Лекция №3 Особенности эксплуатации электроприемников и их влияние на работу электрооборудования

Условия работы электродвигателей в различных отраслях промышленности, характеризуются как тяжелые в результате воздействия ряда факторов: повышенной влажности, наличия в воздухе животноводческих помещений агрессивных газов, запыленностью, повышенной частоты возникновения технологических перегрузок, неполнофазных режимов, широкого диапазона отклонений питающего напряжения, резких перепадов температур, недостаточного уровня оснащения двигателей защитными устройствами, и т. д .

Рассмотрим все выше перечисленные факторы.

Влияние окружающей среды на надежность электрооборудования

Окружающая среда – это та среда, в которой находится и эксплуатируется энергетическое оборудование.

Для большинства элекроустановок и другого энергетического оборудования сто воздух; для кабельных линий - земля; для погружных электронасосных агрегатов - вода (нефть), для обмоток сило­вых трансформаторов - масло.

Воздействие окружающей среды проявляется путем воздействия ее факторов:

климатических;

биологических;

механических.

Климатические факторы окружающей среды принято подразделять на:

естественные (природные), когда установка или оборудование раз­мещено на открытом воздухе или под навесов;

искусственные, когда установка или оборудование находится внутри помещения.

Электроустановки соответственно откосят к наружным или внутренним.

Основные климатические факторы окружающей среды:

температура;

влажность;

запыленность

загазованность воздуха.

Воздействие климатических факторов окружающей среды:

- повышенная влажность вызывает изменения электрических физико-механических и химических свойств изоляционных материалов; ведет к развитию плесени, активизирует атмосферную коррозию;

- содержание углекислого газа и других отходов промышленного производства сказывается на состоянии контактных соединений, поверх­ностей трения, оболочек;

- наличие пыли (в том числе содержащей абразивные частицы) приводит к ускоренному износу вращающихся частей, в ряде случаев пыль погло­щает из воздуха влагу, агрессивные газы, а это ведет к ускорению коррозии, снижению электроизоляционных свойств и последующему пробою.

Биологические факторы внешней среды – плесень бактерий, на­секомые, грызуны. Плесневые грибки, накапливая влагу, способству­ют коррозии оборудования, разрушению деталей и узлов, снижению электрических характеристик.

Резинотехнические изделия, подвергаясь воздействию плесени, теряют упругость и эластичность, становятся хрупкими. Микро­организмы, насекомые и грызуны разрушают узлы оборудования, изго­товленные из органических материалов – изоляционные материалы, каркасы, корпуса деталей. Паутина особенно опасна для электрон­ных устройств, приводя к утечке тока, ухудшению характеристик, а то и пробою электроизоляционных деталей.

Механические факторы внешней (окружающей) среды – это удары, толчки и, прежде всего, вибрация.

Вибрация приводит к разрушению изоляции, конструкционных деталей. Причины вибрации электрооборудования в производстве:

низкое качество монтажа;

несимметрия питающего напряжения;

наличие мобильных установок.

Резкие перепады температур, высокая влажность, агрессивная среда отрицательно сказываются на коррозийной стойкости двигателей и особенно на электрической прочности изоляции. Высокая запыленность окружающей среды ухудшает охлаждение двигателя, так как забиваются вентиляционные отверстия в кожухе и межреберные каналы корпуса. Особенно неблагоприятно сочетание запыленности с высокой влажностью.

Влияние условий окружающей среды на работу электрооборудования приведено на таблице 3.1

Влияние условий использования на работу электрооборудования

Тепловое старение изоляции явля­ется одним из основных факторов, ограничи­вающих срок службы электрооборудования. Чем больше ресурс машины, тем большую роль в процес­се старения и износа изоляции играют тепло­вые воздействия. С точки зрения нагрева изо­ляции большое значение имеет величина и длительность протекания токов, превышаю­щих номинальное значение.

Перегрев обмоток может произойти при затяжном пуске, заклинивании рабочего ме­ханизма, перегрузке, работе в однофазном ре­жиме, на пониженном напряжении и асиммет­рии напряжения; ухудшении охлаждения; вы­сокой частоте включения.

Нагрев короткозамкнутого электродвигателя при пуске зависит от значения пускового тока и продолжительности разгона.

Поэтому при пуске на номинальном напряжении обмотка электродвигателя через 10-15 с нагревается до допустимого значения. Дальнейшее прохождение пускового тока может привести к перегреву и обгоранию изоляции.

