Определение законов изменения сопротивления контактных групп электрических аппаратов низкого напряжения

Грачева Е. И. и др. Определение законов изменения сопротивления контактных групп электрических аппаратов низкого напряжения. Вестник МГТУ. 2021. Т. 24, № 4. С. 350–360. DOI:

Gracheva, E. I. et al. 2021. Resistance change of contact groups of low-voltage electrical apparatus: Determining the laws. Vestnik of MSTU, 24(4), pp. 350–360. (In Russ.) DOI:

Для современных условий развития электротехнической промышленности характерным является увеличение номенклатуры выпускаемых электрических аппаратов низкого напряжения. В России низковольтная аппаратура выпускается такими заводами-изготовителями, как Курский электроаппаратный завод (КЭАЗ), Кашинский завод электроаппаратуры (КЗЭА), IEK, EKF. Зарубежными производителями аппаратуры низкого напряжения являются фирмы Schneider Electric, ABB, Legrand, SIEMENS и др. Обобщенные данные по группам производителей указаны в табл. 1.

Таблица 1. Виды и производители низковольтных аппаратов Table 1. Types and manufacturers of low-voltage devices

Вид	Производители
Автоматический выключатель	КЭАЗ, IEK, EKF, Schneider Electric, ABB, Legrand, SIEMENS
Предохранитель	КЭАЗ, КЗЭА, IEK, EKF, Schneider Electric, ABB, Legrand, SIEMENS
Магнитный пускатель	КЭАЗ, КЗЭА, IEK, EKF, Schneider Electric, ABB, Legrand, SIEMENS
Рубильник	КЭАЗ, IEK, EKF, Schneider Electric, ABB, Legrand, SIEMENS
Пакетный выключатель	EKF, Электротехник

Активно ведется создание фирм-производителей контактных аппаратов как в Российской Федерации, так и за рубежом. Разрабатываются новые конструкции аппаратов с дополнительными функциональными возможностями. В настоящее время заводы-изготовители контактных аппаратов в каталогах и прайсах, как правило, не предоставляют все технические параметры оборудования. Характеристика величины сопротивлений контактных систем в каталогах не приводится. Один из способов получения данных о величине сопротивлений контактов – метод амперметра-вольтметра ( Муханов и др., 2015; Федотов и др., 2013; Колодяжный, 2016 ), согласно которому по контактам при их включении пропускается постоянный или выпрямленный ток и измеряется значение падения напряжения.

Целью работы является исследование, анализ и оценка величины сопротивлений контактных соединений низковольтных коммутационных аппаратов, устанавливаемых на линиях цеховых сетей. Полученные в результате экспериментальных и теоретических исследований данные позволяют повысить достоверность определения эквивалентных сопротивлений цеховых сетей и, следовательно, уточнять значение потерь электроэнергии в системах внутризаводского электроснабжения.

Материалы и методы

Для определения метода экспериментальных исследований сопротивлений контактов силовых цепей низковольтных аппаратов проведен анализ влияния типа и времени воздействия протекающего через контакты тока. На рис. 1 представлена схема, позволяющая при проведении измерений и подключении аппарата через его контакты пропускать переменный ток значительной величины за существенный промежуток времени. На рис. 2 показана схема, позволяющая пропускать через контакты исследуемого аппарата выпрямленный ток величиной 7–8 А. Экспериментальные исследования сопротивления контактов с использованием схем (рис. 1 и 2) проведены на низковольтных электрических аппаратах фирм КЭАЗ, КЗЭА и EKF.

