Эксплуатационные свойства электрооборудования

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

Эксплуатационные свойства электрооборудования - это те его объективные особенности или признаки качества, которые характеризуют, в какой мере то или иное изделие соответствует требованиям эксплуатации. Чем полнее приспособлено электрооборудование к эффективному использованию и техническому обслуживанию (ремонту), тем выше его эксплуатационные свойства. Такие возможности закладывают при разработке и изготовлении электрооборудования, а реализуют — в процессе его эксплуатации.

Совокупность эксплуатационных свойств  можно разделить на общие, присущие всем видам электрооборудования, и специальные, имеющие значение для конкретных групп электрооборудования. К общим свойствам относят надежность и технико-экономические свойства, а к специальным — технологические, энергетические, эргономические и др. На рисунке 3.1 приведена примерная классификация эксплуатационных свойств электрооборудования, используемого в сельском хозяйстве.

Номинальные показатели - это указанные изготовителем электрооборудования значения основных параметров, регламентирующие его свойства и служащие исходными для отсчета отклонений от этого значения при испытаниях и эксплуатации. Их указывают в технический документации и на заводском щитке электрооборудования.

Рабочие Показатели - это фактические значения, наблюдаемые и данный момент эксплуатации при конкретном сочетании действующих факторов. Они дают обычно «точечную» оценку свойств.

Результирующие показатели - это средние или средневзвешенные значения за некоторый период эксплуатации (сезон, год или срок службы). Они составляют более полное представление об дефективности использования и результативности обслуживания(ремонта) электрооборудования. Эксплуатация должна быть налажена таким образом, чтобы результирующие показатели были не ниже номинальных.

Надежность - это свойство электрооборудования выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в установленных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования (ГОСТ 27.002).

Технико-экономические показатели характеризуют типораз- мерный ряд, стоимость приобретения, монтажа, обслуживания и ремонта электрооборудования.

Правильный выбор электрооборудования  по технологическим свойствам и  поддержание этих свойств в процессе эксплуатации обеспечивают не только высокое качество технологического процесса, но и экономию энергоресурсов.

Энергетические свойства отражают способность электрооборудования потреблять (производить, распределять) электроэнергию с высокой эффективностью в отношении КПД, коэффициента мощности и других энергетических показателей, а также приспособленность к переходным (пуск, торможение) и другим режимам работы. Хорошие энергетические свойства должны быть у любого вида электрооборудования сельскохозяйственного назначения. Такое электрооборудование подключают к источнику питания через протяженные электрические сети с многократной трансформацией энергии. Система электроснабжения имеет невысокий КПД (70 %), поэтому сельские электроприемники с низкими энергетическими свойствами вызывают огромные потери электроэнергии, трудно запускаются и нестабильно работают.

При оценке энергетических свойств  необходимо учитывать не только номинальные, но и результирующие показатели. Рассмотрим рабочие характеристики КПД двигателей, показанные на рисунке 3.2. 11оминальный КПД первого двигателя значительно  выше, чем второго. Но это не может служить основанием для правильного выбора I юрвого двигателя, так как повышенные значения КПД у него наблюдаются лишь в узком интервале нагрузок, а за пределами этого Инте

Надежность электрических машин  в значительной степени определяется надежностью их обмоток, которая, в свою очередь, зависит от состояния изоляции. Последняя работает в сложных, часто весьма неблагоприятных условиях. В процессе длительной эксплуатации электрических машин они подвергаются разнообразным эксплуатационным воздействиям.

Температура окружающей среды является наиболее распространенным фактором, воздействующим на электрические машины, работающие при широких диапазонах колебаний как суточных, так и сезонных температур. Большинство силовых трансформаторов сельских трансформаторных подстанций подвержены воздействию температуры воздуха и солнечной радиации, электродвигатели насосных станций в теплые месяцы года испытывают воздействие высоких температур окружающей среды (до +50 °С). В зимние месяцы эти агрегаты, в которых, как правило, отсутствует отопление, подвергаются воздействию низких температур (до—27 °С).

Особо опасным эксплуатационным воздействием для изоляции электрических машин  обладает сверхток. Затяжные пуски, опрокидывания электродвигателей, возникающие при снижении напряжения, пеполнофазных режимах, заклиниваниях рабочих машин приводят к возникновению сверхтоков. Силовые трансформаторы подвержены воздействию токов короткого замыкания в питаемых сетях, пусковых токов электродвигателей в условиях соизмеримой мощности.

В связи с тем, что нагрузки имеют  явно выраженный сезонный характер, а мощность отдельных потребителей часто соизмерима с мощностью трансформаторов, при отсутствии регуляторов напряжения и большой протяженности сетей.

