецк, 2010г. Международной научно-технической конференции «Состояние и перспектив развития электротехнологии» (XVI Бенардосовские чтения), Иваново, 2011г. Региональной научно-технической конференции студентов, аспирантов молодых ученых (с международным участием) «Энергия - 2012», Иваново 2012г.; 8-й Международной молодежной научно-технической конференци Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций «РТ-2012» Севастополь, 2012г.; Межрегиональной научно-практической конференции «I Камские чтения», Набережные Челны, 2012г.; Всероссийской молодежно! научной конференции «Мавлютовские чтения», Уфа, 2012г.; Международно научно-технической конференции «Состояние и перспективы развит электротехнологии» (XVII Бенардосовские чтения), Иваново, 2013г.; XVII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов молодых ученых: «Современные техника и технологии», Томск, 2013г.; а такж регулярно обсуждались на аспирантско — магистерских семинарах КГЭУ и н заседаниях в ОАО «ВНИИР-Прогресс».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 4 стать в журналах из перечня рекомендуемых ВАК МОиН РФ.

Структура работы

Диссертация состоит из 3 глав и содержит: машинописный текст на 20 странице, 60 рисунков, 38 таблиц, список литературы из 157 наименований, также приложения на 34 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснованы актуальность темы диссертационной работы сформулированы цели, задачи и методы исследований, научная новизна практическая ценность полученных результатов.

В первой главе представлены классификация и особенное низковольтных коммутационных аппаратов, конструктивное исполнение цеховы сетей. Проведен сравнительный анализ характеристик аппаратов различны фирм-производителей. Предложена классификация схем цеховых сетей до 1кВ п конструктивным особенностям.

Проанализированы основные критерии, определяющие показател работоспособности контактов низковольтных коммутационных аппаратов Существующими критериями работоспособности контактно-дугогасительны систем аппаратов могут выступать такие факторы, как падение напряжения пр протекании длительных токов, показатели вибрации контактов, время гашен дуги, показатели сваривания контактов, восстанавливающаяся электрическ.

прочность межконтактного промежутка, градиент напряжения дуги, коммутационная износостойкость и коммутационная способность. На основании проведенных исследований в диссертации предлагается использовать в качестве критерия работоспособности аппаратов сопротивление контактов и контактных соединений.

Исследованы параметры надежности контактных систем низковольтных коммутационных аппаратов. Выявлено, что эти параметры зависят от режимов работы силовых цепей контактов и характеристик нагрузки. Надежность работы контактных систем оценивается по надежности выполнения заданных функций в течение всех четырех этапов его работы: разомкнутого, замкнутого, замыкания и размыкания.

Выявлены основные критерии оценки технического состояния низковольтных коммутационных аппаратов на примере контакторов. Критерием оценки технического состояния контактных систем аппаратов может служить уменьшение их массы или провала. С точки зрения обеспечения надежности, долговечности и качественного функционирования контактных систем контакторов, интерес представляет не убыль массы материала контактов, а уменьшение провала или зазора, контролирующего его.

Исследованы факторы, влияющие на величину коммутационной износостойкости контактов контакторов при их работе в повторно-кратковременном режиме.

Проведен анализ рынка автоматических выключателей, который показал, что аппараты торговой марки 1ЕК - самые приспособленные к использованию в районах с преимущественно низкими температурами, то есть наиболее пригодны для российских климатических условий.

Во второй главе проведен анализ эксплуатационных характеристик низковольтной коммутационной аппаратуры. Исследовано влияние физических и конструктивных особенностей коммутационных аппаратов на их технические характеристики.

Проанализированы основные параметры качества функционирования контактных систем аппаратов, такие как сопротивление контактов и контактных соединений.

Поскольку в справочной литературе отсутствует информация о потерях мощности в контактных системах большинства низковольтных коммутационных аппаратов, возникает задача исследования законов изменения потерь в контактных системах различных групп аппаратов экспериментальными и расчетными методами.

В результате проведенных исследований определены зависимости потерь мощности аппарата от номинального тока для автоматических выключателей и контакторов (рис.1 - 2).

3

14

С 2

• • >

а»

«« * * Г > | ___^

*

1ЕК -АВВ • • • • Ье°гапс1 -1-1-1

30 40 50 60 70 Номинальный ток, А

10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 Номинальный ток, А

Рис. 1 Зависимости потерь мощности от Рис 2 Зависимости потерь мощности от

номинального тока автоматических выключателей различных фирм- номинального тока контакторов различных

производителей фирм-производителей

Предложен комплексный подход к оценке сопротивлений контактов контактных соединений низковольтных аппаратов, который заключается разработке методики определения сопротивления контактов и контактнь соединений по потерям мощности в контактных системах низковольтнь аппаратов и расчетно-экспериментального исследования сопротивлени контактов и контактных соединений низковольтных аппаратов.

Я„„ мОм 30 ■

1 1111!

Экспериментальная ■■ 11 По потерям в Справочная в • Расчетная

к А \

\ к

\\ \

л

Я„, мОм

1<Г

Экспериментальная По потерям Расчетная

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1004, А

20 40 60 80 100 120 140 160/.

Рис. 3 Зависимости сопротивлений контактных соединетш от номинального тока автоматических выключателей

Рис. 4 Зависимости сопротивлений контактных соединений от номинального тока контакторов

В табл. 1 представлены значения среднеквадратического отклонени аппроксимирующих функций от каталожных значений потерь мощност аппаратов, определяемые по выражению (1).

