Исследование технических параметров магнитных пускателей и рубильников, устанавливаемых в цеховых сетях

Низковольтные коммутационные аппараты (НКА) являются важнейшей частью всех электрифицированных объектов промышленного назначения ( Аполлонский и др., 2016 ). Поэтому к качеству функциональных характеристик НКА предъявляют высокие требования. НКА подвергаются одновременно одному или нескольким воздействующим факторам в процессе эксплуатации, хранения и транспортировки. Отдельные из этих факторов – как внутренние, так и внешние – можно рассматривать в качестве дестабилизирующих. Совокупность таких воздействий ведет к снижению параметров надежности, уменьшению механической прочности, ложным срабатываниям и, в конечном счете, может привести к отказу аппарата. Уровень надежности НКА в основном зависит от скорости износа коммутационных контактов ( Садыков, 2017; Gheorghita et al., 2017 ). Факторы, определяющие скорость износа контактных соединений и дальнейший возможный отказ аппарата, представлены на рис. 1.

Рис. 1. Факторы отказа низковольтных коммутационных аппаратов

Fig. 1. Failure factors of low-voltage switching devices

Одним из основных критериев износа контактов для большинства контактных соединений является величина провала контактов. Другим важным фактором, влияющим на износ контактов и контактных соединений НКА, является дуга, возникающая при цикле включение – отключение ( Егоров и др., 2019; Shin et al., 2018; Ruempler et al., 2014 ). Процессы, происходящие при возникновении дуги, вызывают плавление и испарение материала контакта ( Shin et al., 2017 ). Степень износа контактов НКА в процессе коммутации зависит от значения тока, протекающего через аппарат, материала контактов, а также конструктивных и массогабаритных особенностей аппарата ( Hadziefendic et al., 2019; Lyuminarskaja et al., 2018 ).

В процессе эксплуатации аппарата не должно быть недопустимого перегрева аппарата в целом и его отдельных элементов, это требование необходимо соблюдать на протяжении всего срока службы НКА. Как известно, контактное сопротивление НКА представляет собой дополнительный источник потерь ( Andruşcă et al., 2016; Deac et al., 2019 ). Допустимые превышения температур контактов НКА определяются условиями эксплуатации и зависят от температуры окружающей среды, давления, режима работы и применяемых материалов ( Calin et al., 2020; Derevyankin et al., 2020 ). Нагрев контактных соединений НКА происходит под воздействием различных источников тепла, интенсивность которых меняется в зависимости от режима работы и нагрузки аппарата ( Егоров и др., 2018; Gonzalez et al., 2018 ). Различные части и узлы НКА при протекании тока нагреваются неравномерно, поэтому температура контактных соединений обычно выше, чем температура прилегающих к нему проводников.

Целью работы является исследование и оценка величины сопротивлений контактных соединений НКА экспериментальным и расчетным методами. Полученные результаты исследования позволят в дальнейшем определять значения потерь электроэнергии в сетях напряжением до 1 кВ с высокой достоверностью.

Материалы и методы

Как показывает практика, учет сопротивлений НКА позволяет повысить точность определения потерь в низковольтных сетях электроснабжения и определить проблемные участки сети с точки зрения энергоэффективности ( Абдуллазянов и др., 2022; Грачева и др., 2019 ). Неучет таких параметров сети как температура нагрева проводников, температура окружающей среды и сопротивления НКА приводит к существенным погрешностям при определении потерь электроэнергии в сетях до 1 кВ ( Абдуллазянов и др., 2021; Грачева и др., 2018 ).

Для эффективного функционирования НКА мощность, потребляемая аппаратом при его эксплуатации и рассеиваемая в нем, должна быть минимальной ( Шагидуллин, 2017 ). Поэтому вопрос исследования потерь в НКА является актуальной задачей для достоверного моделирования основных технических характеристик низковольтных сетей ( Петров и др., 2023; Ye et al., 2023; Kim et al., 2019 ).

