Методы и технические средства повышения надежности сельских электроустановок

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ 
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

Кафедра электроснабжения  
и эксплуатации  
электрооборудования 

МЕТОДЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА 
ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ  
СЕЛЬСКИХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК 

Монография 

Ставрополь 
2019 

УДК 621.3 
ББК 40.76 
М54 

Авторский коллектив: 

д.т.н., профессор В. Я. Хорольский; 

к.т.н., доцент А. В. Ефанов; 

к.т.н., доцент А. Б. Ершов; 

к.т.н., доцент В. Н. Шемякин  

М54  
Методы и технические средства повышения надежности 
сельских электроустановок : монография / В. Я. Хорольский, 
А. В. Ефанов, А. Б. Ершов, В. Н. Шемякин ; Ставропольский гос. аграрный ун-т. – Ставрополь, 2019. – 108 с.  

Проведен сопоставительный анализ существующих методических подходов к совершенствованию эксплуатационного обслуживания 
с целью повышения надежности работы электрооборудования, в том 
числе переходу обслуживания электрооборудования по фактическому 
состоянию. 
Рассмотрены вопросы: характеристики парка электрооборудования, используемого на предприятиях АПК; эксплуатационной надежности электрооборудования сельскохозяйственных предприятий; влияния условий эксплуатации и режимов работы на надежность электрооборудования; разработки рекомендаций по повышению надежности 
электрооборудования; дополнительных мер по повышению надежности 
электрооборудования с учетом специфики сельских электроустановок; 
расчета величины ущерба при отказах электрооборудования. 
Изложение материалов подкреплено примерами повышения надежности работы электрооборудования в сельскохозяйственных организациях и объектах переработки сельскохозяйственной продукции. 

УДК 621.3 
ББК 40.76 

Выпущена по результатам Государственного контракта  
с министерством сельского хозяйства Ставропольского края  
№ 216/18 от 20 августа 2018 г. 

© ФГБОУ ВО Ставропольский государственный 
аграрный университет, 2019 

Введение 

Электрооборудование в условиях сельского хозяйства эксплуатируется в специфических условиях. Для таких электроустановок характерна широкая номенклатура используемого оборудования, тяжелые условия эксплуатации, недостаточная квалификация технологического и 
специального электротехнического персонала, несвоевременное и некачественное проведение эксплуатационных мероприятий. 
Все это приводит к снижению эксплуатационной надежности 
электрооборудования. В настоящее время на предприятиях АПК происходит замена устаревшего парка электротехнических изделий.  
Надежность является комплексным понятием, включающим безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость электрооборудования, а также сочетаемость этих свойств. Специфика сельскохозяйственного производства предполагает как использование единичных показателей надежности, так и комплексных показателей, таких 
как: коэффициент оперативной готовности, коэффициент технического 
использования и др. 
Среди различных мер, способствующих повышению надежности, 
следует выделить: резервирование электроустановок, использование 
специальных видов защит от аварийных режимов, совершенствование 
эксплуатационного обслуживания электрооборудования, а также специфические мероприятия, обусловленные особенностями построения и 
функционирования сельских электроустановок. 
Ранее применявшиеся устройства защиты электрооборудования от 
аварийных режимов: тепловые реле, встроенная температурная защита, 
фазочувствительные устройства защиты устарели и не отвечают современным требованиям. На смену им пришли микропроцессорные устройства защиты, осуществляющие выполнение своих функций по совокупности диагностируемых параметров. Такие устройства отечественного производства освоены, и имеются на рынке электротехнической 
продукции. Вопрос заключается в более широком их использовании. 
Надежность светотехнических изделий может быть существенно повышена путем использования светодиодных ламп. 
Совершенствование эксплуатационного обслуживания с целью 
повышения надежности связано с реализацией на предприятиях АПК 
плановой системы обслуживания, а в перспективе и переход на систему 
обслуживания по  текущему состоянию. Комплекс мероприятий, проводимых на предприятиях АПК по повышению надежности электрооборудования должен выполняться с целью доведения ее до уровня промышленных показателей. 

1. Краткая характеристика парка электрооборудования, 
используемого на предприятиях АПК 

Одной из основных особенностей электрооборудования сельскохозяйственных предприятий является широкая номенклатура применяемых изделий при относительно небольшой мощности аппаратов и 
малой повторяемости однотипных агрегатов. 
По объему установленного электрооборудования агропромышленный комплекс занимает первое место по сравнению с другими отраслями народного хозяйства. В сельском хозяйстве используется более 300 
наименований электротехнических изделий. 
В состав электрооборудования входят: электрические машины, электронагревательные установки, электроосветительные и облучательные 
приборы, пускозащитная аппаратура, а также электроустановки, обеспечивающие питание электрически энергией сельскохозяйственных предприятий. 