Рис. 1. Экспериментальная схема для исследования сопротивления контактных систем при питании от сети переменного тока: 1 – источник питания; 2 – линейный автотрансформатор; 3 – амперметр Э47; 4 – регулировочный резистор; 5 – трансформатор тока ТТ-УТТ-6М; 6 – электронный вольтметр VD-723;

• 7 – контактный аппарат для измерения сопротивления контактных систем

Fig. 1. Experimental circuit for studying the resistance of contact systems when powered from an alternating current network: 1 – power supply; 2 – linear autotransformer; 3 – E47 ammeter; 4 – adjusting resistor; 5 – TT-UTT-6M current transformer; 6 – VD-723 electronic voltmeter; 7 – contact device for measuring the resistance of contact systems

Рис. 2. Экспериментальная схема для исследования сопротивления контактных систем при питании от выпрямленного тока: 1 – источник переменного тока; 2 – автотрансформатор линейный;

3 – трансформатор; 4 – выпрямительный элемент 4AV5125; 5 – дроссель 4AV4101 (индуктивность);

6 – амперметр Э47; 7 – вольтметр VD-723; 8 – контактный аппарат для измерения сопротивления контактных систем; 9 – емкостный элемент

Fig. 2. Experimental circuit for studying the resistance of contact systems when powered from a DC source: 1 – AC source; 2 – linear autotransformer; 3 – transformer; 4 – 4AV5125 rectifier element; 5 – 4AV4101 choke (inductance); 6 – E47 ammeter; 7 – VD-723 voltmeter; 8 – contact device for measuring the resistance of contact systems; 9 – capacitive element

Таблица 2. Экспериментальные данные измеренных значений сопротивлений контактов, мОм Table 2. Experimental data of measured values of contact resistances, mΩ

Тип и марка аппарата	Воздействие постоянного тока 7–8А	Воздействие переменного тока
		Номинальный ток, А			0,5 I ном , А
		Длительность воздействия тока, мин
		0	7	15	0	7	15
Магнитный пускатель ПМЛ-1220Д I н = 16А	52,3	52,4	52,1	52,6	52,2	52,3	52,6
Контактор КМ-103 I н = 25А	12,6	12,2	12,5	12,8	12,5	12,6	12,9
Автомат ВА47-063Про I н = 25А	12,5	12,3	12,6	12,7	12,1	12,5	12,6
Пакетный выключатель ПВ 3-63 I н = 63А	1,2	1,0	0,9	1,4	0,8	1,0	1,5
Рубильник TB-80-3P-F I н = 80А	0,93	0,95	0,96	0,92	0,91	0,94	0,95
Предохранитель ПН2-100 I н = 100А	2,3	2,4	2,3	2,4	2,2	2,1	2,3

Данные измерений по экспериментальным схемам (рис. 1 и 2) представлены в табл. 2. Результаты исследований показывают хорошую сходимость и соответствие измеренных сопротивлений контактов при протекании переменного и постоянного токов. При этом установлено, что величина, род воздействующего тока и его временной интервал соответствуют разбросу параметров +/–10 %, поэтому целесообразным является применение схемы с использованием постоянного тока для измерения величины сопротивлений контактных групп аппаратов.

Результаты и обсуждение

Полученные экспериментальные данные измерений сопротивлений контактных групп показаны на рис. 3–8.

При этом выявлено, что величина сопротивления контактной цепи состоит из:

– сопротивления контактной группы;

– сопротивления теплового реле;

– сопротивления катушки максимального реле.

Сопротивление болтового присоединения аппаратов кабелями является незначительным в общем сопротивлении контактной цепи.

Номер точки измерения в конструкции контактора	Сопротивление контактного соединения контактора R КК , мОм	0                  /                       //                 /// II  II II  II L _ _^_X__/ 1 o__1
I	1,0–1,3
II	11,2
III	12,6

Номер точки измерения в конструкции пускателя	Сопротивление контактного соединения пускателя R КМП, мОм
I	1,5
II	22,1
III	33,2
IV	50,5
V	52,3

R кмп ,

Рис. 3. Экспериментальные данные сопротивлений контактных соединений пускателя электромагнитного ПМЛ-1220Д с номинальным током 16А с учетом элементов конструкции, Fig. 3. Experimental resistances of contact connections of the PML-1220D electromagnetic starter with I nom = 16A taking into account structural elements

R , мОм кк

Рис. 4. Экспериментальные данные сопротивлений контактных соединений контактора КМ-103 с номинальным током 25А с учетом элементов конструкции