Анализ большинства паспортных и каталожных данных НКА показывает, что в них не приводятся все основные технические характеристики. Не представлены значения сопротивлений большей части элементов НКА, так, например, нет данных о сопротивлениях силовых цепей и контактов аппаратов. При этом, как показывают исследования статистических данных отказов магнитных пускателей, наиболее слабыми элементами аппарата являются его силовые контакты ( Буторин и др., 2019 ). Данные, которые содержатся в каталогах, как правило, носят приближенный характер, в связи с чем возникает необходимость исследования законов изменения сопротивлений контактных соединений НКА.

В табл. 1 представлены основные каталожные данные магнитных пускателей ПМЛ и рубильников РЕ19, выпускаемых Курским электроаппаратным заводом (КЭАЗ).

Таблица 1. Основные каталожные характеристики коммутационных аппаратов Table 1. Main catalog characteristics of switching devices

Тип аппарата	Номинальный ток I ном , А	Коммутационная износостойкость, циклов	Механическая износостойкость, циклов	Потери мощности ∆ P , Вт	Стоимость, руб.
Магнитный	6–63	1·106	10·106	0,2–4,2	1 195–5 280
пускатель ПМЛ (КЭАЗ)	80–95	1·106	5·106	5,1–7,2	7950
Рубильник	100	нет данных	25·103	1,4	9 662
РЕ19 (КЭАЗ)	250–630	нет данных	10·103	5,4–26,2	11 575–17938

Проведем оценку сопротивлений контактных соединений аппаратов в зависимости от номинального тока и коэффициента загрузки по выражению

R кс.расч.

2 ^X-F ■ кт ■ S P

12 -p-(1 + а-Ук)^ F ■ кт ■ S    J,

где X - теплопроводность материала контакта, для меди X = 390 Вт/(м-К); F - охлаждающая поверхность единицы длины проводника, м2 (F = 2-(a + b)-10-3 - прямоугольное сечение; F = 2пr-10-3 - цилиндрическая поверхность); кт - коэффициент теплоотдачи, для меди кт = 16 Вт/(м2-К); S - площадь поперечного сечения контактов, м2 (S = a■ b - прямоугольное сечение; S = пr2 - цилиндрическая поверхность); I - ток, проходящий через контакты, А; ик - температура контактных площадок, °С; 9к = 45°С - допустимый перепад температуры контакта относительно температуры окружающей среды; р - удельное электрическое сопротивление, для меди р = 1,7^ 10-8 Ом^м; а - температурный коэффициент сопротивления, а = 0,0043.

Определим установившееся значение температуры контакта из условия равенства между выделенной в контакте и отводимой с его поверхности тепловыми мощностями

I2 ■р + и ■ F■ к ■ S

• V, =------------ ⁰----;---т----,

к F■ кт ■ S-12-р-а где и0 - температура окружающей среды, и0 = 35 °С.

По выражению (1) для магнитного пускателя ПМЛ с I _ном = 40 А, коэффициент загрузки К_зг = 1, сопротивление контактных соединений R кс.расч.мп

„           2 ■ J 390 ■ 2 ■ (8,1 + 8,1) - IO ^{- 3} - 16 ■ (8,1 - 8,1) - 10 ^{- 6} )

R      =__*х кс.расч.мп4()2

402-1,7-10-8 ■ (1 + 0,0043 ■ 35,9)

--------------5---------------т = 6,34 мОм. 2 ■ (8,1 + 8,1)-10-3-16 ■ (8,1-8,1)-10-6 J где ик по (2):

40 2 - 1,7 - 10 ^{- 8} + 35 ■ 2 ■ (8,1 + 8,1) - 10 ^{- 3} - 16 ■ (8,1 - 8,1) - 10 ^{- 6} 2 ■ (8,1 + 8,1) - 10 ^{- 3} - 16 ■ (8,1 - 8,1) - 10 ^{- 6} - 40 2 - 1,7 - 10 ^{- 8} ■ 0,0043

= 35,9 ° С.

Результаты и обсуждение

Результаты расчетов сопротивлений контактных соединений и температуры контактных площадок для исследуемых аппаратов приведены в табл. 2.