Изоляция обмоток асинхронных  электродвигателей подвергается воздействию  коммутационных перенапряжений, которые  могут достигать десятикратной (и более) величины по отношению к номинальному напряжению, что является в большинстве случаев непосредственной причиной межвитковых замыканий. Коммутационные перенапряжения, представляя собой случайные явления, имеют статистический характер. Их вероятная величина зависит от числа коммутационных операций, которое, в свою очередь, пропорционально времени работы электрической машины.

Разрушительным фактором эксплуатационного  воздействия для изоляционной конструкции  электрических машин является вибрация. Действие вибрации на всыпные обмотки выражается в постепенном разрушении пропиточного лака, в результате чего нарушается цементация обмотки и отдельные проводники приобретают некоторую свободу перемещения. Это ведет к разрушению витко- вой изоляции в точках соприкосновения соседних проводников. Измерение величины вибрационного смещения (удвоенное значение амплитуды колебания) электродвигателей показало, что оно имеет широкий диапазон значений (в пределах от 0,005 до 0,9 мм). Частота вибрации большинства корпусов электродвигателей оказалась равной 50 Гц. Особенно характерна вибрация для электродвигателей рабочих машин типа дробилок.

Сильное эксплуатационное воздействие  на электрические машины в сельском хозяйстве оказывают влага и химически активные среды. Влага проникает в изоляцию машины главным образом в периоды их нерабочего состояния. Особенно интенсивно этот процесс идет во время остывания машины, так как в этот период давление в порах и капиллярах изоляции несколько ниже атмосферного. Малая вязкость и другие свойства воды способствуют ее прониканию в мельчайшие поры, гидролитическому разрушению изоляционных материалов и расщеплению полимерных цепей. Сопротивление изоляции и ее электрическая прочность снижаются, создаются предпосылки для появления токов утечки.

Вредное действие на изоляцию оказывают  химически активные вещества. Загазованность стойловых животноводческих помещений  аммиаком, углекислым газом, сероводородом  приводит к быстрой порче изоляции электрических машин.

Процессы старения изоляции от различных  эксплуатационных воздействий активизируются и прогрессируют. Изоляционные конструкции, прошедшие период приработки и не имеющие больших скрытых дефектов, крайне редко отказывают вследствие внезапного пробоя. Разрушение изоляции происходит постепенно, причем инициирующая роль принадлежит процессам теплового старения. Даже при сравнительно невысоких температурах, когда термоокислительная деструкция незначительна, под действием тепла происходит усыхание, испарение летучих компонентов, уменьшение эластичности изоляции, повышение ее хрупкости. Последнее способствует развитию процессов механического старения. В изоляции появляются трещины и другие дефекты, она расслаивается и разрыхляется, что создает условия для возникновения ионизационных явлений. Разрушение изоляции происходит неравномерно и завершается пробоем в наиболее слабом месте. Влага и агрессивные среды способствуют ускорению и активизации процессов старения.

Эксплуатационные воздействия  на электрические машины одновременно являются и эксплуатационными воздействиями на силовые кабели и провода. Поэтому они должны рассматриваться совместно.

Силовые кабели и провода испытывают эксплуатационные воздействия графика нагрузки, температуры окружающей среды, перегрузок, пусковых токов электродвигателей, токов короткого замыкания.

Электрическая изоляция - важнейший  элемент электрооборудования. В 80 % отказы электрооборудования обусловлены повреждением изоляции. Повреждение изоляции происходит из-за электрического или (и) теплового пробоя, механических разрушений, химических изменений (старения).

Почти 50 % всех видов электрооборудования  размещаются во влажных, сырых и  очень сырых сельскохозяйственных помещениях. При относительной влажности выше 60 % активно проявляется атмосферная коррозия металлов.

Влажность среды, аммиак, всегда содержащийся в животноводческих помещениях, и резко переменные температуры оказывают отрицательное воздействие на электрооборудование, особенно на его изоляцию. В результате такого воздействия сокращается срок службы электрооборудования.

Испарение влаги из материала обусловливается  диффузией пара с поверхности  материала в окружающую среду (внешняя  диффузия). Диффузия происходит тем интенсивнее, чем больше разность между парциальным давлением пара у поверхности материала и давлением в окружающей среде. В зависимости от значения Градиента давления (соотношения между давлениями пара у поверхности материала и в окружающей среде) определяется направление диффузии, т. е. ход процесса в сторону сушки или увлажнения.