При заклинивании рабочей машины по обмоткам двигателя проходят пусковые токи. Через несколько секунд температура обмотки достигает опасного для изоляции значения. Двигатель нужно немедленно отключить.

Перегрузка электропривода характеризуется увеличением переменных потерь и повышением температуры обмотки. Величина установившегося значения превышение температуры обмотки зависит от величины перегрузки.

Ухудшение охлаждения электродвигателей происходит из-за загрязнения поверхности корпуса или забивания пылью и грязью внутренних каналов, что приводит к повышению температуры обмоток.

Таблица 3.1 - Влияние условий окружающей среду на сохранность электро­оборудования, материалов и кабельных изделий

Высокая частота включений вызывает интенсивный механический и термический износ изоляции, увеличивает скорость образования трещин в изоляционных пленках, что при наличии влаги, пыли и агрессивных газов, ведет к снижению электрической прочности и, как следствие, пробою изоляции.

Продолжительность работы двигателей в течение года определяет степень их использования в условиях сельскохозяйственного производства и зависит от объема его, технологии, числа работающих машин и их производительности, а также от уровня электромеханизации данного технологического процесса.

Большинство электродвигателей работает кратковременно – только в течение четвертой части суток с несколькими включениями за этот период.

Следует учесть, что на всех кратковременных процессах, как правило, установлены электродвигатели общепромышленного исполнения, рассчитанные на длительную работу при номинальной нагрузке. Это позволяет допускать их перегрузки без ущерба для срока службы. Однако, длительность использования электродвигателей тесно связана с явлением тепло – и влагообмена между изоляцией двигателя и окружающей средой. Это отрицательно влияет на изоляцию обмоток и, как следствие, на надежность электродвигателей.

При работе электродвигателей в условиях повышенной влажности в нерабочие паузы температура обмоток приближается к температуре окружающей среды. В этом режиме происходит засасывание влаги в обмотку, что снижает ее электрическую прочность. При длительном использовании электродвигателя обмотка самоосушается и электрическая прочность изоляции восстанавливается. При низком коэффициенте использования по времени с каждым циклом происходит постепенное снижение электрической прочности.

Следовательно, одной из важнейших особенностей работы электродвигателей в сельском хозяйстве, является их работа в среде с повышенной влажностью и агрессивной средой при малом числе использований.

Характер загрузки по мощности определяется режимом работы двигателя, который зависит от механизма, с которым он сочленен. Двигатели вентиляторов, калориферов, сушилок, транспортных средств, обработки зерна работают с постоянной нагрузкой. Двигатели мельниц, дробилок, измельчителей имеют резкопеременный характер нагрузки с систематическими и случайными перегрузками.

Для большинства машин перегрузки обусловлены несоответствием параметров пускозащитной аппаратуры параметрам двигателя, недопустимыми колебаниями напряжения сельских сетей и низким уровнем технического обслуживания. Перегрузки возможны и за счет конструктивных недоработок установок, например, из-за отсутствия дозирующих устройств.

Возможность частых перегрузок приводит к тому, что установки комплектуются двигателями завышенной мощности.

В некоторых случаях допускается перегрузка двигателей по мощности, она зависит от режима работы двигателя и температуры окружающей среды, электродвигатели, работающие в кратковременном режиме или при пониженных температурах, имеют некоторый запас по времени нагрева изоляции и могут работать с перегрузкой по мощности на 20...30%. Это относится к двигателям, работающим в зимнее время на открытом воздухе, сочлененным с механизмами кратковременного режима работы.

Как уже отмечалось выше, при работе изоляция электродвигателей самоосушается. Чем выше загрузка машины, тем быстрее происходит осушение. При низком коэффициенте загрузки самоосушение идет медленно, при коротком цикле работы самоосушение не происходит, что приводит к снижению надежности.

Лекция №4 Основы рационального выбора электрооборудования

Принципы выбора электрооборудования

Правильный выбор электрооборудования - необходимое ус­ловие его успешной эксплуатации. При проектировании электрооборудо­вание выбирают, исходя из требований его качественного функ­ционирования и наименьших затрат на электрифицированный объект. Однако по некоторым причинам это не всегда обеспечи­вает высокую эффективность эксплуатации выбранного элект­рооборудования.

