Назад в библиотеку

Новый метод обнаружения плохих электрических контактов в низковольтных электроустановках, характеризующихся системой защиты TN – полевая проверка в жилых зданиях

Автор: Nedzad Hadziefendic, Jovan Trifunovic, Nemanja Kostic, Marko Davidovic, Miomir Kostic
Источник: Innovations, Vol. 8 (2020), Issue 1, pg(s) 41-45

Школа электротехники Белградского университета, Белград, Сербия

E-mail: nedzad@etf.bg.ac.rs, jovan.trifunovic@etf.bg.ac.rs, nmkostic@etf.bg.ac.rs, mdavidovic@etf.bg.ac.rs, kostic@etf.bg.ac.rs

Аннотация: Разработанный ранее новый метод обнаружения плохих электрических контактов в низковольтных электроустановках, характеризующихся системой защиты TN, прошел полевую проверку измерениями, выполненными в жилых домах. Метод был разработан путем установления зависимости между измеренными сопротивлениями контура короткого замыкания фазы на землю и фазы на нейтраль и степенью износа контакта, т. е. увеличением его электрического сопротивления. Корреляция была установлена путем анализа данных, полученных из большого количества документов, связанных с периодическими проверками качества низковольтных электроустановок в производственных и административных объектах (выданных Лабораторией испытаний низковольтных электроустановок и молниезащиты в Школе электротехники в Белграде), а также данными, полученными в результате большого количества экспериментов, в которых анализировалось влияние плохих электрических контактов на возникновение «горячих» точек в низковольтных электроустановках. В этих опытах учитывалось влияние неполного перекрытия поверхности медного проводника и контактной поверхности на выводе электрического компонента (уменьшение контактной поверхности), уменьшение силы давления между контактными поверхностями медного проводника и винта клеммы электрического компонента (уменьшение момента затяжки), а также повышенный оксидный слой в месте электрического контакта (старый и/или коррозионно-поврежденный контакт) на электрические и тепловые характеристики электрических контактов.

Ключевые слова: ПЛОХОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНТАКТ, МОМЕНТ ЗАТЯЖКИ КОНТАКТА, ГОРЯЧАЯ ТОЧКА, ОГНЕОПАСНОСТЬ, СОПРОТИВЛЕНИЕ КОНТАКТА, ПЕРИОДИЧЕСКАЯ ПРОВЕРКА НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

1. Введение

Отказы в электроустановках представляют собой серьезную проблему пожарной безопасности, которую необходимо активно учитывать во многих областях человеческой деятельности [1–3]. Частыми видами таких отказов являются накальные соединения и последовательная дуга, которые обычно возникают из-за перегрева некачественных электрических соединений, характеризующихся высоким электрическим сопротивлением [4]. Как и во многих других областях техники [5, 6], существует постоянная потребность в инновациях при разработке более эффективных методов и устройств в области электроустановок с точки зрения пожарной безопасности. В недавних исследованиях усилия исследователей были направлены на разработку новых методик и алгоритмов обнаружения возникновения последовательной дуги в электрических цепях [7–10], а также совершенствование методов измерения импеданса контура КЗ в сетях низкого напряжения TN [11]. В статье описан новый метод, разработанный для обнаружения плохих электрических контактов в низковольтных электроустановках, характеризующихся системой защиты TN.

Плохой электрический контакт — отказ в низковольтных электроустановках, который не может быть обнаружен ни процедурами периодической проверки качества низковольтных электроустановок, определенными в национальных и международных нормах и стандартах, ни любыми обычными защитными устройствами [12–14]. В то же время он может легко и внезапно вызвать горячую точку или последовательную электрическую дугу, которые являются наиболее частыми причинами пожаров, вызванных авариями в низковольтных электроустановках.