Внутренняя диффузия наблюдается  в виде движения влаги в жидком или газообразном состояниях от внутренних увлажненных слоев изоляции к ее подсушенной поверхности. При этом влага перемещается от мест с большей влажностью в места с меньшей влажностью (влагопроводимость).

Кроме этого, существует так называемая «термодиффузия» влаги. Изменение влагосодержания изоляции в процессе эксплуатации можно проследить по изменению сопротивлению изоляции.

Когда электрооборудование находится  в нерабочем состоянии в помещении с высокой относительной влажностью, на его изоляцию воздействует только градиент влажности. Изоляция поглощает влагу из воздуха - происходит процесс увлажнения. Вначале увлажняются наружные слои изоляции, далее процесс продолжается, увлажняются внутренние слои. Процесс увлажнения продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесное состояние увлажненности изоляции и окружающей среды. Увлажнение изоляции приводит к резкому снижению ее диэлектрических характеристик: сопротивления изоляции, электрической прочности и др.

При установившемся равновесии происходит стабилизация сопротивления изоляции. После включения электрооборудования в работу начинают нагреваться его токоведущие части. В начальный период после пуска более нагретыми оказываются витковая изоляция обмотки и изоляция, расположенная ближе к виткам обмотки, в результате чего создается положительный градиент температуры - поток теплоты направлен от центра изоляции к периферии. Под воздействием градиента температуры начинается перемещение влаги.

По мере роста температуры обмотки  влага, находящаяся в порах изоляции, начинает переходить в парообразное состояние - изоляция «распаривается», пары влаги проникают в мельчайшие поры изоляции, и сопротивление изоляции обмотки снижается. В зависимости от начального влагосодержания и структуры изоляции снижение сопротивления при ее разогреве будет различным. В одних случаях (при относительно сухой изоляции) снижение сопротивления изоляции невелико, в других случаях (сильно увлажненная изоляция) - значительно, представляет собой опасность для электрической прочности изоляции. Последнее необходимо учитывать при эксплуатации сельских установок.

Возрастание температуры влаги  и воздуха, находящихся в порах  изоляции, вызывает повышение их давления — дополнительно возникает градиент давления в разных зонах паза.

При длительной работе электродвигателя влага, находящаяся в изоляции, будет  удалена - произойдет процесс осушения. При этом сопротивление изоляции достигнет установившегося значения для данной температуры. После отключения электродвигателя он начнет охлаждаться, в изоляции обмотки возникнут  обратные процессы, т. е. она начнет увлажняться.

Таким образом, в изоляции нормально  работающего электродвигателя произойдет влагообмен, она осушится или увлажнится.

Скорость удаления влаги из обмотки  электродвигателя в процессе работы зависит от следующих факторов: гигроскопических свойств изоляционного материала; степени увлажнения изоляции; степени загрузки электродвигателя; температуры и влажности окружающей среды.

Любое увлажнение изоляции обмоток  электродвигателей нежелательно, так как снижение ее сопротивления может достигнуть опасной степени. Однако еще более нежелателен процесс влагооб- мена в агрессивной среде, например, в животноводческих помещениях с содержанием аммиака. Таким образом, электродвигатели с кратковременным режимом работы, особенно во влажной агрессивной среде, быстрее увлажняются и выходят из строя.

Аналогичные процессы с известными особенностями происходят и в других видах электрооборудования (изоляция электрических кабелей, обмотки пускозащитной аппаратуры и т. д.).

Срок службы электрооборудования — это календарная продолжительность эксплуатации машины и ее элементов до момента возникновения предельного состояния, оговоренного в технической документации или до списания.

Ресурс — суммарная наработка изделия до предельного состояния, оговоренного в технической документации.

Наработка — это продолжительность или объем работы в часах, моточасах, километрах пробега или других единицах.

Предельное состояние изделия  или механизма возникает вследствие постепенных отказов, вызванных постепенным изнашиванием, старением деталей и узлов. Важнейшими факторами, оказывающими воздействие на долговечность изделий, являются температурные условия их работы, концентрация окислителей в зоне нахождения изделий, динамические нагрузки и т. п. В общем виде старение изделий (в частности, электрической изоляции как одной из важнейших составляющих электрических изделий), подчиняется законам химической кинетики, в том числе закону Я. Вант Гоффа — С. Арениуса:

Факторы, влияющие на надежность электрооборудования

Опыт эксплуатации показывает, что  надежность электротехнических устройств (ЭТУ) зависит от многочисленных и разнообразных факторов. Условно они могут быть разделены на 3 основные группы: конструктивные, производственные, эксплуатационные.