'=а/х(/(/„

)-дрУ

(1)

где /(/н) - значение функции при фиксированном номинальном токе; АР - каталожное значение потерь мощности.

Таблица 1

Оценка точности аппроксимирующих функций зависимостей потерь мощности в контактных системах от номинального тока автоматических _выключателей и контакторов

Аппроксимирующая функция S

1 2

Автоматический выключатель фирмы ІЕК (/„ = 1 + 800 А)

АР = 1,18 + 0,08 • /„ - 9,1-10-5 ■ /н2 + 5,6 • 10"8 ■ /н3 0,596

Автоматический выключатель фирмы Schneider Electric (/„ = 1 + 800 А")

АР = 1,99 + 0,08 ■ /н -1,45 • 10"4 ■ /н2 +1,15 ■ 10"7 • /н3 0,724

Автоматический выключатель фирмы Legrand (/,, = 1 ^ 125 А)

0,02/ АР = 2,07 е н -0,43 0,868

Автоматический выключатель фирмы ABB (/н = 1 н- 800 А)

АР = 1,84 + 0,07 • /н -1,28 • Ю-4 • /н2 +1,03 • Ю-7 ■ /н3 1,291

Контактор фирмы IEK /„ = 32 н- 630 А

АР = -1,73 + 0,17 • /н -1,77 • 10"3 • /н2 + 9,6 • 10"6 • /н3 --1,9 Ю-8 /н4 +1,24-Ю-11 /н5 0,751

Контактор фирмы Schneider Electric Ін = 6^- 115 А

- -8,910"4/ АР = -86,4 • е 11 +86 0,272

Контактор фирмы ABB 1н = 6 + 580 А

АР = 1,88 • Ю-4 +0,02 •/„ +2,1-Ю-4 •/н2 -3,26 Ю-7 •/н3 1,077

Контактор фирмы General Electric I„ = 9 105 А

АР = 0,18 + 0,01 • Іи + 6,9 • 10-4 ■ /н2 - 4,48 • 10-7 • /н3 0,166

В результате проведенных исследований вычислена возможная точность и рекомендована область применения некоторых методов определения сопротивлений контактов и контактных соединений низковольтных коммутационных аппаратов в зависимости от имеющейся исходной информации.

Таблиц

Виды аппроксимирующих функций зависимостей сопротивлений контактов и контактных соединений низковольтных аппаратов фирмы 1ЕК от номинальног

тока

Аппараты Номинальный ток /и, А Аппроксимирующая функция

Автоматические выключатели 4650- -800 -400 1600 ^тют.ав (/„ ) = 726 • /н Лрасч.ав(^н) = 4,39-10-3-/„-2'02+1,08 Яспр.ав('н) = 1.24-10-4 ■ 1в~1'93 +0,37

Контакторы 932 25 -25 -630 -400 ■^ПОТ.КОНТ (-^Н ) = 1039,5 • /н •^ПОТ.КОНГ (^Н ) = 43,6 • /н Ярасч.конг('н) = 4,84-Ю-4 ■ +0,06

Магнитные пускатели 4-60 ^расч.конт(^н) = 6472 • /н

В третьей главе разработаны методика и математические модели оцен эффективности функционирования контактных систем низковольтнь коммутационных аппаратов.

Разработан алгоритм оценки надежности контактных систе коммутационных аппаратов на основе статистических данных.

В результате исследований выявлены наиболее достовернь закономерности изменения параметров надежности контактных систе коммутационной аппаратуры из числа тех законов, которые чаще все используются в прикладном статистическом анализе.

Для оценки показателей надежности в режимах эксплуатации исследован характеристики коммутационных аппаратов цеховых сетей низкого напряжен ОАО «Органический Синтез» (г. Казань). При этом установлено, что для участ цеховой сети в работе находилось N0 = 283 однотипных автоматически выключателя ВА-51 с номинальными токами /н = 10, 16, 25, 63, 80 А, отказ аппаратов фиксировались через каждые 2 года. На основе полученно информации определен статистический закон распределения параметре надежности аппаратов.

Для экспериментального определения сопротивлений силовых цепе контактов и контактных соединений низковольтных аппаратов использова микроомметр М4104. На основании полученных экспериментальных данны сопротивлений контактов и контактных соединений автоматически выключателей и магнитных пускателей построены гистограммы статистическог распределения плотности значений сопротивлений в виде столбцов (рис. 5 - 6).

Выявлено, что для автоматических выключателей и магнитных пускателей плотность распределения сопротивления контактов и контактных соединений описывается нормальным законом.

30 25 20

15 -

fiy)

10

6,880 6,930 6,980

Рис. 5 Аппроксимация плотности распределения значений сопротивления контактных соединений автоматического выключателя серии ВА-51 с /„ = 50 А

0

16,380 16,430 16,480 16,530 16,580 У

Рис. 6 Аппроксимация плотности распределения значений сопротивления контактных соединений магнитного пускателя ПМЕ-211 с /„ = 50 А

Для оценки уровня потерь электроэнергии в качестве одной из основных характеристик схемы цеховой сети с различным количеством аппаратов на линии используется эквивалентное сопротивление всей цепи.

Сопротивление контактов и контактных соединений автоматических выключателей фирмы 1ЕК в зависимости от номинального тока, полученное по результатам экспериментальных данных, определяется:

[323,4-/Н"°'97,7Н <50 А

[227,5 ЛГ°'96,/Н >50 А Сопротивление контактов и контактных соединений магнитных пускателей завода «Электроконтактор» (г. Челябинск) в зависимости от номинального тока, полученное по экспериментальным данным, определяется:

[751,3 ■/н-°-97,/н <63 А

Rk.C(IH) = <

(2)

Як.с(/Н) = -

902,9 /и"1'03,/н >63 А

(3)

Соотношения в эквивалентном сопротивлении линии со средней длиной 20 м сопротивления контактов низковольтных аппаратов и линий представлены на рис. 7 и в табл. 3 для номинального тока линии /н = 50 А сечением 10 мм2.