В электроустановке плохой электрический контакт можно рассматривать как характеризующийся [15]:

• неполным перекрытием поверхности медного проводника и контактной поверхности на выводе электрического компонента (уменьшение контактной поверхности),
• уменьшением силы давления между контактными поверхностями медного проводника и винта клеммы электрического компонента (уменьшение момента затяжки), или
• повышенным оксидным слоем в месте электрического контакта (старый и/или поврежденный коррозией контакт).

Эффекты уменьшения контактной поверхности, уменьшения момента затяжки и увеличения оксидного слоя в точке электрического контакта на электрическое и тепловое поведение плохого контакта были экспериментально и теоретически исследованы в [16], [17] и [4] соответственно. На основании большого количества экспериментов, а также данных, полученных из большого количества документов, связанных с периодическими проверками качества низковольтных электроустановок на промышленных и административных объектах (выданных Лабораторией испытаний низковольтных электроустановок и молниезащиты в Электротехнической школе в Белграде) был разработан и представлен в [4] и [15] новый метод обнаружения плохих электрических контактов в низковольтных электроустановках, характеризующихся системой защиты TN.

2. Разработка нового метода выявления бедных электрические контакты в низковольтных электроустановках, характеризующихся системой защиты ТН

2.1 Основная идея разработки нового метода для обнаружения плохих электрических контактов

Действующая стандартная процедура проверки качества низковольтных электроустановок [18] основана на сравнении измеренного сопротивления фазы к земле с предельным значением, обеспечивающим достаточно быстрое срабатывание соответствующего защитного устройства (для предотвращения поражение электрическим током) [19]. Поскольку предельные значения высоки, все электрические цепи, в которых измеренное сопротивление фазы относительно земли ниже предельного значения (R_sMAX) заявлены как исправные, хотя некоторые из них могут содержать плохой контакт.

Идея состояла в том, чтобы разработать процедуру обнаружения плохих контактов в розетках, основанную на измерении сопротивлений короткого замыкания как фазы на землю, так и фазы на нейтраль при периодической проверке низковольтных электроустановок. Обнаружение заметного увеличения импеданса контура замыкания на землю и/или контура короткого замыкания фазы на нейтраль указывает на наличие по крайней мере одного плохого контакта в наблюдаемой электрической цепи.

Согласно [20], обычно применяемая (традиционная) измерительная аппаратура для поверок низковольтных электроустановок позволяет измерять оба этих импеданса. Схематическое представление измерений контура замыкания на землю (L-PE) и измерения импеданса контура короткого замыкания (LN) между фазой и нейтралью с использованием обычного измерительного устройства приведены на рис. 1 и 2 соответственно.

Сопротивление фазы к земле (R_SL-PE) в системе TN состоит из сопротивления вторичной обмотки силового трансформатора, сопротивления фазного провода между силовым трансформатором и местом проведения испытаний и сопротивления заземляющего проводника оборудования между местом испытания и силовым трансформатором. Сопротивление петли короткого замыкания фазы на нейтраль (R_SL-N) в системе TN состоит из сопротивления вторичной обмотки силового трансформатора, сопротивления фазного проводника между силовым трансформатором и местом проведения испытаний и сопротивления нейтрального проводника между местом испытания и силовым трансформатором.

Рис. 1 Схематическое представление измерения R_SL-PE используя обычное измерительное оборудование (R_e представляет собой внутреннее электрическое сопротивление измерительного оборудования).

Рис. 2 Схематическое представление измерения R_SL-N с помощью обычного измерительного оборудования.

2.2 Данные, полученные из большого количества документов связанные с периодическими проверками качества низковольтных электроустановок

Как сообщается в [4], были проанализированы результаты периодических проверок низковольтных электроустановок, выполненных Лабораторией в общественных и коммерческих зданиях общей площадью более 150 000 м². Измеренный R_SL-PE значения для 11 159 розеток были подвергнуты статистическому анализу, и их статистическое распределение представлено на рис. 3, на котором показано количество розеток, для которых R_SL-PE сопротивления принадлежали каждому из диапазонов 0–0,1 Ом, 0,1–0,2 Ом,…, 1,1–1,2 Ом и 1,2–1,3 Ом. Количество емкостей, для которых R_SL-PE сопротивление выше 1,3 Ом (1,5 % от их общего числа) на рис. 3 не показаны, так как их сопротивления разбросаны в диапазоне 1,31–7,68 Ом.