На стадии проектирования не удается точно предвидеть ус­ловия окружающей среды, в которых будет находиться электро­оборудование, и приходится ориентироваться на средние дан­ные. Они могут существенно отличаться от фактических усло­вий. Такое же несовпадение может наблюдаться между расчет­ными и фактическими режимами работ, значениями потребляе­мой мощности, отклонениями напряжения и другими параметрами. Неопределенность исходной информации нарушает пра­вильность выбора.

Кроме того, при проектировании не учитывают неизбежное ухудшение эксплуатационных свойств электрооборудования и технологических объектов, на которых оно используется. Это особенно заметно после капитального ремонта техники. Поэто­му при эксплуатации часто возникают задачи проверки выбора электрооборудования с учетом конкретных и более точных дан­ных об условиях эксплуатации. Такая проверка обязательна для ответственных объектов, у которых погрешности выбора вызы­вают большой технологический ущерб.

Методика выбора оборудования в общем случае заключается в определении фактических данных о качестве электроснабже­ния, режиме работы и других условиях эксплуатации и сопос­тавления этих данных с параметрами электрооборудования. Ре­шение о выборе принимают по принципу ограничения или по принципу оптимизации.

Принцип ограничения состоит в том, что электрооборудова­ние считается пригодным, если значения его параметров больше или равны (для некоторых параметров - меньше или равны) значениям соответствующих факторов, наблюдаемых при экс­плуатации. Например, асинхронный электродвигатель выбира­ют по мощности на основании условия , где , – номи­нальная мощность выбранного электродвигателя и его фактиче­ская нагрузка.

Принцип оптимизации основан на изучении вариантов воз­можных решений и выборе такого электрооборудования, кото­рое обеспечивает наилучший результат электрификации объекта или процесса. При этом критерием оптимальности могут быть технические и экономические характеристики.

Выбор по техническим характеристикам

Основные технические характеристики, учитываемые при выборе электрооборудования:

- Климатическое исполнение и категория размещения;

- Степень защищенности от попадания посторонних предметов и воды (растворов);

- Номинальные параметры (напряжение, ток, мощность, частота вращения, и т.д.)

- Дополнительные характеристики (пусковые свойства, перегрузочная способность, защитные характеристики и т.д.).

Выбор по климатическому исполнению и категории разме­щения

Электротехнические изделия, выпускаемые промышлен­ностью, предназначены для использования в определенном климатическом районе и в определенном месте размещения, в зави­симости от их исполнения.

Изделия, предназначенные для эксплуатации на суше, в реках и озерах, имеют следующие климатические исполнения для макроклиматических районов: У – с умеренным климатом; ХЛ – с холодным климатом; ТВ – с влажным тропическим климатом; ТС – с сухим тропическим климатом; Т – с влажным и с сухим тропическим климатом; О – общеклиматическое исполнение.

Для обеспечения надежной работы в особых производствен­ных условиях выпускают электрооборудование сельскохозяйст­венного (С) и химостойкого (X) исполнения.

Категории размещения электрооборудования обозначают следующими цифрами:

1 – для работы на открытом воздухе;

2 – для работы в помещениях, где колебания температуры и влажности воздуха несущественно отличаются от колебаний на открытом воздухе, например, в палатках, кузовах, прицепах, металлических помещениях без теплоизоляции, а также в кожухе комплектного устройства категории 1 или под навесом (отсутствие прямого воздействия солнечной радиации и атмо­сферных осадков на изделие);

3 – для работы в закрытых поме­щениях с естественной вентиляцией без искусственно регулируе­мых климатических условий, где колебания температуры и влажности воздуха, воздействие песка и пыли существенно меньше, чем на открытом воздухе;

4 – для работы в помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями;

5 – для работы в помещениях с повышенной влажностью.

Электротехнические изделия сельскохозяйственного исполнения выпускаются в климатическом исполнений У. К макроклиматическим районам с умеренным климатом относятся районы, где абсолютная максимум температуры равна +40⁰С или ниже, абсолютный минимум равна – 45⁰ С.

Выбор по степени защиты. Степень защиты от соприкосно­вения обслуживающего персонала с токоведущими или движу­щимися частями, находящимися внутри корпуса электротехни­ческих изделий, от попадания под корпус посторонних твердых предметов и проникновения в него воды в соответствии с ГОСТ 14254 – 69 условно характеризуется буквами IР и двумя цифрами (например, IР23, I Р54 и т. п.). Эти обозначе­ния проставляют на корпусах изделий или на табличках с пас­портными данными.