Fig. 4. Experimental resistances of contact connections of the KM-103 contactor with I _nom = 25A taking into account structural elements

Номер точки измерения в конструкции автомата	Сопротивление контактного соединения автомата R КА, мОм	0              /        //        /// IV             V 1—^^J^^—1
I	1,3
II	4,0
III	7,5
IV	11,1
V	12,5

R , мОм ка

Рис. 5. Экспериментальные данные сопротивлений контактных соединений автомата ВА47-063Про с номинальным током 25А с учетом элементов конструкции

Fig. 5. Experimental resistances of contact connections of the VA47-063Pro automatic circuit breaker with I _nom = 25A taking into account structural elements

Рис. 6. Экспериментальные данные сопротивлений контактных соединений пакетного выключателя ПВ 3-63 с номинальным током 63А с учетом элементов конструкции

Fig. 6. Experimental resistances of contact connections of the PV 3-63 packet switch with Inom = 63A taking into account structural elements

Номер точки измерения в конструкции рубильника	Сопротивление контактного соединения рубильника R КР , мОм	0               /         //           ///        //              / 1     III    1 1     III    1 L _ ^^/_Ц | 1 1 o।
I	0,1
II	0,3
III	0,6
IV	0,85
V	0,95

R _кр, мОм

Рис. 7. Экспериментальные данные сопротивлений контактных соединений рубильника TB-80-3P-F с номинальным током 80А с учетом элементов конструкции

Fig. 7. Experimental resistances of contact connections of the TB-80-3P-F contact switch with I nom = 80A taking into account structural elements

Рис. 8. Экспериментальные данные сопротивлений контактных соединений предохранителя ПН2-100 с номинальным током 100А с учетом элементов конструкции

Fig. 8. Experimental resistances of contact connections of the PN2-100 cutout with Inom = 100A taking into account structural elements

Неполнота информации о технических характеристиках низковольтных коммутационных аппаратов, представляемая заводами-изготовителями в каталожных и паспортных данных, делает актуальными исследования по измерениям и детальному анализу закономерностей изменяющихся параметров (сопротивлений контактных систем) с учетом элементов конструкции аппаратов. При этом возникает необходимость в разработке методических подходов для теоретических и экспериментальных исследований¹ ( Родионов, 2019; Федоров и др., 2015;Хорольский и др., 2017; Назарычев и др., 2016; Ионцева и др., 2015 ).

При проведении экспериментов замеры сопротивлений в фазах аппарата проводились по 4–5 раз и усреднялись, чтобы получить среднее значение сопротивления по фазам. При исследовании магнитных пускателей замеры сопротивлений проводились для двух фаз с определением усредненного значения, а также измерялось сопротивление для фазы с отсутствием тепловых реле.

По полученным данным измерений установлено, что величина протекающего тока оказывает несущественное влияние на сопротивление контактных систем.

Рис. 9 и 10 иллюстрируют графические зависимости величины сопротивления контактных систем в функции значений номинальных токов аппаратов ( Федотов и др., 2013 ).

В результате проведенных исследований вычислено минимальное количество выборки аппаратов для определения закона распределения сопротивлений контактных систем с использованием и анализом данных автомата ВА47-063Про (номинальный ток 25А).

Полученные данные измерений показали, что величина сопротивления контактов и контактных соединений может возрастать в процессе эксплуатации в 2-2,5 раза. Установленные зависимости изменения сопротивления контактов могут быть использованы для прогнозирования технического состояния электроустановок внутрицеховых низковольтных сетей, уточнения величины потерь электроэнергии в цеховых сетях до 1 кВ, а также могут применяться в качестве дополнительного регламента для технического обслуживания ( Safin et al., 2019а,b; Feizifar et al., 2019; Ahmed et al., 2014; Ling et al., 2015; Ahonen et al., 2016; Tsvetkov et al., 2019 ).