Рис. 3 Количество розеток, для которых R_SL-PE принадлежат каждому из диапазонов шириной 0,1 Ом. [4]

В [4] было отмечено, что большинство измеренных R_SL-PE сопротивлений находились в диапазоне 0,3–1 Ом, подчеркивая, что значения ниже 0,3 Ом были измерены в случаях, когда трансформаторная подстанция ВН/НН располагалась внутри здания или вблизи него, а также для электрических цепей на нижних этажах здания, а значения выше 1 Ом были измерены для электрических цепей на верхних этажах, т. к. R_SL-PE увеличивается с расстоянием между электрической цепью и трансформаторной станцией. В [4] также сообщалось, что на 82 розетках R_SL-PE сопротивления выше соответствующих R_sMAX значения были измерены (в этих розетках R_SL-PE сопротивления варьировались от 1,79 Ом до 7,68 Ом). Эти схемы были признаны непригодными к использованию, так как не были соблюдены условия предотвращения поражения электрическим током. Кроме того, помимо 11 159 розеток, для которых R_SL-PE значений, в 84 розетках было обнаружено обрыв заземляющего проводника оборудования, которые также были признаны непригодными для использования. После подтяжки всех электрических контактов в этих 166 розетках (или после замены розеток), а также подтяжки всех электрических контактов в питающих распределительных щитах, R_SL-PE сопротивления были измерены повторно, и во всех случаях их значения были не только ниже R_sMAX, но и ниже 1,3 Ом.

Однако, как сообщается в [4], в дополнение к 166 розеткам с неисправностями, обнаруженными по стандартной процедуре, было еще 84 розетки, где R_SL-PE сопротивления были ниже R_sMAX, но достаточно высокий, чтобы указать на наличие хотя бы одного плохого контакта (в тех розетках R_SL-PE сопротивления варьировались от 1,3 Ом до 4,38 Ом). В соответствии со стандартной процедурой, хотя электрические цепи, содержащие эти розетки, представляют собой потенциальную причину пожара, они должны быть признаны исправными. Тем не менее, пользователи объектов были проинструктированы о проведении необходимого ремонта, и после подтяжки всех электрических контактов во всех этих случаях R_SL-PE сопротивление было ниже 1,3 Ом. Помимо дополнительных 84 розеток, плохие контакты были также обнаружены в розетках, где R_SL-PE был ниже 1,3 Ом, но более чем на 0,5 Ом выше, чем R_SL-PE сопротивления, измеренные на окружающих розетках.

2.3 Данные, полученные с помощью большого количества экспериментов

Как упоминалось ранее, влияние уменьшения контактной поверхности, уменьшения момента затяжки и увеличения оксидного слоя в точке электрического контакта на электрические и тепловые характеристики плохого контакта экспериментально и теоретически исследовалось в [16], [16]. 17] и [4] соответственно.

Основной идеей всех проведенных экспериментов было создание различных типов контактов, встречающихся в низковольтных электроустановках, установление типовых токов (в проведенных опытах они составляли от 2 А до 25 А) в цепях, содержащих созданные контактов и наблюдать за изменяющимися во времени значения электрического сопротивления, температуры, рассеиваемой мощности и напряжения создаваемых контактов. Были созданы различные типы контактов с использованием различных комбинаций материалов (медь–медь, медь–латунь и медь–нержавеющая сталь), одножильных и многожильных проводов различного сечения (1,5 мм², 2,5 мм²и 4 мм²), различные проценты площади перекрытия электродов, образующих контакт (100 %, 50 % и 15 %), и различные регулируемые моменты затяжки на винтовых зажимах другого провода в розетках и вилках (1 Н·м (очень хороший контакт), 0,2 Н·м (плохой контакт) или 0,1 Н·м (очень плохой контакт)). Кроме того, в экспериментах использовались контакты с различными типами увеличенного оксидного слоя в месте электрического контакта. Эксперименты проводились на розетке, бывшей в эксплуатации много лет (30 лет в анализируемом случае), а также на новых розетках, электрические контакты которых перед экспериментами преднамеренно подвергались коррозии. Экспериментальная установка и используемое измерительное оборудование показаны на рис. 4.