1.1. Электрические двигатели 

Благодаря простоте конструкции, высокой надежности и невысо
кой стоимости асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором (далее по тексту АД), является наиболее распространенным электродвигателем. Свыше 85 % всех электрических машин – это трехфазные асинхронные электродвигатели. По статистике сейчас в общественном производстве России находится не менее 50 млн. единиц трехфазных АД напряжением 0,38 кВ. 
В сельском хозяйстве для привода машин и механизмов в основном применяются асинхронные короткозамкнутые электродвигатели. 
Эти двигатели просты в эксплуатации и надежны в работе, имеют сравнительно невысокую стоимость. Такие электродвигатели не имеют щеточно-коллекторного механизма, что помимо высокой надежности 
обеспечивает минимум эксплуатационных затрат. По разным оценкам 
до 70 % всей электроэнергии, преобразуемой в механическую энергию, 
потребляется асинхронными электродвигателями. 
Из общего количества электродвигателей, используемых в сельском хозяйстве в среднем 40 % приходится на животноводство, выборочные исследования [11] отдельных электрифицированных объектов 
показывают, что средняя мощность одного электродвигателя на предприятиях АПК составляет 5,5 кВт, при этом среднее количество элек

тродвигателей мощностью до 1 кВт в хозяйствах составляет 10 %, от 1 
до 3 кВт – 45 %, от 3 до 5 кВт – 14, 5 %, от 5 до 10 кВт – 19 %, свыше 10 
кВт – 11, 5 %. Существенное влияние на распределение электродвигателей по мощности оказывают тип хозяйства и технология производства 
продукции. 
Установлено, что электродвигателей сельскохозяйственного исполнения требуется 33 %, влагоморозостойкого исполнения – 10 %, пылезащитного – 15 % от общего количества используемых электродвигателей. 
К недостаткам асинхронных короткозамкнутых электродвигателей 
следует отнести большие пусковые токи, превышающие в 5–7 раз номинальные значения, и малые развиваемые при этом моменты. 
Технический уровень асинхронных электродвигателей в стране 
непрерывно повышается. Это предопределяет периодическую замену 
одних серий электродвигателей другими более совершенными. 
На рынке отечественной электротехнической промышленности в 
настоящее время можно встретить электродвигатели серий 4А, АИ, 5А, 
RA, 6А, 7А. Наибольшее распространение получили электродвигатели 
серий 4А и АИ. 
Электродвигатели серии 4А были разработаны в СССР в 1973 году 
с учетом последних достижений науки и техники на тот период. Для 
них специально разработаны современные электроизоляционные материалы, новая холоднокатаная сталь, новые шарикоподшипники с постоянно заложенной смазкой. Это дало возможность облегчить разрабатываемый электродвигатель по сравнению с электродвигателями старых 
серий на 25 %. На их производство расходуется меньше электротехнической стали на 24 %, меди на 25 %, чугуна на 20 %, алюминия на 10 %, 
стального проката на 30 %. Двигатели с высотой оси вращения 50–132 
мм, наиболее часто используемые в сельском хозяйстве, имеют подшипники, не требующие замены смазки. Для предотвращения попадания внутрь двигателя воды и дезинфицирующих растворов имеется 
сальниковое уплотнение вала. Для покрытия наружных и внутренних 
поверхностей станины и щитов используется химически стойкая эмаль. 
Электродвигатели серии 4А охватывают диапазон от 0,06 до 
400 кВт. Предусмотрено 3 степени защиты: закрытое (IP 44), защищенное (IP 23) и пылезащищенное исполнение (IP 54) исполнение. 
Расчетный срок службы двигателей не менее 15 лет при наработке 
40 тыс. ч, при этом наработка обмотки статора – не менее 20 тыс. ч, расчетная наработка подшипников 14 тыс. ч. Вероятность безотказной работы не менее 0,9 за 10 тыс. ч наработки. [5]. Впервые в мировой практике в серии были стандартизованы показатели надежности. 

