CC BY
28
УДК 621.316.717-573.2-048.24 ББК З 264.344-013
Е.Г. ЕГОРОВ, С П. ИВАНОВА, Н.Ю. ЛУИЯ
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ МЕТОД КОММУТАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ МАГНИТНЫХ ПУСКАТЕЛЕЙ
Ключевые слова: магнитный пускатель, коммутационная износостойкость, электрическая дуга, восстанавливающееся электрическое напряжение, восстанавливающаяся электрическая прочность, волновые характеристики отключаемой цепи.
Рассмотрена электрическая схема для коммутационных испытаний магнитных пускателей, приведена осциллограмма переходных процессов при гашении дуги в трехфазной цепи переменного тока. Показана возможность расчета восстанавливающейся прочности на основе тепловых и электродинамических процессов на катоде и восстанавливающегося напряжения на размыкающихся контактах с учетом волновых характеристик отключаемой цепи. Предложен метод оценки коммутационных характеристик магнитных пускателей, который позволяет уменьшить объем прямых испытаний. В основу заложены результаты экспериментов и сравнение значений восстанавливающейся электрической прочности и восстанавливающегося электрического напряжения, которое позволяет оценить вероятностные характеристики успешности гашения и коммутационную способность магнитного пускателя.
Исследования процессов в электрических аппаратах проводились на основе математических моделей электрической дуги отключения электродвигателя [3, 8, 14] для разных условий их применения и эксплуатации [3, 9, 10, 11].
Наиболее энергозатратным видом испытаний являются испытания на коммутационную износостойкость и коммутационным способность (в связи с большей длительностью и потребляемой электроэнергией при их проведении), по результатам которых оценивается надежность магнитных пускателей.
Испытательная схема трехфазного магнитного пускателя изображена на рис. 1.
В качестве примера на рис. 2 приведена осциллограмма переходных процессов при коммутации нагрузки в режиме редких коммутаций.
В соответствии с признанной классической теорией коммутации успешное гашение дуги переменного тока при отключении асинхронного электродвигателя обеспечивается при соблюдении следующего условия: переходное восстанавливающееся электрическое напряжение иВН(0 должно быть меньше переходного восстанавливающейся прочности иВП(0 на всем отрезке времени после перехода тока нагрузки через нуль [3, 5].
Характер восстановления электрической прочности определяется тепловыми и электродинамическими процессами на катоде. Для анализа процессов в условиях, характерных для оснований дуги на контакте, за основу можно взять уравнения нестационарной теплопроводности [2]
дТ (х, г) д 2Т (X, г)
• = а--—1 + Voexp
дг дх2
8Т (0, г )= 1
Т
м
1_ т(0,0]
дТ ( Xг) (1)
дх
-Ге -^и), (2)
дх аС}
дТКО = 0; дТЬы»). = 0, (3)
дх дх
Т(х,0) = То ехр
4а^0
(4)
где у0 - скорость звука в металле; ^д - время действия источника тепла до момента нуля тока; То - начальное значение температуры в условиях циклических коммутаций.
Рис. 1. Схема коммутационных испытаний трехфазного магнитного пускателя: ША, ШВ, Шс - шунты измерения тока нагрузки; ЯНА, ЬНА, ЯН в, ЬН в, ЯН с, с -активно-индуктивная нагрузка в фазах А, В, С; ЯШ А, СШ А, ЯШ в, СШ в, ЯШ в, СШ в -активно-емкостная цепочки для регулировки волновых параметров нагрузки; Я1А / Я2а, Я1в / Я2в, Я1с / Я2с - делители напряжения
Щ1 1 Момент
размыкания
• контактов
......¿1.
>
—О- — ________
Ч
Рис. 2. Осциллограмма переходных процессов при гашении дуги переменного тока трехфазным магнитным пускателем
вн.ма ' :,ч ■
2
X
Решение системы уравнений (1)-(4) позволяет определить температурное поле к моменту нуля тока и вычислить термоавтоэлектронную эмиссию с учетом совместного действия Е и Т по уравнению Ричардсона - Дешмана с поправкой Шоттки, которое определяет пробивное напряжение межконтактного промежутка (восстанавливающуюся прочность - ВП).