Рис. 4 Экспериментальная установка (1 – испытуемая розетка, 2 – токоизмерительные клещи FLUKE 323, 3 – цифровой мультиметр PeakTech 3360, 4 – пластиковый распределительный щит, 5 – тестер установки FLUKE 1653B, 6 – датчик термопары типа К (хромель/алюмель), 7 – термометр инфракрасный Cole-Parmer, 8 – коробка сопротивлений 230 В, 60 А, 9 – аппарат, обеспечивающий регулировку площади перекрытия электродов, 10 – динамометрическая механическая отвертка Wiha TorqueVario-S26462, и 11 – динамометрическая цифровая отвертка TSD- 50).

Анализируя результаты проведенных экспериментов, сделан вывод, что медь – нержавеющая сталь представляет собой критическую комбинацию материалов, при которой контакт наиболее быстро достигает максимально допустимой температуры при одинаковых условиях (одинаковая нагрузка, сечение проводника и степень износа контакта). В пересчете на такое же процентное уменьшение поверхности перекрытия) [16]. Кроме того, сделан вывод, что плохие электрические контакты, образующиеся во встроенных электроустановках зданий (где распространена медная жила полного сечения), более неблагоприятны для возникновения «горячей» точки по сравнению с плохими электрическими контактами. развиты в силовых кабелях электрических нагрузок (где обычно используется многопроволочная медная жила) [17]. В работе [17] показано, что плохие контакты с электрическим сопротивлением от 80 мОм до 250 мОм представляют угрозу безопасности при больших токах в цепи (ток 16 А, ограниченный применяемым защитным устройством, как правило, является максимальным). номинальный ток в электрических цепях, установленных в жилых, хозяйственных и общественных зданиях, подключенных к сети с номинальным напряжением 230 В). С учетом всех данных, полученных в результате периодических проверок качества низковольтных электрических установках, а также все данные, полученные в результате экспериментов, в [4] сделан вывод, что предел для R_SL-PE сопротивление (указывающее на наличие хотя бы одного плохого контакта в электрической цепи) (R_lim) должен быть на 0,5 Ом выше максимального R_SL-PE сопротивления, измеренного на окружающих розетках при периодической проверке низковольтных электроустановок.

Новый метод обнаружения плохой электрической контакты в низковольтных электроустановках

Измерения R_SL-PE и R_SL-N, с последующим сравнением их значений с R_lim и анализ, основанный на таблицах 1–3, представляют собой новый метод обнаружения плохих контактов в низковольтных электроустановках, разработанный и представленный в [4] и [15]. В таблицах 1 и 2 приведены максимальные сопротивления фазы относительно земли, обеспечивающие эффективное срабатывание устройства защиты при отказе в системе TN (R_sMAX), определяемые для наиболее часто применяемых плавких вставок (как быстродействующих, так и медленных) и автоматических выключателей (МВР) типов В и С (с номинальными токами (I_а) 6–25 А) соответственно. Во всех случаях значение R_sMAX был получен путем деления значения номинального напряжения сети (230 В) на соответствующее значение I_а(минимальный ток, при котором срабатывает устройство защиты в течение 0,4 с (условие приведено в [19])). Для каждой из рассматриваемых плавких вставок значение I_а была взята из соответствующей характеристики перегрева плавкой вставки [21]. Согласно [22], минимальные токи МСВ (I_а), на которые плавкие вставки реагируют в течение 0,1 с (и, следовательно, в течение 0,4 с), составляют 5I_а и 10I_а для типов В и С соответственно. В Таблице 3 приведены рекомендации по потенциальному местонахождению плохих контактов и возможных опасностей возгорания во всех ситуациях, которые могут возникнуть на практике. Его следует применять при измерении R_SL-PE сопротивление ниже, чем R_sMAX (в противном случае соответствующую цепь следует признать небезопасной).

