Алгоритмы и модели потерь мощности в автоматических выключателях, устанавливаемых в цеховых сетях

e-mail: , ORCID:

e-mail: , ORCID:

Повышение эффективности систем передачи электроэнергии требует детального анализа работы электрических сетей низкого напряжения, выявления очагов наибольших потерь, разработки способов модернизации и внедрения энергосберегающих мероприятий ( Зорин и др., 2015 ).

В современных условиях для развития электротехнических комплексов необходимо увеличение произведенной электроэнергии при ужесточении контроля эффективности ее использования. Потери электроэнергии в процессе ее производства и потребления являются составной частью общего расхода электроэнергии.

Величина потерь мощности и количества электроэнергии существенно влияет на эффективность эксплуатации электрических сетей. Стоимость потерь входит в состав как общей расчетной стоимости (приведенных затрат), так и себестоимости (годовых эксплуатационных расходов) процессов передачи и распределения электроэнергии. Доля потерь в общей стоимости процесса передачи электроэнергии имеет значительную величину (35–45 %), поэтому для энергоэффективной эксплуатации систем внутризаводского электроснабжения следует поддерживать рациональное соотношение между стоимостью потерь и стоимостью общего расхода электроэнергии ( Клеев и др., 2017 ).

В настоящее время изменяются требования к учету потерь мощности и количества электроэнергии во внутрицеховых системах электроснабжения. Эти изменения обусловлены сложностью определения параметрических и режимных данных систем электроснабжения. Достоверность информации об элементах электрооборудования значительно повышает энергоэффективность эксплуатации систем электроснабжения ( Муратаева и др., 2018 ).

Материалы и методы

В процессе эксплуатации промышленных электротехнических комплексов наблюдаются тенденции как увеличения, так и уменьшения расхода электроэнергии. Применение автоматизации производственных процессов, замена в технологических циклах пара на электроэнергию способствуют росту потребления электроэнергии; использование систем "умные сети", "интеллектуальных счетчиков", энергосберегающих технологий приводит к уменьшению расхода электроэнергии. При этом актуальной задачей становится разработка новых подходов к поиску резерва экономии электроэнергии на основе повышения достоверности информации о потерях мощности и электроэнергии в элементах систем внутрицехового электроснабжения.

К структуре и оборудованию внутрицехового электроснабжения предъявляются требования энергоэффективности и максимальной экономичности. Большое значение приобретают разработка алгоритмов оценки технических параметров низковольтного электрооборудования и применение методов прямого поиска оптимума. В основу решения поставленных задач должны быть положены аналитические зависимости между приведенными затратами на электроснабжение и передаваемую мощность ( Гайибов и др., 2018 ). Для рационального регулирования режимов электропотребления необходимо повышение точности прогнозирования электропотребления и выявления основных факторов, от которых зависит величина расхода электроэнергии с учетом уровня потерь во всех элементах системы электроснабжения.

Топология внутрицеховых низковольтных сетей промышленного электроснабжения определяется протяженностью, разветвленностью и значительным количеством коммутационной аппаратуры низкого напряжения ( Власюк и др., 2018 ). Поэтому для анализа и оценки потерь мощности и количества электроэнергии в электрических сетях низкого напряжения необходимы данные о величине потерь в контактных соединениях низковольтных электрических аппаратов, существенно влияющей на уровень общих потерь ( Егоров и др., 2018 ).

Низковольтные коммутационные электрические аппараты характеризуются, как правило, сложностью конструкции. Эффективность функционирования аппаратов определяется их надежностью и качеством эксплуатации.

Автоматические выключатели предназначены для работы с длительным замкнутым состоянием контактов, что определяет необходимость стабильного уровня величины сопротивлений контактных групп аппаратов.