а Ял

8 Як.с МП ІЯк.с АВ

5 Количество аппаратов

Рис. 7 Соотношение сопротивлений аппаратов и линий для различного количества аппаратов на

линии с /„ = 50 А

Значения эквивалентного сопротивления линий приведены в табл. 3.

Таблица 3

Сопротивление, мОм Количество аппаратов Номинальный ток, А

10 32 50 100 250 400

р 1 >ап 2 117,4 36,7 23,5 10,7 4,3 2,7

Л3«в | 20 м 271,4 129,3 60,3 28,6 7,3 4,2

Йаг1 3 152,3 47,6 30,5 13,7 5,5 3,4

-^зкв 20 м 306,3 140,2 67,3 31,6 8,6 5,0

Лап 4 187,2 58,5 37,4 16,8 6,7 4,2

Лэвв I 50 м 572,2 290,0 129,4 61,5 14,4 8,!

Лап 5 222,1 69,4 44,4 19,9 8,0 5.0

^зкв 50 м 607,1 300,9 136,4 64,6 15,7 8,8

В результате системного подхода разработана методика оценки эффективности функционирования контактных систем низковольтных коммутационных аппаратов. При этом исследуется изменение основных технических характеристик низковольтных аппаратов в процессе эксплуатации.

Вероятность безотказной работы контактов низковольтных аппаратов за определенное количество коммутационных циклов находится по выражению:

Р(г) = \-Ffz), (4)

і

где Р(г) = I /(г)ск - вероятность ненадежной работы контактов. 0

Сопротивление контактов и контактных соединений рассматривается как случайная функция количества коммутационных циклов Щг):

7

Ли) = До + ]м(Ь, (5)

0

где R0 - начальное значение сопротивления контактов и контактных соединений; v - скорость изменения сопротивления контактов и контактных соединений, рассматривается в функции основных параметров коммутации:

... . dR

v = /(/«) = — • (6)

dz

Для автоматических выключателей IEK скорость изменения сопротивления определяется по выражениям:

V = f = (323,4 ■ l~°'97). z, /н < 50А; (7)

v = J = (227,5- /„-°'96)-z, /н > 50А. (8)

Функция R(z) исходит из точки, называемой полюсом, ордината полюса принимается равной Лоср и находится по выражению:

^Оср = R + ксгц,

(9)

URi~R)2 i = 1

п

I R¡

где R = --среднее значение сопротивления; ая = 1І --среднее

п \ п-1

квадратическое отклонение сопротивления в малой выборке; к - зависит от количества испытаний образца, находится по таблице функции распределения Стьюдента (Л: =1,43 при п =5).

Характеристика определения среднего значения сопротивления имеет вид:

ЛсрЮ^Ср +У2. (10)

Критерий Г (г) может быть определен:

(її)

и

где - вероятность ненадежной работы - это функция, зависящая от изменения сопротивления и скорости этого изменения.

Вероятность исправной работы контактов аппарата определяется по выражению:

Я.

«оср-Зст^

(12)

гДе ^Оф-Зсг/го- минимально возможное сопротивление; /?кр - критическое значение сопротивления.

Для определения плотности вероятности безотказно выполненных коммутаций^) продифференцируем выражение (12) по количеству циклов

1

К

1 ту—

ехр

Оср

'К

2а-}

dR,

(13)

Вместо Я и в выражение (13) подставляются значения Я(г) и егл(г) из соотношения (5). Значение сИУсЬ представляет собой скорость изменения сопротивления.

Выразив Лг) через вероятность исправной работы Я' после дифференцирования получим вероятность безотказной работы контактов:

/>(г) = 1-}

1

л/2я ст., г 2

\ Зсгк ехр

лкр - л0ср

О Л/ ¿ли,: \2~

3о~д | уср

(Лкр -^Оср)ехр

"ср

У

(14)

Упростим полученное выражение, обозначив коэффициент вариации скорости 5 и предельного сопротивления 5,:

3а

V

уср

Я,

'кр

кр _

въ

Я

кр

-Я0

1ср

= 9г.

(15)

(16)

ср

ср

ср

Выражение для определения вероятности безотказной работы примет вид

Р(0 = 1-|

0л/2л72

в\

—ехр 5

1 +

в2 + —ехр 5 Н

1--

■Л.

(17)

Значение интеграла может быть вычислено с использованием нормированной функции Лапласа. Для этого применяем подстановки:

<9, в2

1 + 4

1

= Рг >

(18)

} '

Нормированная функция Лапласа имеет вид: Ф(0 = -¡= [ехр

■41 п

о

1 2 --Г 2

Л.

Рассматриваемый интеграл разбиваем на два и применяем вышеуказанные подстановки.

Формула для вычисления вероятности безотказной работы контактов примет вид

Р(2) = Ф(/30 + ФШ, (19)

где Ф - нормированные функции Лапласа.

Для расчета вероятности безотказной работы с использованием нормированной функции Лапласа использовалась программа МаНаЬ с приложением программы БтиНпк.

Общий вид модели расчета вероятности безотказной работы с использованием нормированной функции Лапласа представлен на рис. 8.