Расчет значения восстанавливающейся электрической прочности производится по соотношению [3]:
ТТ ДАэфф (р/)
ВП = —-Г, (5)
ln
AUгэфф (р/)
ln
1 + - 1
У( Nэ +1) J.
где A0 и B0 - постоянные коэффициенты, которые могут определяться по кривой Пашена для разных (р/); иЬфф - эффективный потенциал ионизации; р/ -произведение плотности газа на длину околокатодного слоя.
Восстанавливающееся напряжение (ВН) определяется схемой цепи отключения, углом сдвига между током и напряжением, а также волновыми характеристиками отключаемой цепи.
Максимальное значение ВН для режима отключения тока нагрузки определяется по формуле [5]:
UВНтах = ¿схU=-sin ф, (6)
где ¿сх - коэффициент схемы для первой разрываемой фазы в трёхфазной цепи; иЛ - линейное действующее значение напряжения источника питания; ф - угол сдвига между током и напряжением в разрываемой фазе к моменту перехода тока через нуль.
Каждой конкретной нагрузке отключения соответствуют вполне определенные статистические волновые параметры: собственная частота отключаемого
г л л 1 -ВН max тч
контура - jo и коэффициент амплитуды ¿а =-. В испытательных конту-
Uo
рах волновые параметры должны удовлетворять требованию эквивалентности реальным условиям отключения токов нагрузки аппаратами управления.
При испытаниях на коммутационную электрическую износостойкость следует ориентироваться на средние значения частоты колебаний цепи для нагрузки j0 и коэффициента амплитуды ¿а, которые выражаются зависимостями1 [3]:
\ fo = 2000/°,2U-°,8 ± 10%;
[К = 1,1 + 0,4 exp(-0,016f0) ± 0,05, ( )
где /0 - ток отключения, А; U0 - номинальное рабочее напряжение, В; f0 -частота колебаний цепи нагрузки, кГц.
1 ГОСТ Р 50030.1-2007 (МЭК 60947-1:2004). Аппаратура распределения и управления низковольтная. М.: Стандартинформ, 2008. 142 с.
Если проводятся испытания на предельную отключающую способность, то значения волновых параметров определяются по формулам [3]:
Гfo = 260010,2U-°,8 ± 10%;
|£а = 1,15 + 0,5 exp (-0,016 f0) ± 0,05. В этой работе рассматривается следующий энергосберегающий метод проведения коммутационных испытаний магнитных пускателей.
Для заданных параметров и режимов коммутации (напряжения сети, тока нагрузки, cos ф, частоты коммутации, продолжительности включения ВП) определяются статистические характеристики переходных процессов: восстанавливающейся электрической прочности и восстанавливающегося электрического напряжения (рис. 3).
Анализ этих статистических экспериментальных характеристик позволяет оценить вероятность повторных пробоев и зажигания электрической дуги в следующий полупериод после нулевого значения тока нагрузки, а также время горения дуги, которое определяет эрозию контактов. Статистическую обработку экспериментальных данных проводят, например, по методам, рассмотренным в [1]:
1 n
Ucp = -ZU, (9)
n i=1
где n - число экспериментальных данных; U - измеренные значения напряжений (ВП или ВН).
Среднее квадратичное отклонение определяется по следующему соотношению:
S = J- i (U - иСР )2 . (10)
V n i=1
Вероятность повторного зажигания в момент нуля тока определяется нижним значением ВП и максимальным значением ВН.
Нижнее значение ВП рассчитывается с учетом среднего квадратичного отклонения и принятой вероятности k
Ubnmin = иВПСР - kS, (11)
где k - квантиль нормальной функции распределения. Например, для выбранной вероятности 90% определяется табличное значение [1], которое k = 1,282.