Первая цифра после IР обозначает степень защиты от соприкосновения персонала с движущимися частями оборудования и от попадания внутрь его твердых посторонних тел. Это обозначение расшифровывается следующим образом:

0 – отсутствует защита от возможности соприкосновения персонала с токоведущими частями и движущимися частями внутри оболочки и от попадания под корпус посторонних тел;

1 – защита от случайного прикосновения большого участка поверхности тела с токоведущими или движущимися частями внутри оболочки. Отсутствует защита от преднамеренного до­ступа к этим частям. Защита оборудования от попадания круп­ных твердых посторонних тел диаметром не менее 52,5 мм;

2 – защита от возможности соприкосновения пальцами чело­века с токоведущими и движущимися частями внутри корпуса, Защита оборудования от попадания твердых посторонних тел среднего размера диаметром не менее 12,5 мм;

3 – защита от соприкосновения инструментов, проволоки и других подобных предметов, толщина которых превышает 2,5 мм, с токоведущими или движущимися частями внутри оболочки. Защита оборудования от падения мелких твердых по­сторонних тел диаметром не менее 2,5 мм;

4 – защита от соприкосновения инструментов, проволоки и других посторонних предметов, толщина которых превышает 1 мм;

5 – полная защита персонала от соприкосновения с токо­ведущими или движущимися частями, находящимися внутри корпуса. Защита оборудования от вредных отложений, пыли.

6 – полная защита персонала от соприкосновения с токоведущими или движущимися частями, находящимися внутри корпуса, и полная защита оборудования от попадания ныли

Вторая цифра обозначает степень защиты оборудования от проникновения внутрь корпуса воды и расшифровывается сле­дующим образом;

0 – защита оборудования от проникновения воды внутрь корпуса отсутствует;

1 – защита от капель сконденсировавшейся воды. Кайли сконденсировавшейся воды, вертикально падающие на корпус, не должны оказывать вредного воздействия на оборудование;

2 – защита от капель воды. Капли воды, падающие на кор­пус, наклоненный под углом не более 15° к вертикали, не долж­ны оказывать вредного действия на оборудование;

3 – защита от дождя. Дождь, падающий на корпус, накло­ненный под углом не более 60° к вертикали, не должен оказы­вать вредного воздействия на оборудование;

4 – защита от брызг. Брызги воды любого направления, по­падающие на корпус, не должны оказывать вредного воздейст­вия на оборудование;

5 – защита от водных струй. Вода, выбрасываемая через наконечник на оборудование в любом направлении при услови­ях, указанных в стандартах на отдельные виды электрообору­дования, не должна оказывать вредного воздействия на обору­дование;

6 – защита от воздействий, характерных для палубы кораб­ля (включая палубное водонепроницаемое оборудование). При захлестывании морской волной вода не должна попадать в корпус при условиях, указанных в стандартах на отдельные виды электрооборудования;

7 – защита при погружении в воду. Вода не должна прони­кать в корпус при давлении и в течение времени, указанного в стандартах на отдельные виды электрооборудования;

8 – защита при неограниченно длительном погружении в воду при давлении, указанном в стандарте на отдельные виды электрооборудования. Вода не должна проникать внутрь корпуса.

Выбор по напряжению. В низковольтных установках в основном применяют трехфазный переменный ток напряжением 380/220 В. Все электроприемники выбирают из условия равенства напря­жения (номинального и сети). В отдельных случаях для облегче­ния пуска двигателя схему обмоток переключают со звезды на треугольник и для этих целей выбирают двигатель с номиналь­ным напряжением 660/380 В.

Выбор по мощности или току. Электродвигатели выбирают из условия равенства его номинальной мощности и мощнос­ти, потребляемой рабочей машиной или рабочим органом ма­шины, . Решающее значение при этом имеет характер нагру­зочной диаграммы электропривода.

При длительной неизменной нагрузке выбор двигателя осу­ществляют по фактической потребляемой мощности; при мало изменяющейся во времени нагрузке, имеющей коэффициент ва­риации менее 20%, двигатель выбирают по средней мощности; при переменной нагрузке - по расчетной эквивалентной мощно­сти, т.е. такой постоянной мощности, которая эквивалентна фактической переменной по нагреву двигателя (этому условию удовлетворяет среднеквадратичная мощность).