Для повышения эффективности функционирования электрооборудования внутрицеховых систем электроснабжения целесообразно осуществлять достоверный анализ элементов оборудования цеховых сетей и факторов, определяющих показатели процесса работы ( Колодяжный, 2016; Муханов и др., 2015 ). При этом проведение детального анализа требуется для такой технической характеристики, как потери активной мощности в коммутационной аппаратуре низкого напряжения. Величины потерь мощности и потребляемой мощности в низковольтных коммутационных аппаратах зависят от следующих факторов ( Родионов, 2019; Варнавский и др., 2016 ):

• –    значения номинального тока электрического аппарата, A;

• –    формы и размеров контакта, определяемых номинальным током, структурой контактных групп, ресурсом аппарата и числом циклов включения-отключения;

• –    материала контактных деталей;

• –    сечений токопроводящих частей аппарата.

Рассмотрим литые автоматы, пользующиеся наибольшей популярностью на отечественном рынке электрооборудования.

Автоматический выключатель в литом корпусе – это коммутационный аппарат, предназначенный для проведения тока в нормальном режиме, защиты оборудования и силовой цепи при возникновении перегрузки или короткого замыкания ¹ .

Основные технические каталожные данные автоматов, выпускаемых Курским электроаппаратным заводом и зарубежными производителями Schneider Electric (Франция), Legrand (Франция), ABB (Швейцария), представлены в табл. 1.

Таблица 1. Основные технические каталожные данные автоматов Table 1. Basic technical characteristics of machines

Тип и завод-изготовитель автоматического выключателя	Значение потерь активной мощности на полюс, Вт	Коммутационная износостойкость, циклов	Механическая износостойкость, циклов	Габаритные размеры (Ш×В×Г), мм	I ном , А	U ном , В
ВА57-31 (Курский электроаппаратный завод)	7,5	10 000	16 000	75×125×117	100	690AC
NSX100 TM-D (Schneider Electric)	8,8	10 000	50 000	140×160×86	100	690АС
DPX 3 160 c термомагнитным расцепителем (Legrand)	7,8	8 000	25 000	81×115×100	100	690AC
Tmax XT1 TMD (ABB)	10	8 000	25 000	76,2× 130×70	100	690AC

Анализ данных табл. 1 показал, что основные технические параметры автоматических выключателей рассматриваемых заводов-изготовителей имеют близкие значения. При этом необходимо отметить, что автоматические включатели серии ВА57-31 имеют наименьшее значение потерь мощности на полюс (7,5 Вт), а автоматы Tmax XT1 TMD – наибольшее значение (10 Вт). Следовательно, в процессе работы наименьшие потери мощности будут иметь место в цеховых сетях низкого напряжения с автоматическими выключателями ВА57-31, а наибольшее – с автоматами Tmax XT1 TMD.

В зависимости от номинального тока аппарата его потери мощности будут различными. По каталожным данным построим зависимости потерь мощности от номинального тока I (рис. 1) для автоматических выключателей (ВА57-31, NSX100 TM-D, DPX ³ 160, Tmax XT1 TMD).

Рис. 1. Графики зависимостей потерь активных мощностей в функции номинальных токов автоматов различных заводов-изготовителей Fig. 1. Dependency graphs of active power losses as a function of rated currents of automatic machines of different manufacturers

В нормативной документации по низковольтным электрическим аппаратам ВА57-31, NSX100 TM-D, DPX ³ 160, Tmax XT1 TMD, как правило, не указываются достоверные данные о сопротивлениях контактов и потерях мощности в контактных системах, вследствие чего актуальными задачами являются детальный анализ и выявление функциональных зависимостей динамики величины потерь активной мощности от основных технических характеристик ( Ионцева и др., 2015 ).

Аппроксимируем полученные графические зависимости величины потерь мощности в функции номинального тока ( Feizifar et al., 2019; Lei et al., 2017; Safin et al., 2019 ).

График функции для автоматического выключателя ВА57-31 можно представить следующими функциями:

F _1BA ( I ) = - 1,95 + 0,28I - 7,4 ■ 10 ^{- 4} 1 ² ,

F   (I) = 20,26 - 37,95е ^-0,⁰²⁵¹ ,

2ВА

F3BA(I) = -4,12 + 143,98e-0,1I -8,4-10—412 + 0,3U, где F1ba (I), F2BA (I), F3BA (I) — функциональные зависимости значений потерь активной мощности в автомате ВА-57 от величины номинального тока; I – величина номинального тока ВА-57.