Максимальное значение ВН
иВНтах = иВПСР + kS , (12)
Рассчитанное по формуле (11) нижнее значение ВП означает, что 90% всех экспериментальных значений ВП будут располагаться выше иВПтт.
Рассчитанное по формуле (12) верхнее значение ВН означает, что 90% всех экспериментальных значений ВН будут располагаться ниже иВНтах.
Рис. 3. Переходные процессы вблизи нуля тока нагрузки
Успешность гашения электрической дуги подтверждается сравнением характеристик иВП(0 и -ВН(^).
Следует отметить, что установлено взаимное влияние параметров электрической дуги на процесс гашения. Это влияние заключается в следующем. С одной стороны, электрическая дуга уменьшает восстанавливающуюся прочность в связи с тем, что в нулевой паузе тока плазма остаточного столба дуги обеспечивает достаточное количество заряженных частиц. В отключаемой цепи активное сопротивление электрической дуги снижает величину коммутируемого тока и уменьшает угол сдвига между током и напряжением, что, в свою очередь, уменьшает возвращающее напряжение.
С другой стороны, остаточное сопротивление дуги демпфирует процесс восстановления напряжения, ограничивает ее амплитуду и замедляет скорость восстановления за счет уменьшения частоты собственных колебаний в колебательном контуре, что улучшает дугогашение.
Известны методы испытаний на коммутационную износостойкость, которые обеспечивают снижение энергозатрат при коммутационных испытаниях: ускоренные, синтетические, расчетно-экспериментальные, сокращенные, на основе планирования эксперимента, а также путем применения математических методов расчетов дугогашения на основе решения фундаментальных уравнений тепло- и электрофизических процессов и др. [3, 4, 7].
В данной работе определяются статистические экспериментальные характеристики переходных процессов: восстанавливающейся электрической прочности иВП(0 и восстанавливающегося электрического напряжения нВН(0 для конкретных параметров нагрузки: мощности электродвигателя и категории применения, напряжения сети, cos ф, частоты коммутаций, продолжительности включения и др. Например, -ВНтах определяется по расчетному соотношению (6) с учетом волновых характеристик коммутируемой цепи (2) или (3) или путем осциллографирования.
Восстанавливающая прочность -вп измеряется, например, по методу повторных пробоев [3, 5, 6].
На рис. 4 изображены характеристики переходных процессов щП(^ и нВН(0 при гашении дуги переменного тока.
Если переходный процесс иВП(() определяется характеристикой 3, а восстанавливающееся напряжение u^t) - характеристикой 1, то после нуля тока пробоя промежутка не происходит и электрическая дуга гаснет.
Однако если восстанавливающееся напряжение изменяется по кривой 2, то в момент времени t\ происходит пробой межконтактного промежутка, так как u^ исп (t) = usn j(t), а электрическая дуга загорается вновь и горит в течение следующего полупериода тока нагрузки.
При измерении восстанавливающейся прочности по методу повторных пробоев необходимо обеспечить гарантированное наличие пробоев (т.е. необходимо увеличивать испытательное напряжение); а также обеспечить ра-dUB
венство - в номинальном режиме и в режиме увеличенного испытатель-
dt
ного напряжения.
Равенство скоростей подъема номинального напряжения иН и напряжения испытательного иИСП обеспечивается шунтирующими активным и емкостным СШ сопротивлениями. Это связано с тем, что влияние скорости
Жи в - отг
подъема - на измерение значения восстанавливающейся прочности В11
сИ
установлено также и для условий коммутации цепей низкого напряжения переменного тока [3].
Рис. 4. Переходные процессы тока при гашении электрической дуги переменного тока
Равенство скоростей восстанавливания напряжения при номинальном (660 В) и испытательном повышенном напряжении (принимаем равным 800 В) обеспечивается за счет повышения частоты f0 ИСП по следующей методике. Скорость восстановления напряжения определяется соотношением [5]:
^ = 4U 0 f010; dt мкс
где U0 = Um sin ф = л/2 UH sin ф (для стандартной нагрузки активно-индуктивной цепи cos ф = 0,35; ф = 69°).
