Износы и повреждения аппаратов управления и защиты электрических машин и установок

От технического состояния низковольтных аппаратов (магнитных пускателей, автоматических выключателей, реле, переключателей и др.) в значительной степени зависит долговечность и надежность работы электроприводов и электрических установок. Отказы низковольтных аппаратов можно разделить на два вида: внезапные и постепенные. Внезапные отказы наступают, как правило, при скачкообразном изменении одного или нескольких параметров функциональных узлов аппаратов. Постепенные отказы наступают вследствие износа и старения функциональных узлов и деталей. Наибольшее число отказов низковольтных аппаратов наблюдается в контактах, обмотках катушек и в механической части.

Отказы контактов

Отказы контактов электрических аппаратов (магнитных пускателей, автоматических выключателей, реле, переключателей, рубильников и др.). в большинстве случаев объясняются тяжелыми условиями работы. На износ контактов оказывают влияние такие факторы, как ток и напряжение, род тока, частота включения и выключения, характер нагрузки, внешняя среда (температура, влажность и запыленность воздуха, наличие паров или газов), вибрация и пр. В связи с этим наблюдается частый выход контактов из строя. Особенно это относится к контактам аппаратов, работающих в тяжелых режимах.

У электромагнитных реле 60% отказов приходится на контакты, а остальные 40% отказов примерно поровну распределяются между обмотками и механической частью. Наиболее часто в условиях эксплуатации отказы контактов происходят из-за износа контактов. Одним из наиболее важных факторов, влияющих на износ контактов, является действие электрической дуги, возникающей при их размыкании. Дуговой разряд при размыкании контактов вызывает оплавление и испарение материала, из которого изготовлены контакты. Степень износа контактов зависит от тока дуги, времени ее горения, материала контактов и их формы. При больших токах и нечастых включениях и выключениях износ контактов можно считать пропорциональным числу выключений. При относительно небольших токах и частых включениях износ контактов в значительной степени зависит от частоты включения, которая во многом определяет температуру контактов и активность процессов окисления их поверхностей.

Электрический износ контактов, обычно превышающий механический износ, происходит при включении и отключении контактов под напряжением. При выключении между контактами возникает мостик расплавленного металла, который испаряется и разбрызгивается тем интенсивней, чем больше сила тока в момент размыкания контактов. Электрический износ контактов возникает также при отскакивании подвижных контактов от неподвижных при ударе в момент их соприкосновения.

У аппаратов постоянного тока происходит электрическая эрозия контактов, при которой часть металла переносится с одного контакта на другой, вследствие чего на одних контактах возникают углубления, а на других — возвышения из перенесеного металла. Механический износ возникает при ударах, происходящих при замыкании контактов, а также при трении поверхностей контактов. В электрических цепях с малым значением тока довольно часто возникают отказы незамыкания, вызванные образованием окисных пленок на поверхности контактов.

Отказы обмоток катушек

Отказы обмоток катушек наиболее часто возникают из-за обрывов и межвитковых замыканий. Провода катушек обычно обрываются в местах с низким качеством пайки при механических воздействиях на провода и при их вибрации. Межвитковые замыкания обмоток катушек низковольтных аппаратов возникают при повреждении изоляции проводов, из которых намотаны катушки и при долговременном прохождении тока, значение которого превышает номинальное. Ток в катушке наиболее часто увеличивается при заклинивании в промежуточных положениях или при неплотном прилегании рабочих поверхностей магнитопроводов аппаратов. Кроме того, изоляция повреждается при перенапряжениях во время включения и выключения питания обмотки катушки и по другим причинам.

Для определения тока, проходящего через короткозамкнутые витки обмотки, в катушках магнитных пускателей ПМЕ-200, намотанных проводом ПЭТВ диаметром 0,18 мм, закорачивались 50 и 100 витков. Результаты измерения показали, что при полном металлическом замыкании 50 витков ток в них превышает номинальный ток катушки примерно в 30 раз. При наличии 100 короткозамкнутых витков ток в витках превышает номинальный примерно в 25 раз. Если между витками есть неполное короткое замыкание, т. е. место дефекта изоляции имеет определенное сопротивление, то ток в короткозамкнутых витках резко уменьшается и при сопротивлении 90 Ом равен номинальному току катушки.

Следовательно, при сопротивлении в месте дефекта межвитковой изоляции менее 90 Ом в витках проходит ток больше номинального в несколько раз, что приводит к перегреву катушки, ускоренному развитию имеющегося и возникновению новых дефектов в изоляции и к выходу обмотки катушки пускателя из строя.

Таким образом, в условиях эксплуатации необходимо не только обнаруживать короткозамкнутые витки с полным металлическим замыканием, но и ослабленные участки изоляции, которые могут привести к выходу катушки из строя. В связи с этим, для обнаружения ослабленных мест в изоляции рекомендуется прикладывать к витковой изоляции напряжение, в 10—15 раз превышающее номинальное. Это дает возможность выявлять дефекты в начальной стадии их развития и принимать необходимые меры.

Пробой изоляции катушек на корпус наблюдается только в бескаркасных конструкциях катушек.

Анализ работы низковольтных аппаратов показывает, что отказы катушек зависят от напряжения их питания: чем больше напряжение питания, тем меньший уровень их надежности. Катушки низковольтных аппаратов, имеющие большее номинальное напряжение, наматываются из провода меньшего диаметра, имеют меньшую толщину изоляции и большее число витков, что снижает надежность катушки. В этих условиях возникает большая вероятность возникновения замыкания между витками катушек.

Экспериментальные данные свидетельствуют, что интенсивность отказов катушек можно считать линейной функцией от напряжения питания. Кроме того, количество отказов катушек увеличивается с увеличением числа циклов включения — отключения аппарата и времени работы катушки.

Отказы механических систем

Отказы механических систем низковольтной аппаратуры наиболее часто возникают в связи с износом и поломками деталей, а также из-за перекосов, задеваний и заклиниваний подвижной системы. К отказам механических систем относится около 20% всех отказов низковольтных аппаратов. Исследованиями установлено, что отказы механических систем в большинстве случаев представляют собой постепенные отказы, возникающие вследствие износа деталей и узлов. Внезапные отказы обычно наблюдаются только в начальный период работы аппаратов. Наряду с отказами механических систем у магнитных пускателей встречаются разрывы короткозамкнутых витков. Сравнительно часто низковольтная аппаратура выходит из строя при потере механической прочности или упругих свойств пружин. Особенно это относится к автоматическим выключателям, реле и переключателям.

В последние десятилетия при изготовлении низковольтной аппаратуры широко применяются пластмассы. Однако изготовленные из пластмассы детали (траверсы, корпусы, крышки и др.), в некоторых случаях не имеют необходимого запаса прочности и в условиях эксплуатации выходят из строя.

Большое число низковольтных аппаратов также выходит из строя в связи с коррозией деталей механической системы. Это относится к аппаратуре, работающей во влажных помещениях, а также при наличии в окружающей аппаратуру среде агрессивных примесей, вызывающих усиленную коррозию поверхности деталей.