Рис. 8 Общий вид модели расчета вероятности безотказной работы с использованием нормированной функции Лапласа

Разработанная методика позволяет прогнозировать надежность контактных систем низковольтных аппаратов по значениям сопротивлений их контактов и контактных соединений.

В результате применения разработанной методики смоделированы законы изменения функциональных параметров участка цеховой сети с различным количеством аппаратов на линии.

Графически изменение вероятности безотказной работы и эквивалентного сопротивления линии показано на рис. 9.

1 р І7ТТ ______дГГмОмГ 25

0,9 -р--Е-... --!Ь£-

08--------—---^„...е:. 20

0,6 —І ......50А --15

0>5 ---250 A-----

0,4--^л -------ю

0,3 ........—-------

0 2-------____[. 5

0,1 -- -

о -----1- о

10

15

10

20 2j тыс. —і циклов 12 t, лет

Рис. 9 Вероятность безотказной работы и эквивалентное сопротивление линии с одним автоматическим выключателем 1ЕК с /„ = 50А и 250А

IJFIl' UUv-

Itü I к'ПК-amal 0.4»» |

I I l' 111 1 'j

U» omJ ynj^l gfl.»a jQflbn.5xl <)11.6\

0F17 i*

Рис. 10 Схема распределительной сети 0,4кВ

Для схемы, изображенной на рис. 10, по имеющейся информации о количестве, марках и типах установленных аппаратов, сечениях и длинах линий цеховых сетей определены потери мощности

ДРпот= 312 ■ Я, (20)

где I - ток, проходящий по линии участка сети, R - эквивалентное сопротивление участка сети, и проведена технико-экономическая оценка мероприятия по замене аппаратов, отработавших нормативный ресурс.

Для управления режимами потребления электроэнергии и уменьшения потерь активной мощности в контактных системах низковольтных коммутационных аппаратов предложена замена установленных низковольтных аппаратов на более энергоэффективные аналоги, которая позволяет снизить потери мощности на 5н-50 %.

Для автоматических выключателей с /и <160 А при замене 10 аппаратов марки Schneider Electric на автоматы производства фирмы IEK, потери мощности могут быть уменьшены на 13 %. Для контакторов с /н < 80 А при замене 8

аппаратов марки Schneider Electric на контакторы производства фирмы ABB, потери мощности могут быть уменьшены на 47 %.

На основании проведенных исследований возможно организовать технологию расчетов технических параметров оборудования для различных режимов эксплуатации электрических сетей, анализа результатов и выработки стратегии управления, планирования мероприятий по экономии электроэнергии, а также создания ретроспективного архива режимов систем внутрицехового электроснабжения.

Заключение

Главным результатом проведенных исследований является повышение уровня качества эксплуатации оборудования цеховых сетей 0,4 кВ за счет разработки новой методики оценки эффективности функционирования контактных систем низковольтных коммутационных аппаратов.

Основные научные теоретические и практические результаты работы состоят в следующем:

1. Проанализированы факторы, определяющие работоспособность контактов низковольтных коммутационных аппаратов и обобщены основные критерии оценки технического состояния контактных систем аппаратов, а также выявлены основные факторы, влияющие на потери активной мощности в контактных системах аппаратов.

2. Проанализированы характеристики коммутационной износостойкости контактов низковольтных аппаратов, и технические параметры автоматических выключателей фирм-производителей IEK, ABB, Legrand и Schneider Electric. Выявлены зависимости влияния конструктивных особенностей низковольтных аппаратов на их технические характеристики.

3. В результате экспериментальных исследований и моделирования определены закономерности изменения сопротивлений контактов и контактных соединений и потерь мощности в контактных системах низковольтных аппаратов различных фирм-производителей на основании статистических данных.

4. Впервые разработаны алгоритмы и модели определения сопротивлений контактов и контактных соединений и потерь мощности в контактных системах низковольтных коммутационных аппаратах в зависимости от имеющейся исходной информации, позволяющие соотносить долю сопротивления контактов и контактных соединений в эквивалентном сопротивлении участка сети, фиксировать изменение сопротивления и потерь мощности, вычислены погрешности разработанных моделей; определены зависимости сопротивлений контактов и контактных соединений низковольтных аппаратов от номинального тока на основании экспериментальных данных аппаратов.

5. Разработаны алгоритм и методика оценки параметров надежности контактных систем низковольтных коммутационных аппаратов с использованием данных о техническом состоянии аппаратов, позволяющие обеспечивать надежное электроснабжение потребителей.

6. Разработаны методика и алгоритм оценки эффективности функционирования низковольтных коммутационных аппаратов, применяемых в цеховых сетях, с учетом их технического состояния, отличающиеся от известных методик выбранным критерием оценки технического состояния контактных систем аппаратов - сопротивление контактов и контактных соединений аппаратов.

7. Реализованы разработанные алгоритмы, позволяющие уточнять функциональные параметры и управлять режимами эксплуатации внутрицеховых электрических сетей.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: Публикации по перечню рецензируемых изданий ВАК

1. Шагидуллина (Рыбакова), A.B. Сравнительное исследование эксплуатационных характеристик низковольтных аппаратов / A.B. Шагидуллина, Е.И. Грачева//Проблемы энергетики.-2011.-№ 1-2.-С. 46-55 (авт. уч. 7 е.).

2. Рыбакова, A.B. Моделирование законов изменения потерь мощности в автоматических выключателях / Е.И. Грачева, И.В. Ившин, Ю.И. Солуянов, A.B. Шагидуллин, A.B. Рыбакова // Проблемы энергетики. - 2012. - №34 - С. 66-74 (авт. уч. 3 е.).