Скорость изменения ВН при напряжении UH = 660 В будет равна
Ц* V 4U 0 f0 Н106 =177-^, at ) мкс
так как f0Н = 53 кГц .
Равенство изменения восстанавливающегося напряжения при испытательном напряжении %Cn = 800 В будет достигнуто при
'dU бн'
f0 ИСп =—-———= 55 кГц.
70ИСП 4U0ИСП -10-6 Ц
В качестве примера в таблице приведены результаты экспериментальных исследований опытного образца трёхполюсного магнитного пускателя на номинальный ток 63 А и номинальное напряжение 660 В, 50 Гц; при коммутации тока 300 А и ео8ф = 0,35.
Результаты измерения характеристик восстанавливающейся прочности, восстанавливающегося напряжения и времени горения электрической дуги
Опыт Фаза Пе рвый полупериод Второй полупериод
<Д, мс Н, мкс ^ВП! В иВН н, В /откл МАХ А {Д, мс Ь, мкс ^ВПЬ В иВН н, В ^ОТКЛ мах А
1 А 1,7 7,9 344 372 10 11 >610** 610 320
В 6,9 13 >1035* 1035 370 - - 1035 -
С 4,9 7,9 457 412 7,4 5,2 >456** 456 296
2 А 2 7,9 342 372 9,7 7,9 >512** 512 292
В 6,8 13 >1100* 1100 370 - - - - -
С 4,9 11 855 405 6,9 7,9 > 520** 520 282
3 А 1,4 7,9 375 373 9,8 13 >470** 470 292
В 6,8 13 > 1150* 1150 356 - - - - -
С 4,7 11 366 405 6,9 15 >730** 730 260
4 А 1,9 7,9 407 372 9,6 7,9 > 500** 500 276
В 6,8 20 > 1030* 1030 364 - - - - -
С 4,9 11 570 405 9,4 20 >565** 565 240
5 А 1,8 13 375 370 9,5 13 > 626** 626 280
В 7,1 15 >1060* 1060 348 - - - - -
С 4,7 7,9 730 405 7 13 >490** 490 240
Примечание. * - успешное гашение дуги в фазе В в течение первого полупериода; ** -успешное гашение дуги в фазах А и С в течение второго полупериода.
Коммутационная способность испытуемого пускателя определяется первым гасящим полюсом (В) в первом полупериоде, а окончательное гашение происходит во втором полупериоде переменного тока.
По результатам экспериментальных данных оценивается вероятностная характеристика успешности гашения.
Таким образом, рассматриваемая энергосберегающая методика при коммутационных испытаниях магнитного пускателя предполагает экспериментальное измерение характеристик восстанавливающейся электрической прочности и восстанавливающегося электрического напряжения. По результатам таких измерений могут быть приняты решения о возможности сокращения (уменьшения) числа испытательных коммутационных циклов, что позволит снизить энергозатраты на их проведение.
По мере накопления статистических данных по каждому типу исполнения магнитных пускателей может быть рекомендована оптимальная величина контролируемых коммутационных циклов, которая будет достаточна для подтверждения установленной в нормативно-технической документации надежности магнитного пускателя.
Литература
1. ВентцельЕ.С. ОвчаровЛ.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. М.: Академия, 2003. 464 с.
2. Головейко А.Г. Элементарные и теплофизические процессы на катоде при мощном импульсном разряде // Инженерно-физический журнал. 1968. Т. 14, № 3.
3. Егоров Е.Г. Испытания и исследования низковольтных коммутационных аппаратов: в 2 ч. Ч. 2. Исследования низковольтных коммутационных аппаратов [Электронный ресурс] / Чуваш. ун-т. Чебоксары, 2015. 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).