Таблица 2. Результаты расчета технических характеристик коммутационных аппаратов Table 2. Results of calculation of technical characteristics of switching devices

Тип аппарата	Ток I ном , А	Размеры контактов, мм	Температура контактных площадок и к, ° С	Сопротивление контактных соединений, R кс.расч. , мОм
Магнитный пускатель ПМЛ	25	r = 4	35,6	12,6
	40	a = 8,1 b = 8,1	35,9	6,34
	63	a = 12 b = 12	35,7	4,35
Рубильник РЕ19	100	a = 10 b = 16	36,5	1,98
	250	a = 20 b = 20	37,4	0,61
	400	a = 25 b = 25	38,2	0,32
	630	a = 35 b = 35	37,8	0,22

На рис. 2 представлены графические зависимости температуры контактных площадок и к от коэффициента загрузки К_зг для магнитного пускателя марки ПМЛ с номинальным током 25 А и 40 А.

Графические зависимости (рис. 2) показывают, что температура контактных площадок магнитных пускателей с номинальным током 25 А и 40 А увеличивается незначительно: при коэффициенте загрузке аппарата К_згмп = 0,5 температура и _кмп = 35 °С, при перегрузке аппаратов - К_згмп = 2,0 температура и _кмп повышается до 38 °С. В расчетном выражении увеличения температуры и _к не учитывается влияние элементов установленного в цепи аппарата оборудования. Также в расчете не учитывается длительность протекания тока перегрузки.

Аналогичные зависимости представлены для рубильников РЕ19 (рис. 3).

Рис. 2. Графики зависимостей температуры контактных площадок от коэффициента загрузки для магнитного пускателя ПМЛ: 1 – I ном = 40 А; 2 – I ном = 25 А

Fig. 2. Graphs of dependences of contact area temperature on the loading factor for the magnetic starter PML: 1 – I nom = 40 A; 2 – I nom = 25 A

Рис. 3. Графики зависимостей температуры контактных площадок от коэффициента загрузки для рубильника РЕ19: 1 – I _ном = 400 А; 2 – I _ном = 250 А; 3 – I _ном = 100 А

Fig. 3. Graphs of dependences of contact area temperature on the loading factor for the switch RE19: 1 – I nom = 400 A; 2 – I nom = 250 A; 3 – I nom = 100 A

Графические зависимости (рис. 3) показывают, что для рубильника РЕ19 на номинальный ток 100 А температура контактных площадок и _кр повышается с 36,5 °С при номинальном значении до 41 °С при двукратной перегрузке током аппарата. При номинальном токе 250 А и коэффициенте загрузке рубильника К згр = 0,5 температура и _кр составила 35,6 °С, при загрузке К згр = 2,0 температура повышается до 45 °С. Расчет температуры и _кр для рубильника на номинальный ток 400 А показал, что при увеличении загрузки с К згр = 1,0 до К згр = 2,0 значение температуры увеличивается с 38,2 до 48 °С.

Полученные значения температуры нагрева контактных площадок удовлетворяют требованиям ГОСТ 403-731. Максимально допустимая температура контактных соединений из меди для магнитных пускателей и рубильников не должна превышать 95 °С, а допустимое превышение температуры контактов НКА при температуре окружающей среды 40 °С составляет 55 °С.

В результате экспериментальных исследований выявлены зависимости сопротивлений контактов НКА от номинального тока (табл. 3). Погрешность полученных аппроксимирующих функций не превышает 5 % ( Грачева и др., 2021 ).

Таблица 3. Зависимости сопротивлений контактов коммутационных аппаратов от номинального тока Table 3. Dependence of contact resistance of switching devices on rated current

Тип аппарата	Номинальный ток, I ном	Аппроксимирующая функция
Магнитный пускатель	I ном < 70 А	R     = 825 кс.эксп.мп ном
	I ном ≥ 70 А	R     = 760 кс.эксп.мп ном
Рубильник	для любых I ном	68 1 ^кс.эксп.р     Т ном

Используя данные исследований, проведем сравнительный анализ графических зависимостей сопротивлений контактных соединений от номинального тока, полученных экспериментально и расчетным способом для рассматриваемых магнитных пускателей и рубильников (рис. 4, 5).