Минимально необходимую выборку для расчета математического ожидания сопротивлений контактных систем с требуемой точностью б, % и вероятностью p можно вычислить по формуле

v =

т-ух -100 5

где т - характеристика в зависимости от принятого p (если p = 0,95, то т = 2); y _x — вариация значения х, p - вероятность определения искомой величины (сопротивление контактов) с требуемой точностью, равной 95 %;

Y

X

° х

^Mx ^,

где б x - среднеквадратическое отклонение; M x - математическое ожидание x .

Проверим достоверность результатов измерений сопротивления контактных систем аппаратов по минимальному количеству испытаний при принятой вероятности 95 % и погрешности расчетов менее 5 %.

В этом случае математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение величины сопротивления контактной системы автомата составят: MR ] = 14,2 мОм, с[ R ] = 2,1 мОм, откуда b [A R ] = 0,15.

( 2 - 0,15-100 У

v =  =

I     5

Таким образом, установлено, что для получения достоверных результатов требуется провести 6 измерений для данного типа аппаратов, количество измерительных испытаний при этом проведено более 30.

Заключение

На основании анализа полученных экспериментальных результатов, используя метод наименьших квадратов, можно получить функциональные зависимости сопротивлений контактных систем аппаратов от величины номинальных токов (рис. 9, 10, табл. 3).

R _конт, мОм

I ном, А

R _конт, мОм

Рис. 9. Функциональные зависимости сопротивлений контактных систем электромагнитных пускателей, контакторов, автоматов от величины номинальных токов

Fig. 9. Functional dependences of contact systems resistances of electromagnetic contactors, starters, and automatic circuit breakers on the value of rated currents

Iном, А

Рис. 10. Функциональные зависимости сопротивлений контактных систем предохранителей, пакетных выключателей и рубильников от величины номинальных токов

Fig. 10. Functional dependences of contact systems resistances of cutouts, packet switches, and contact switches on the value of rated currents

Таблица 3. Функциональные зависимости сопротивлений контактных систем низковольтных коммутационных аппаратов от величины номинальных токов

Table 3. Functional dependences of contact systems resistances of low-voltage switching devices on the value of rated currents

Тип аппарата	Диапазон изменения величины номинальных токов, I ном , A	Функциональные зависимости сопротивлений контактных систем аппаратов от величины номинальных токов
Контакторы и автоматы	< 65	R ка = 355/ I ном
	≥ 65	R ка = 310/ I ном
Пускатели электромагнитные	< 75	R ка = 835/ I ном
	≥ 75	R ка = 355/ I ном
Пакетные выключатели и рубильники	0 ≤ I ном ≤ 100	R ка = 75/ I ном
Предохранители	< 150	R ка = 220/ I ном
	≥ 150	R ка = 135/ I ном

На основании теоретических положений и практических исследований получена новая информация о функциональных закономерностях технических характеристик электрических аппаратов низкого напряжения.

• 1.    Для существующих конструкций низковольтной аппаратуры с учетом основных параметров конструкции предлагается следующая классификация:

• 1)    аппаратура, включающая как силовые контактные группы в силовых цепях, так и реле – тепловые и максимальные (автоматы, контакторы и пускатели электромагнитные);

• 2)    аппаратура, содержащая в силовых цепях только переходные сопротивления (пакетные выключатели и рубильники);

• 3)    аппаратура с относительно значительной величиной сопротивлений силовых цепей (предохранители).

• 2.    Выявлены зависимости и получены экспериментально подтвержденные функциональные закономерности изменения значений сопротивления конструктивных частей контактных систем. На основании анализа экспериментальных зависимостей (рис. 3–8) установлено, что значение сопротивления болтового присоединения, подключающего аппарат кабельной линией или проводом, включает в себя примерно 3–20 % от суммарной величины сопротивления контактной системы.

• 3.    По результатам экспериментов предложены приближенные зависимости сопротивлений контактов и контактных соединений электрических аппаратов низкого напряжения в функции от номинального тока (табл. 3 и графики на рис. 9 и 10).

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 ".