3. Рыбакова, A.B. Расчет сопротивлений контактных соединений и потерь мощности автоматических выключателей / Е.И. Грачева, A.B. Шагидуллин, A.B. Рыбакова, А.Н. Хаерова // Главный энергетик. -2013. - № 9. - С. 23-27 (авт. уч. 1 е.).

4. Рыбакова, A.B. Применение методики оценки эффективности функционирования низковольтных аппаратов цеховых сетей / Е.И. Грачева, A.B. Шагидуллин, A.B. Рыбакова, А.Н. Хаерова // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. -2013.-№ 11.-С. 23-28 (авт.уч. 1 е.).

Публикации в других изданиях

5. Шагидуллина (Рыбакова), A.B. Анализ технического состояния и эффективности функционирования низковольтной аппаратуры / A.B. Шагидуллина // Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования: материалы пятой международной научно-технической конференции. В 2 т. Т. 2. - Вологда: ВоГТУ, 2009. - С. 222-226.

6. Рыбакова, A.B. Анализ параметров надежности автоматических выключателей российских и зарубежных производителей / A.B. Шагидуллина, Е.И. Грачева // Актуальные вопросы современной техники и технологии: сб. докл. 11-й Международной научной заочной конференции, (Липецк, 2 октября 2010 г.). / Под ред. A.B. Горбенко, C.B. Довженко. - Липецк: Изд. центр «Де-факто», 2010. - С. 214-218 (авт. уч. 3 е.).

7. Шагидуллина (Рыбакова), A.B. Исследование показателей надежности автоматических выключателей / Е.И. Грачева, A.B. Шагидуллин, A.B.

Шагидуллина // XVI Бенардосовские чтения: Состояние и перспективы развития электротехнологии: сб. науч. тр. Междунар. науч.-техн. конф., (Иваново, 1-3 июня 2011 г.). В 2 т. Т. 1. — Электроэнергетика. - Иваново: ИГЭУ, 2011. - С. 206208 (авт. уч. 1 е.).

8. Рыбакова, A.B. Моделирование и оценка возможных погрешностей функциональных характеристик низковольтных аппаратов / A.B. Шагидуллин, A.B. Рыбакова, Е.И. Грачева / IV Камские чтения: сб. докл. межрегион, науч.-практ. конф., (Набережные Челны, 27 апреля 2012 г.). В 3 ч. Ч. 3. / Ред. кол. Д.С. Садриев и др.; под ред. д-ра физ.-мат. наук С.Н. Тимергалиева. - Набережные Челны: Изд-во Кам. гос. инж.-эконом. акад., 2012. - С. 169-171 (авт. уч. 1 е.).

9. Рыбакова, A.B. Влияние функциональных параметров низковольтных аппаратов на потери активной мощности / A.B. Рыбакова, A.B. Шагидуллин // Новый университет. Серия: Технические науки. -2012. - №4(10). - С. 90-95 (авт. уч. 4 е.).

10. Рыбакова, А.З. Моделирование законов надежности низковольтных аппаратов на основе статистической информации / A.B. Шагидуллин, A.B. Рыбакова, Е.И. Грачева // Электроэнергетика. «Энергия - 2012»: Тез. докл. регион, науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых (с международным участием), (Иваново, 17-19 апреля 2012 г.). В 3 т. Т. 3. -Иваново, 2012. - С. 80-83 (азт. уч. 1 е.).

П.Рыбакова, A.B. Прогнозирование изменения функциональных параметров низковольтных аппаратов / A.B. Шагидуллин, A.B. Рыбакова, Е.И. Грачева // Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций «РТ-2012»: материалы докл. 8-й Междунар. молодежной науч.-техн. конф. В 3 т. Т. 3. -Севастополь, 2012. - С. 310 (авт. уч. 0,5 е.).

12. Рыбакова, A.B. Определение срока службы контактов автоматических выключателей / A.B. Шагидуллин, A.B. Рыбакова, Е.И. Грачева // Мавлютовские чтения: Всерос. молодежная науч. конф.: сб. тр. В 5 т. Т. 2. - Уфа: УГАТУ, 2012. -С.63-64 (авт. уч. 1 е.).

13. Рыбакова, A.B. Расчетно-эксперименталыюе исследование сопротивлений контактных систем автоматических выключателей / Е.И, Грачева, A.B. Рыбакова, A.B. Шагидуллин // Электрика. - 2013. - № 3. - С. 20-25 (авт. уч. 2 е.).

14. Рыбакова, A.B. Особенности компоновки и технические характеристики оборудования систем внутрицехового электроснабжения / Е.И. Грачева, A.B. Рыбакова, A.B. Шагидуллин//Электрика.-2013,-№ 5.-С. 25-28 (авт.уч. 1 е.).

15. Рыбакова, A.B. Разработка моделей оценки функциональных параметров низковольтных аппаратов / Е.И. Грачева, A.B. Рыбакова, A.B. Шагидуллин // Электрика.-2013. -№ 8.-С. 37-41 (авт.уч. 2е.).

16. Рыбакова, A.B. Зависимость срока службы автоматических выключателей от эксплуатационных характеристик / A.B. Шагидуллин, Е.И. Грачева, A.B. Рыбакова // XVII Бенардосовские чтения: Состояние и перспективы развития электротехнологии: материалы Международной научно-

технической конференции (Иваново, 29-31 мая 2013 г.) В 2 т. Т. 1. -Электроэнергетика. - Иваново: ИГЭУ, 2013. - С. 250-253 (авт. уч. 1 е.).