4. ЕгоровЕ.Г., Иванова С.П., Рыжкова Н.Ю., Егоров Е.Г. Некоторые направления энергосбережения при испытаниях магнитных пускателей на надежность // Электротехника. 2012. № 5. С. 16-19.
5. Основы теории электрических аппаратов / под ред. П.А. Курбатова. 5-е изд., перераб., и доп. СПб.: Лань, 2015. 592 с.
6. ПавловВ.А., ЕгоровЕ.Г., МаксимовВ.М., Иванова С.П., ЛуияН.Ю. Методика измерения восстанавливающейся электрической прочности искровых промежутков в коммутаторах с подвижными электродами // Вестник Чувашского университета. 2014. № 2. С. 52-56.
7. Розанов Ю.К., Егоров Е.Г., Егоров Г.Е. Неразрушающие испытания контактной коммутационной аппаратуры методом контроля восстанавливающейся электрической прочности // Электротехника. 2007. № 4. С. 47-53.
8. УрусовР.М., Урусова И.Р. Нестационарная трехмерная модель электрической дуги. Ч. 1. Математическая модель и результаты исследования // Теплофизика и аэромеханика. 2014. Т. 21, № 1. С. 121-134.
9. Bugaris R.M., Doan D.R. Arc-flash incident energy variations: A study of low-voltage motor control center unit configurations and incident energy exposure. IEEE Industry Applications Magazine, 2014, vol. 20, no. 3, pp. 40-45.
10. Iwata M., Tanaka S., Miyagi T., Amakawa T., Pietsch G. Influence of perforated metal plate on pressure rise and energy flow due to internal arcing in a container with a pressure-relief opening. IEEE Trans. Power. Deliv, 2014, vol. 29, no. 3, pp. 1292-1300.
11. Jonsson E., Runde M., Dominguez G., Friberg A., Johansson E. Comparative study of arc-quenching capabilities of different ablation materials. IEEE Transactions on Power Delivery, 2013, vol. 28, no. 4, pp. 2065-2070.
12. Tarczynski W., Daszkiewicz T. Switching arc simulation. PrzegladElektrotechniczny, 2012, R. 88 NR 7b, pp. 60-64.
ЕГОРОВ ЕВГЕНИЙ ГРИГОРЬЕВИЧ - кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой электрических и электронных аппаратов, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
ИВАНОВА СВЕТЛАНА ПЕТРОВНА - кандидат технических наук, доцент кафедры электрических и электронных аппаратов, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
ЛУИЯ НАТАЛИЯ ЮРЬЕВНА - аспирантка кафедры электрических и электронных аппаратов, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (па1аИ1шуа@таП. га).
E. EGOROV, S. IVANOVA, N. LUIYA
METHOD OF SWITCHING POWER TEST MAGNETIC STARTER
Key words: magnetic starter, switching wear resistance, electrical arc, the recovery voltage, restore the dielectric strength, wave characteristics switchable circuit.
Consider an electric circuit for switching test magnetic starters and brought waveform transients quench the arc in a three-phase AC circuit. The possibility of recovering the strength calculation on the basis of thermal and electrodynamic processes at the cathode and recovery voltage on the NC contact, taking into account the characteristics of the wave switchable circuit. This paper proposes a method for estimating the switching characteristics of the magnetic contactors, which can reduce the amount of direct testing. The foundation laid by the results of experiments and comparison of recovering electric strength and restore the voltage that allows to evaluate the probability of success of damping characteristics and the switching capacity of the magnetic starter.
References
1. Venttsel' E.S., Ovcharov L.A. Teoriya veroyatnostei i ee inzhenernye prilozheniya [Probability theory and its engineering applications]. Moscow, Academia Publ., 2003, 464 p.
2. Goloveiko A.G. Elementarnye i teplofizicheskie protsessy na katode pri moshchnom im-pul'snom razryade [Elementary and thermal processes on the cathode when a powerful pulsed discharge]. Inzhenerno-fizicheskii zhurnal [Journal of Engineering Physics], 1968, vol. 14, no. 3.