Рис. 4. Графики зависимостей сопротивлений контактных соединений от номинального тока для магнитных пускателей ПМЛ: 1 – экспериментальные данные R кс.эксп.мп ; 2 – расчетные значения R кс.расч.мп Fig. 4. Graphs of contact resistance dependences on rated current for PML magnetic starters:

Рис. 5. Графики зависимостей сопротивлений контактных соединений от номинального тока для рубильников РЕ19: 1 – расчетные значения R кс.расч.р ; 2 – экспериментальные данные R кс.эксп.р Fig. 5. Graphs of contact resistance dependences on rated current for switches RE19:

Оценим погрешность результатов расчетного метода относительно экспериментально полученных данных

n

8 = - Z n i=1

^R кс.расч i    ^R кс.эксп i

R кс.эксп

• 100%

где n – количество измерений.

Для магнитных пускателей марки ПМЛ погрешность

Г 101,3 - 141,8 ^

I 141,8 J +

Г 2,04 - 8,28 \

Л 8,28 J

• 100% = - 57,55%.

Для рубильников марки РЕ19 погрешность

Г 1,912 - 0,68 \

I 0,68 J +

Г 0,203 - 0,108 \

Y 0,108 J

• 100% = 118,94%.

Проведенные исследования и графические зависимости (рис. 4, 5) показывают, что расчетный и экспериментальный способы определения сопротивлений контактных соединений магнитных пускателей ПМЛ и рубильников РЕ19 имеют значительное различие в полученных результатах. При этом наиболее достоверным является экспериментальный метод определения сопротивлений контактных соединений. Для магнитных пускателей погрешность расчетного метода составляет –57,55 %, для рубильников средняя погрешность – 118,94 %. Поэтому расчетный метод не может быть рекомендован для достоверных оценок технических параметров исследуемых аппаратов.

Зависимости изменения сопротивления контактов и контактных соединений могут быть рекомендованы для прогнозирования технического состояния электрооборудования внутризаводского электроснабжения и уточнения величины потерь электроэнергии в низковольтных сетях.

Заключение

В результате проведенных исследований получены расчетные зависимости оценки температуры контактных площадок магнитных пускателей и рубильников от значения коэффициента загрузки аппарата. Разработаны модели расчетных и экспериментальных зависимостей сопротивлений контактных соединений магнитных пускателей и рубильников от величины номинального тока. Аппроксимирующие функции (табл. 4) позволяют оценивать значения сопротивлений контактов и контактных соединений НКА.

Таблица 4. Аппроксимирующие функции зависимостей сопротивлений контактов и контактных соединений коммутационных аппаратов от номинального тока

Table 4. Approximating functions of dependences of resistance of contacts and contact connections of switching devices on rated current

Тип аппарата	Номинальный ток I ном, А	Аппроксимирующая функция
Магнитный пускатель ПМЛ	6–630	R epack = 1276,2 • I ном^
		R с.эксп.мп = 894,51 • I ном - 1,028
Рубильник РЕ19	100–1 600	R с.расч.р = 521,9 • I ном - 1,218
		R    = 68 1 кс.эксп.р     T ном

Выявлены функциональные закономерности изменения значений сопротивлений НКА. Разработанные зависимости могут быть использованы для вычисления значений эквивалентных сопротивлений внутрицеховых сетей электроснабжения при определении величины потерь электроэнергии. Уточнение значений потерь в цеховых сетях позволяет наиболее эффективно планировать мероприятия по энергосбережению, а также осуществлять контроль за техническим состоянием электрооборудования.

На основании проведенных исследований технических характеристик магнитных пускателей и рубильников, устанавливаемых в цеховых сетях, предлагается принимать параметр сопротивления контактов и контактных соединений как один из критериев энергоэффективности НКА. Предлагаемый критерий рекомендуется для выбора наиболее эффективных в эксплуатации типов электрооборудования.