17. Рыбакова, А.В Влияние технических характеристик элементов низковольтных сетей на величину эквивалентного сопротивления A.B. Шагидуллин, Е.И. Грачева, A.B. Рыбакова // Современные техника i технологии: сборник трудов XVIII Международной научно-практическо!-конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск, 15-19 апрелг 2013 г.) В 3 т. Т. 1. - Томск: Изд-во ФГБОУ ВПО Томский политехнические университет, 2013.-С. 107-103 (авт.уч. 1 е.).

18. Рыбакова, A.B. Влияние компоновочных решений на эквивалентное сопротивление участка низковольтной сети / A.B. Шагидуллин, A.B. Рыбакоза Е.И. Грачева // Вестник Российского национального комитета СИГРЭ ! Специальный выпуск №1. Материалы Молодежной секции РНК СИГРЭ: сборни» конкурсных докладов по электроэнергетической к электротехнической тематккак-по направлениям исследований СИГРЭ «Энергия - 2013». - Иваново: Изд-ис ФГБОУ ВПО Ивановский государственный энергетический университет им. В.И Ленина, 2013. - С. 306-309 (авт. уч. 1 е.).

Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, состоит в постановке задачи [1, 5, б, 9, 10, 11, 12], получении функциональны: зависимостей [1-3, 5, 6, 13, 16], анализе полученных результатов [4, 7, 10, И, 1?. 14, 15, 17, 18], измерении и обработке экспериментальных данных, полученные при проведения испытаний [1, 4, 9, 12, ¡6, 17], моделировании законов <■ разработке алгоритма [2, 8, 10, 15], получении обобщений и выводов [1, 2, 5-7, 9 11-15].

Рыбакова Анастасия Владиславовна

Разработка методики оценки эффективности функционирования низковольтных коммутационных аппаратов, используемых в цеховых сетях, с учетом их технического состояния

Автореферат

Подписано в печать 10.11.2013. Печать плоская. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,2. Тираж 110 экз. Заказ № 8051. ТИПОГРАФИЯ ИЗДАТЕЛЬСТВА КАЗАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский государственный энергетический университет»

На правах рукописи

04201453565

РЫБАКОВА АНАСТАСИЯ ВЛАДИСЛАВОВНА

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ НИЗКОВОЛЬТНЫХ КОММУТАЦИОННЫХ АППАРАТОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ЦЕХОВЫХ СЕТЯХ, С УЧЕТОМ ИХ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Грачева Е.И.

Казань - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................5

1 ОСОБЕННОСТИ НИЗКОВОЛЬТНЫХ КОММУТАЦИОННЫХ АППАРАТОВ. ПРИМЕНЯЕМЫХ В ЦЕХОВЫХ СЕТЯХ 0,4 кВ.......................15

1.1 Классификация и конструктивное исполнение цеховых сетей.................................................................................................15

1.2 Критерии оценки технического состояния контактных систем низковольтных коммутационных аппаратов..............................................28

1.2.1 Основные факторы, характеризующие работоспособность контактных систем низковольтных аппаратов....................................28

1.2.2 Характеристики надежности работы контактных систем.......................................................................................30

1.2.3 Критерии оценки технического состояния контактных систем низковольтных аппаратов..............................................................34

1.2.4 Факторы. определяющие величину коммутационной износостойкости контактов............................................................42

1.3 Анализ рынка автоматических выключателей.....................................46

1.4 Выводы......................................................................................54

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ, АЛГОРИТМОВ И МОДЕЛЕЙ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НИЗКОВОЛЬТНЫХ КОММУТАЦИОННЫХ АППАРАТОВ..........................55

2.1 Основные требования, предъявляемые к низковольтной аппаратуре........55

2.2 Расчет сопротивлений контактов и контактных соединений и потерь мощности в контактных системах на примере автоматических выключателей...56

2.3 Комплексный подход к оценке сопротивлений контактов и контактных соединений низковольтных аппаратов......................................................63

2.3.1 Определение сопротивления контактов и контактных соединений низковольтных коммутационных аппаратов по потерям мощности в них..........63

2.3.1.1 Моделирование законов изменения потерь мощности в контактных системах автоматических выключателей...........................63

2.3.1.2 Моделирование законов изменения потерь мощности в контактных системах контакторов...................................................73

2.3.1.3 Оценка сопротивления контактов и контактных соединений от номинального тока по потерям мощности в полюсе аппарата....................................................................................78

2.3.2 Расчетно-экспериментальное исследование сопротивлений контактов и контактных систем низковольтных аппаратов..........................................82

2.3.2.1 Методика проведения эксперимента по определению сопротивлений контактов и контактных соединений низковольтных коммутационных аппаратов............................................................82

2.3.2.2 Определение сопротивления контактов и температуры контактных площадок аппаратов расчетным методом...........................87

2.3.3 Исследование температурных зависимостей характеристик

низковольтных аппаратов......................................................................94

2.4 Выводы.....................................................................................99

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И АЛГОРИТМОВ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КОНТАКТНЫХ СИСТЕМ НИЗКОВОЛЬТНЫХ КОММУТАЦИОННЫХ АППАРАТОВ В ЦЕХОВЫХ СЕТЯХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ...........................................................100

3.1 Разработка методики оценки параметров надежности контактных систем низковольтных коммутационных аппаратов.............................................100

3.2 Обработка результатов экспериментальных исследований сопротивлений контактов и контактных соединений низковольтных коммутационных аппаратов.........................................................................................118