3. Egorov E.G. Ispytaniya i issledovaniya nizkovol'tnykh kommutatsionnykh apparatov: ucheb-noe elektronnoe izdanie. Part 2. Issledovaniya nizkovol'tnykh kommutatsionnykh apparatov [Tests and studies of low-voltage switching devices: educational electronic edition. Part 2: Studies of low-voltage switching devices]. Cheboksary, 2015.
4. Egorov E.G., Ivanova S.P., Ryzhkova N.Yu., Egorov E.G. Nekotorye napravleniya energosberez-heniya pri ispytaniyakh magnitnykh puskatelei na nadezhnost' [Some areas of energy savings in testing the reliability of magnetic starters]. Elektrotekhnika [Electrical Engineering], 2012, no. 5, pp. 16-19.
5. Kurbatov P.A., ed. Osnovy teorii elektricheskikh apparatov. 5-e izd. [Fundamentals of the theory of electrical apparatus. 5th ed.]. St. Petersburg, Lan' Publ., 2015, 592 p.
6. Pavlov V.A., Egorov E.G., Maksimov V.M., Ivanova S.P., Luiya N.Yu. Metodika iz-mere-niya vosstanavlivayushcheisya elektricheskoi prochnosti iskrovykh promezhutkov v kommutato-rakh s podvizhnymi elektrodami [Methods of measuring the dielectric strength recovering spark gaps in the switches with movable electrodes]. Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2014, no. 2, pp. 52-56.
7. Rozanov Yu.K., Egorov E.G., Egorov G.E. Nerazrushayushchie ispytaniya kontaktnoi kom-mutatsionnoi apparatury metodom kontrolya vosstanavlivayushcheisya elektricheskoi prochnosti [Non-destructive testing of the contact switchgear control method recovering electric strength]. Elek-trotekhnika [Electrical Engineering], 2007, no. 4, pp. 47-53.
8. Urusov R.M., Urusova I.R. Nestatsionarnaya trekhmernaya model' elektricheskoi dugi. Ch. 1. Matematicheskaya model' i rezul'taty issledovaniya [Non-stationary three-dimensional model of an electric arc. Part 1. Mathematical model and results of research]. Teplofizika i aeromekhanika [Thermophysics and Aeromechanics], 2014, vol. 21, no. 1, pp. 121-134.
9. Bugaris R.M., Doan D.R. Arc-flash incident energy variations: A study of low-voltage motor control center unit configurations and incident energy exposure. IEEE Industry Applications Magazine, 2014, vol. 20, no. 3, pp. 40-45.
10. Iwata M., Tanaka S., Miyagi T., Amakawa T., Pietsch G. Influence of perforated metal plate on pressure rise and energy flow due to internal arcing in a container with a pressure-relief opening. IEEE Trans. Power. Deliv, 2014, vol. 29, no. 3, pp. 1292-1300.
11. Jonsson E., Runde M., Dominguez G., Friberg A., Johansson E. Comparative study of arc-quenching capabilities of different ablation materials. IEEE Transactions on Power Delivery, 2013, vol. 28, no. 4, pp. 2065-2070.
12. Tarczynski W., Daszkiewicz T. Switching arc simulation. PrzegladElektrotechniczny, 2012, R. 88 NR 7b, pp. 60-64.
EGOROV EVGENIY - Candidate of Technical Sciences, Professor, Head of Electrical and Electronic Apparatus Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
IVANOVA SVETLANA - Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor of Electrical and Electronic Apparatus Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
LUIYA NATALIA - Post-Graduate Student of Electrical and Electronic Apparatus Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
Ссылка на статью: Егоров Е.Г., Иванова С.П., Луия Н.Ю. Энергосберегающий метод коммутационных испытаний магнитных пускателей // Вестник Чувашского университета. - 2016. -№ 1. - С. 47-55.