Зная расчетную мощность машины ( ) (фактическую, сред­нюю или среднеквадратичную), по каталогу выбирают электро­двигатель стандартной мощности ( ), имеющий мощность, ближайшую большую по сравнению с расчетной. В общем слу­чае условие выбора имеет вид . Выбранный двигатель проверяют на перегрузочную способность, на возможность пус­ка, по частоте пусковых операций.

Электрические аппараты (рубильники, автоматические вы­ключатели и магнитные пускатели) выбирают по току главных контактов из условия:

,

где – номинальный ток -го аппарата; – рабочий ток коммутируемой цепи. Кроме этого, аппараты выбирают по току устройств защиты из условия , где – отношение номинального тока плавкой вставки или уставки защиты к рабочему току защищае­мой цепи.

Электронагревательные установки выбирают по мощности из условия где – номинальная мощность ЭНУ; – расчетная мощность ЭНУ. Расчетную мощность определяют из уравнения теплового баланса помещения или технологического процесса.

Выбор по экономическим критериям

Электротехническая промышленность выпускает большое число исполнений и типоразмеров взаимозаменяемых видов электрооборудования. Выбирая его по техническим характеристикам, можно найти несколько вариантов изделий, удовлетворяющих одним и тем же исходным данным. Задача выбора по техническим характеристикам имеет несколько решений. Чтобы среди равноценных по техническим возможностям решений найти оптимальный вариант, применяют выбор электрооборудования по экономическим критериям.

Положительные или отрицательные последствия выбора могут сказываться не только на работоспособности или экономических показателях выбираемого электрооборудования, но и на других, связанных с ним элементах системы электроснабжения и технологического объекта. Поэтому при выборе по экономическому критерию необходимо рассматривать совокупность элементов, названную ранее системой И–Э–Т–С.

Исходные данные, характеризующие элементы системы, разделяют на 4 группы: 1 – условие электроснабжения (мощность потребительской подстанции, длина и марка проводов низковольтной линии и т.п.; 2 – условие использования (назначение привода, эквивалентная мощность и частота вращения рабочего органа машины, занятость в течение суток и года, допустимая продолжительность простоя из–за отказа, размер технологического ущерба и т.п.); 3 – дестабилизирующие воздействия (климатические условие, характер окружающей среды, интенсивность и структура аварийных режимов и т.п.); 4 – показатель технической эксплуатации (затраты на обслуживание, интенсивность отказов, фактическая продолжительность устранения отказов и т.п.).

Выбор электрооборудования по мощности

При помощи критериев приведенных затрат можно точно решать задачи выбора электрооборудования. Известно, что при выборе по техническим характеристикам принимают электрооборудование, номинальная мощность которого больше или равна расчетной мощности, т.е. приближенно. Для электрооборудования массового применения, например, двигателей, погрешности выбора приводят к большому суммарному ущербу (применение двигателей заниженной мощности снижает его надежность и ограничивает производительность рабочей машины, а использование двигателей завышенной мощности ухудшает его энергетические показатели и удорожает электропривод).

Экономический критерий позволяет более точно указать целесообразный диапазон нагрузок для каждого типа размера электрооборудования, эти диапазоны называют экономическими интервалами нагрузок. Их определяют путем исследования сис­темы уравнений приведенных затрат, составленных для каждого типоразмера электрооборудования с учетом ожидаемых условий эксплуатации. Условие выбора имеет вид Рэ.н< Ррас ≤Рэ.в., где Р_эн, Рэ.в. - соответственно нижняя и верхняя границы интервалов на­грузок для двигателя (трансформатора) с номинальной мощнос­тью, Р_рас. - расчетная нагрузка.

Метод определения экономических интервалов нагрузок ос­новывается на сравнении приведенных затрат на единицу нара­ботки смежных по мощности двигателей (трансформаторов) из всей шкалы их типоразмеров. Абсолютные границы экономиче­ских интервалов нагрузок определяют точками пересечения кри­вых приведенных затрат, т.е. на экономическом интервале на­грузок данный двигатель имеет среди всех типоразмеров наи­меньшее значение приведенных затрат.

При помощи интервалов экономических нагрузок выбирают марки проводов для воздушных линий. Примерные интервалы для четырехпроводных воздушных линий 0,38 кВ имеют следую­щие значения: провод А16- интервал 3,7...10 кВА; А25 - 10. ..15; А35 - 15...21; А50 - 21...30 кВА.