3.2.1 Результаты исследования сопротивления контактов и контактных соединений в автоматических выключателях............................................118

3.2.2 Результаты исследования сопротивления контактов и контактных соединений в магнитных пускателях......................................................125

3.3 Моделирование законов изменения функциональных параметров низковольтных коммутационных аппаратов..............................................130

3.4 Применение методики оценки эффективности функционирования контактных систем низковольтных коммутационных аппаратов и цеховых сетей...............................................................................................142

3.5 Выводы...................................................................................150

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................151

ЛИТЕРАТУРА...................................................................................153

ПРИЛОЖЕНИЕ А..............................................................................168

ПРИЛОЖЕНИЕ Б...............................................................................171

ПРИЛОЖЕНИЕ В...............................................................................192

ПРИЛОЖЕНИЕ Г...............................................................................199

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

В настоящее время к проектированию и эксплуатации электрических сетей и систем защиты электроустановок низкого напряжения выдвигают повышенные требования, что обусловлено задачей экономии и рационального использования энергоресурсов, ростом протяженности низковольтных электрических сетей и мощности оборудования, а также необходимостью бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей даже в случае короткого замыкания на одном из участков [5, 24, 44].

На данном этапе развития энергетики уделяется большое внимание методам оценки эффективности функционирования оборудования цеховых сетей [64, 142]. В этой связи, актуальное значение приобретают вопросы, связанные с совершенствованием методов и критериев оценки качества эксплуатации оборудования электрических сетей 0,4 кВ, которые позволяют осуществлять мероприятия, направленные на снижение потерь и повышение надежности функционирования [103, 133].

В связи с развитием электрических цеховых сетей промышленных предприятий, увеличением передаваемой по ним мощности и ростом общей протяженности линий электропередач до 1 кВ, которые представляют собой совокупность распределительных устройств, защитных и пусковых аппаратов и собственно электрических сетей, необходима разработка методик эффективности функционирования низковольтных коммутационных аппаратов, которые являются основными элементами управления и защиты цеховых сетей [95].

Широкая автоматизация производственных процессов. внедрение автоматизированных систем управления в промышленности требуют применения долговечных и простых в эксплуатации низковольтных коммутационных аппаратов, которые должны удовлетворять основным требованиям к ним и

внутрицеховым сетям в целом - необходимостью обеспечения требуемой степени надежности электроснабжения технологического оборудования [5, 96].

Для решения проблемы снижения потерь электроэнергии в цеховых сетях разработаны разнообразные мероприятия, которые обычно внедряются на основе предварительных расчетов потерь [23, 45, 95]. Результаты испытаний показали, что сопротивление контактов и контактных соединений низковольтных коммутационных аппаратов оказывается соизмеримым с сопротивлением линий, и в связи с этим требуется его учет при определении потерь электроэнергии в цеховых сетях. Поэтому возникает задача оценки характеристик коммутационных аппаратов [34, 114, 151].

Основными вопросами управления электросетевыми и промышленными компаниями являются обеспечение качества энергии и надежности сети [10, 133]. Многие компании направляют усилия на оптимизацию оперативно-диспетчерского управления и сокращение расходов на всем сроке службы всех компонентов сети. Анализ постоянных затрат вследствие износа сетей является важной составляющей этой деятельности.

При управлении активами распределительных сетей особенно низкого напряжения необходимо одновременно обрабатывать и анализировать множество различных данных [133]. Эго влияет и на задачи планирования развития сетей, которые становятся все более сложными. Кроме того, при рассмотрении задач по развитию сетей и обеспечению их надежности, необходимо учитывать экономические и экологические аспекты [65, 133]. Таким образом, необходимы современные методики и средства, упрощающие принятие решения по управлению электрическими сетями.

Решение задачи оценки уровня потерь и анализа надежности оборудования низковольтных цеховых распределительных сетей, которые имеют свои особенности [133], требует большого количества статистических данных. При исследовании надежности и уровня потерь необходима разноплановая информация о техническом состоянии коммутационных аппаратов и их

контактных систем. Учет параметров технического состояния аппаратов позволяет уточнять результаты вычислений.

В современных условиях требования к качеству электроснабжения потребителей постоянно растет. Для защиты электрических сетей напряжением до 1 кВ применяют [24] большое количество типов низковольтных коммутационных аппаратов, таких как автоматические выключатели, электромагнитные пускатели, контакторы, которые должны удовлетворять высоким показателям надёжности [66]. Одним из достоверных способов определения качества данных изделий является проведение выборочных испытаний различных видов, в том числе и на коммутационную износостойкость.

На сегодняшний день отечественное и зарубежное аппаратостроение интенсивно развивается [84, 90]. Совершенствуются и разрабатываются аппараты, появляются новые направления на таких заводах-изготовителях как Курский электроаппаратный завод (КАЭЗ), Интерэлектрокомплект (ИЭК), EKF Electrotechnica, Eaton (Moelier), ABB, Legrand, Schneider Electric и другие, становятся все более разнообразными области применения аппаратов и ужесточаются требования к ним [52-63]. При всем многообразии аппаратов при эксплуатации низковольтных сетей существует проблема в подборе оборудования, отвечающего требуемым характеристикам [72], так как не все технические параметры аппаратов бывают указаны в паспортных данных. В частности, не всегда указывается сопротивление силовой цепи аппарата, а также нет требований и ГОСТов на сопротивления контактных систем коммутационных аппаратов.