Графические зависимости F _1BA ( I ), F _2BA ( I ), F _3BA ( I ) показаны! на рис. 2.

∆P, Вт

50       60       70       80       90      100      110      120

I, А

F 1

F 2

F 3 ∆P

Рис. 2. Графические функциональные аппроксимирующие характеристики Д Р = F ( 1 _ном ) для ВА57-31 Fig. 2. Graphic functional approximating characteristics Д Р = F ( 1 ном ) for BA57-31 automatic machine

Определим аппроксимирующие функции зависимостей величины потерь мощности от значений номинальных токов автоматов NSX100 TM-D, DPX ³ 160, Tmax XT1 TMD.

Аппроксимирующую функцию можно представить следующими выражениями:

• – для автоматического выключателя NSX100 TM-D:

F 1 _NSX ( I ) = 0,78 + 0,11 I - 1,23 ■ I0 ^-4 1 ² , F 2 nsx ( I ) = 29,42 - 29,18e ^{- 4,001d} 0^{(-3) 1} , F _{3 NSX} ( I ) = 17 - 1 067 е ^{-0,1 1} + 5,97 - 10 -4 1 ² - 0,14 I ;

– автоматического выключателя DPX ³ 160:

F 1DPX (I) = 7,46 - 0,131 + 0,15 - 10 ^{- 4} 1 ² , (- )

F 2DPX ( I ) = 2,23 ' 10 - 2,23 ' 10 е ,          ,

F _3DPX ( I ) = 20,37 - 516,21 e ^{- 0,1} I + 0,28 . 10 -4 1 ² - 0,39 1 ;

– автоматического выключателя Tmax XT1 TMD:

Fi T max (I ) =- 0,55 + 0,12 I - 2,95 - 10 -4 12 , it /       1 1 ic 1 л —9,692-10⁽ )^ I

F 2Tmax ⁽ I) = ^{13,97 - 15,34 е} ,          ,

F3Tmax (I) = 5,48 - 241,05e-0,1I + 2,94 -10-412 - 4,65 -10-31, где F1 (I), F2 (I), F3 (I) — функциональные зависимости значений потерь активной мощности в автоматах NSX100 TM-D, DPX3 160, Tmax XT1 TMD от величины номинального тока; I – величина номинального тока.

Графические зависимости AP = F ( 1 _ном) для автоматов NSX100 TM-D, DPX 3 160, Tmax XT1 TMD показаны на рис. 3–5.

Рис. 3. Графические функциональные аппроксимирующие характеристики

AP = F ( 1 _ном) для NSX100 TM-D

Fig. 3. Graphic functional approximating characteristics AP = F ( I _H0M)

for NSX100 TM-D automatic machine

F 1

F 2

F 3

∆P

Рис. 4. Графические функциональные аппроксимирующие характеристики AP = F ( 1 _ном) для DPX ³ 160 Fig. 4. Graphic functional approximating characteristics AP = F ( I _H0M) for DPX ³ 160 automatic machine

Рис. 5. Графические функциональные аппроксимирующие характеристики

AP = F ( 1 ном ) для Tmax XT1 TMD

Fig. 5. Graphic functional approximating characteristics AP = F ( 1 ном ) for Tmax XT1 TMD automatic machine

Определим среднеквадратическое отклонение полученных функций от паспортных данных по выражению

S = ^(F (Ii) -APi )2, где F(Ii) - значение полученной функции при заданной величине номинального тока; Ар. - паспортная величина активных потерь.

Результаты и обсуждение

В процессе исследования определены зависимости изменения потерь мощности на полюс от номинального тока – аппроксимирующие функции, имеющие наименьшее среднеквадратическое отклонение (табл. 2).