Поэтому, измеряя R_SL-PE и R_SL-N значений в каждой цепи с последующим сравнением их значений с R_lim и анализа по таблицам 1–3 можно определить, есть ли в цепи плохой контакт.

Таблица 1: Значения I_a и R_sMAX для быстрых и медленных плавких вставок (I_r = 6–25 А) [4]

Таблица 2: Значения I_a и R_sMAX для автоматических выключателей типов В и С (I_r = 6–25 А) [4]

Результаты и обсуждение

Для апробации описанного нового метода выявления плохих контактов в низковольтных электроустановках он был применен к проверке качества низковольтных электроустановок в 6 квартирах старых (10–60 лет) жилых домов. Все они характеризовались системой защиты TN. В каждой из квартир осмотрено по 10 емкостей (R_SL-PE и R_SL-N значения были измерены для каждого из них). Результаты измерений приведены в табл. 4.

Отметим, что все исследованные электрические цепи были защищены либо инерционными плавкими вставками с номинальным током 16 А (R_sMAX = 4,50 Ом) или автоматическими выключателями типа B с тем же номинальным током (R_sMAX знак равно 2,87 Ом). Все измерено R_SL-PE и R_SL-N значения для 60 проверенных емкостей были ниже, чем R_sMAX и, следовательно, в соответствии со стандартной процедурой электрические цепи, содержащие эти розетки, были бы признаны исправными. Однако сравнение измеренных R_SL-PE и R_SL-N с R_lim(сопротивление на 0,5 Ом выше максимального R_SL-PE(R_SL-N) сопротивление, измеренное на окружающих розетках) показало, что в 4 розетках были плохие электрические контакты, представляющие потенциальную причину возгорания. При применении нового метода были обнаружены плохие электрические контакты на заземляющих проводниках оборудования в розетках № 4 в квартире № 2 и № 1 в квартире № 5, на нулевом проводе в розетке № 8 в квартире № 5. 6 и на фазном проводе в розетке № 6 в квартире № 4. После того, как электрик заменил эти 4 розетки на новые, R_SL-PE и R_SL-N были повторно измерены в этих электрических цепях, чтобы проверить, соответствуют ли их новые значения условиям безопасной защиты от поражения электрическим током в случае неисправности. Повторно измеренные значения показали, что во всех 4 случаях дефекты, вызвавшие плохой электрический контакт, были устранены вмешательством электрика, а также что замена этих 4 розеток на новые была оправдана.

Вывод

Разработан новый метод обнаружения плохих контактов в низковольтных электроустановках, характеризующихся системой защиты TN, основанный на измерении обоих сопротивлений R_SL-PE и R_SL-N и их сравнении с R_lim(сопротивление на 0,5 Ом выше максимальногор S_L-PE(R_SL-N) представлено сопротивление, измеренное на окружающих розетках). Новый метод был применен для проверки качества низковольтных электроустановок в 6 квартирах старых (10–60 лет) жилых домов, представлены и проанализированы результаты измерений. По стандартной процедуре все 60 проверенных электрических цепей были бы признаны исправными. Однако применение представленного метода показало, что в 4-х розетках были плохие электрические контакты, что и являлось потенциальной причиной возгорания. После вмешательства электрика дефекты, приводившие к плохим электрическим контактам, были успешно устранены.

Применение нового метода при проверке состояния электрических контактов позволит значительно снизить вероятность возникновения опасных горячих точек. Это решило бы проблему невозможности обнаружения горячих точек с помощью инфракрасной термографии в случаях отсутствия визуального контакта. Однако следует подчеркнуть, что применение новой процедуры ограничено системой TN, которая является наиболее часто применяемой системой защиты.