Все фирмы-производители гарантируют надежную работу коммутационных аппаратов собственного производства. Причем форма представления их рекомендаций по выбору аппаратов управления и защиты основывается исключительно на собственных экспериментальных данных и не поддается анализу с точки зрения режимов работы системы электроснабжения [50] и взаимозаменяемости с оборудованием других фирм-производителей.

Это существенным образом ограничивает проектировщиков и эксплуатационный персонал в выборе аппаратов управления и защиты [133]. Такая ситуация, во-первых, препятствует применению оборудования с наилучшими характеристиками при разработке проектной документации. А во-вторых, фактически «привязывает» проектную, а в дальнейшем и эксплуатирующую организацию к конкретным маркам аппаратов. В некоторой степени это снижает надежность и гибкость систем электроснабжения [66, 71], а также создает опасность уменьшения конкурентной борьбы на рынке низковольтного оборудования.

Поскольку в справочной литературе информация о сопротивлениях контактных систем большинства коммутационных аппаратов либо отсутствует, либо носит весьма приближенный характер [80, 150], возникает задача необходимости исследования закономерностей изменения сопротивлений контактов и контактных соединений различных групп аппаратов экспериментальными и расчетными методами. Многообразие конструктивных решений и отсутствие единого подхода к анализу технического состояния контактных систем аппаратов [137] также затрудняет определение функциональных возможностей низковольтных коммутационных аппаратов.

Повышение информативности экспериментальных и теоретических исследований эксплуатационных характеристик низковольтных коммутационных аппаратов является актуальной задачей. Результаты таких исследований, являющиеся обязательной частью новых разработок, также необходимы для контроля технологического процесса производства [50] в соответствии с требованиями российских и международных стандартов.

В развитие теории контактных соединений коммутационных аппаратов большой вклад внесли работы ученых О.Б. Брона, А.Б. Власова, А.Г. Годжелло В.Г. Дегтяря, Е.Г. Егорова, P.C. Кузнецова, К.К. Намитокова, В.Т. Омельченко, В.И. Раховского, И.С. Таева, Р. Хольма, В.М. Юркевича и других ученых. Это сделало возможным разработку новых методик расчета параметров качества функционирования контактных систем низковольтных коммутационных

аппаратов. Как показывает опыт разработки и производства низковольтных коммутационных аппаратов в ОАО «ВНИИР-Прогресс» и на ЗАО «ЧЭАЗ» данные методики при их применении для расчетов в сложных цеховых электрических сетях отличаются трудоемкостью. Поэтому поставленная задача алгоритмизировать метод расчета параметров эффективности функционирования контактных систем низковольтных коммутационных аппаратов с использованием данных об их техническом состоянии является актуальной задачей.

В последние годы чрезвычайно остро стоит проблема замены оборудования, которое отработало свой ресурс. На протяжении длительного времени не было необходимого финансирования для комплексной модернизации сетей, отставание по времени, когда необходимо было проводить модернизацию, достигло 12 лет [44, 64, 133, 140]. Ранее в государственных компаниях подобных ситуаций не возникало, вопрос ставился достаточно строго. Все было расписано - и по окончании срока эксплуатации оборудования шла его реконструкция, модернизация или замена.

Сейчас приходится отходить от заданных норм периодичности ремонта и замены оборудования, оценивать его реальное состояние, и на основании этого принимать решение о его дальнейшей эксплуатации [64]. В настоящее время требуется проведение не регламентированного, а зависящего от состояния оборудования ремонта или его замены. Поэтому возникает задача в определении характеристик надежности, в моделировании закономерностей изменения потерь мощности и разработке методики оценки функциональных параметров низковольтных контактных систем коммутационных аппаратов в процессе их эксплуатации.

Таким образом, исследования, направленные на совершенствование методов и алгоритмов оценки эффективности функционирования контактных систем низковольтных коммутационных аппаратов, применяемых в цеховых сетях [72. 83], методов расчета параметров надежности низковольтных коммутационных аппаратов [37, 41, 128] с использованием данных об их техническом состоянии имеют важное научное и практическое значение.

Вышеописанные задачи исследований имеют важное и экономическое значение, в связи с тем, что объем и номенклатура коммутационных аппаратов ежегодно растут, и стоимость их становится соизмеримой со стоимостью управляемого ими электрооборудования, а в отдельных случаях даже превышает последнюю.

Актуальность рассматриваемых в диссертации вопросов, подтверждается необходимостью повышения эффективности эксплуатации аппаратов и цеховых сетей, что является актуальной проблемой теории и практики электроаппаратостроения и систем электроснабжения.

Цель и задачи работы

Целью работы является разработка методики и алгоритмов оценки эффективности функционирования контактных систем низковольтных коммутационных аппаратов с учетом их технического состояния, а именно с учетом сопротивления контактов и контактных соединений аппаратов и потерь мощности в контактных системах.

В диссертационной работе в соответствии с целью поставлены и решены следующие научные и практические задачи:

- разработка алгоритмов и моделей определения сопротивлений контактов и контактных соединений и потерь мощности в контактных системах низковольтных коммутационных аппаратов;

- разработка методики и алгоритмов оценки эффективности функционирования контактных систем низковольтных коммутационных аппаратов, применяемых в цеховых сетях электроснабжения, с учетом их технического состояния;

- реализация указанных алгоритмов для уточнения функциональных параметров и управления режимами эксплуатации внутрицеховых электрических сетей.

Методы исследования

Методы исследований определялись содержанием каждой решаемой задачи и базировались на использовании положений теории обработки результатов экспериментов, теории электрических цепей, статистической теории погрешностей, теории вероятностей и математической статистики, теории надежности.

Научная новизна

Научная новизна работы заключается в следующ