Таблица 2. Результаты расчета величины S =    ( F ( I i ) - A p ) ² для исследуемых автоматов

Table 2. Results of calculating the value S =     ( F ( I i ) - AP i ) ² for automatic machines under study

Вид функции аппроксимации	S
ВА57-31
F 1 BA ( I ) = - 1,94 + 0,27 1 - 7,35 ■ 10 -4 1 2	0,38
F ( I ) = 20,26 - 37,95е -0,025 1 2ВА	0,14
F 3BA ( I ) =- 4,12 + 143,97e -0,1I - 8,32 - 10 —4 1 2 + 0,31I	1,15
NSX100 TM-D
F nsx ( I ) = 0,78 + 0,11 I - 1,23 ■ 10 - 4 1 2	2,65
F2 nsx ( I ) = 29,42 - 29,18 е - 4,001 ' 10 ( — 3) 1	0,37
F 3NSX ( I ) = 16,94 - 1067 е -0,1 1 + 5,96 - 10 —4 1 2 - 0,14 I	2,63
DPX 3 160
F 1 DPX (I) = 7,46 - 0,131 + 0,15 . 10 - 4 1 2	1,46
T7      / г\ o m 1 a 6 n m 1 n6 —6,298-10( ) I F idpx ( I ) = 2,23 ’ 10 - 2,23 - 10 е ,	1,16
F 3 DPX ( I ) = - 20,37 + 516,21 e -0,1I + 0,28 ■ 10 1 1 2 - 0,39 I	7,76

Tmax XT1 TMD
F i T max (I) = - 0,55 + 0,12I - 2,95 • 10 — 4 12	0,81
17       / г\      1 о m । 1 с 1 л ~~9,692-10( ^)/ F i t max ( I ) = -13,97 + 15,34е ,	0,69
F 3Tmax (I) = - 241,05е -0,11 + 2,94 - 10 -4 12 - 4,65 - 10 -3 1 + 5,48	0,80

На рис. 6 приведены графики изменения потерь мощности для автоматических выключателей с загрузкой по току 0,5 I ном .

Рис. 6. Графические функциональные характеристики A P = F ( 1 _ном )

для автоматов ВА57-31, NSX100 TM-D, DPX ³ 160, Tmax XT1 TMD

Fig. 6. Graphic functional characteristics A P = F ( I _H0M )

for automatic machines ВА57-31, NSX100 TM-D, DPX ³ 160, Tmax XT1 TMD

Заключение

В процессе исследования автоматических выключателей отечественных и зарубежных производителей низковольтной аппаратуры (Курского электроаппаратного завода, Schneider Electric, Legrand и ABB) в соответствии с паспортными данными разработаны функциональные зависимости активных потерь от номинального тока A P = F ( I ном ) ; составлены! алгоритмы и аппроксимирующие функции данных характеристик и вычислена величина среднеквадратических отклонений полученных функций от паспортной величины активных потерь; определены зависимости изменения потерь мощности в автоматических выключателях от номинального тока – аппроксимирующие функции, имеющие наименьшее среднеквадратическое отклонение.

Сравнительный анализ технических характеристик автоматов ВА57-31, NSX100 TM-D, DPX ³ 160, Tmax XT1 TMD показал, что их основные параметры имеют близкие значения, однако наблюдаются различия в величинах потерь активной мощности на полюс аппарата. Наиболее энергоэффективными по потерям активной мощности являются аппараты серии ВА57-31 с наименьшей величиной потерь активной мощности на полюс (7,5 Вт). Системы внутрицехового электроснабжения крупных промышленных комплексов имеют в своем составе десятки тысяч единиц низковольтных электрических аппаратов, поэтому при оценке и анализе уровня потерь мощности и количества электроэнергии в таких системах целесообразно учитывать влияние электрической аппаратуры для повышения точности и достоверности данных о потерях.

Публикация выполнена при финансовой поддержке государственного задания Министерства высшего образования и науки Российской Федерации, проект № 0851-2020-0032 "Исследование алгоритмов, моделей и методов повышения эффективности функционирования сложных технических систем".