Кроме основного исполнения электродвигатели 4А имеют модификации: электрические, конструктивные, по условиям окружающей среды и 
узкоспециализированные, в том числе и для сельского хозяйства. Сельскохозяйственная модификация охватывает кроме основного исполнения 
модификации: с повышенным скольжением, с повышенным пусковым 
моментом, со встроенной температурной защитой, многоскоростные электродвигатели. 
Особенность окружающей среды в животноводческих помещениях 
сельскохозяйственных объектов является высокая (до 100 %) влажность 
воздуха и наличие химически активных реагентов. Это потребовало создания специальных электродвигателей сельскохозяйственного назначения 
влагоморозостойкого и химостойкого исполнения одновременно. Они выполнены как на базе электродвигателей серии 4А основного исполнения, 
так и для электродвигателей модификаций с повышенным пусковым моментом и повышенным скольжением. В условном обозначении двигателей сельскохозяйственного исполнения присутствует буква С, которая 
пишется после обозначения числа полюсов, например, электродвигатель 
4АМ100L4СУ1. 
Двигатели серии АИ являлись новой совместной разработкой специалистов бывших стран социалистического содружества в рамках международной организации Интерэлектро. Это унифицированная серия, 
отвечающая перспективному уровню развития мирового электромашиностроения. Они предназначены для замены асинхронных электродвигателей серии 4А и ее модификаций. Двигатели серии АИ отвечают 
всем рекомендациям МЭК, отечественным стандартам и стандартам 
СЭВ. Шкала мощностей составляет от 0,025 до 400 кВт. 
Электродвигатели серии АИ в отличие от серии 4А имеют: 
 улучшенные энергетические показатели и пусковые характеристики, соответствующие рекомендациям МЭК; 
 повышенные показатели надежности;
 улучшеные виброакустические характеристики (на 10–15 дБ и ниже); 
 сниженный расход активных материалов (меди на 2,5 %, электротехнической стали – на 4 %); 
 уменьшенную массу асинхронного электродвигателя и конструкционных материалов, соответственно, на 10–15 % и 15–20 %; 
 кратность пусковых токов при числе полюсов 2 и 4 достигает 7–
7,5, а при 6 полюсах и более – не превышает 6,5. 
Новая серия асинхронных электродвигателей 5А разработана и освоена на территории России. Исполнение электродвигателей серии 5А 
выполнено по традиционной конструкционной схеме закрытых обду

ваемых машин с оребренной станиной и центробежным вентилятором. 
Ресурс таких двигателей достигает 30 000 ч, а КПД выше в среднем на 
0,5–1,5 %. Повышение КПД в основном достигалось за счет оптимизации размеров активных частей и обмоточных данных. Следует заметить, 
что присоединительные размеры электродвигателей 5А совершенно 
идентичны присоединительным размерам электродвигателей серий 4А 
и АИ. 
Аналогичные характеристики имеют электродвигатели серии А, 
выпускаемые Ярославским моторостроительным заводом. Градация 
мощностей и присоединительные размеры их полностью соответствуют 
электродвигателям 
серии 
5А. 
Кроме 
этого 
ОАО 
«СИБЭЛЕКТРОМОТОР» в настоящее время выпускает электродвигатели сери АД. Они имеют привязку мощностей к установочным и присоединительным размерам по российским стандартам и полностью взаимозаменяемы с сериями 4А, АИ, 5А. Двигатели выпускаются в корпусе из 
алюминиевого сплава с вертикально-горизонтальным оребрением. Возможно исполнение и в чугунном корпусе. Подшипниковые щиты изготовлены из алюминиевого сплава с армированием ступицы под посадку 
стальной втулки. Основная особенность двигателей данной серии  повышенное по сравнению с двигателями серий 4А, АИ, 5А значение пусковых и максимальных вращающих моментов, что позволяет использовать их взамен двигателей с повышенным скольжением. 
Электродвигатели серии RА (российские асинхронные электродвигатели в диапазоне мощностей от 0,37 до 100 кВт), производство которых налажено на Ярославском моторостроительном заводе, и серии 
6А производства ОАО «СИБЭЛЕКТРОМОТОР» имеют привязку к установочным и присоединительным размерам по европейским стандартам «CENELEC» DIN 42673/ DIN 42677. При разработке таких электродвигателей добивались получения высоких энергетических, надежностных, пусковых и вибрационно-акустических характеристик при одновременном снижении их массы. Однако в связи с переходом на другую 
высоту оси вращения эксплуатационные службы сельскохозяйственных 
предприятий крайне неохотно применяют электродвигатели этих серий. 
Оправдано использование их при новом строительстве и при замене 
асинхронных электродвигателей на новом оборудовании. 
Необходимо отметить, что электродвигатели новых серий 5А, 6А, 
7А, RA находят все большее применение в сельском хозяйстве и промышленности. Однако повышение энергетических характеристик электродвигателей за счет снижения их электромагнитных нагрузок и совершенствования конструкции электрических машин имеет ограниченные возможности. Относительно небольшое увеличение КПД достигается за счет существенного (до 20–25 %) увеличения расхода активных 

материалов. Кроме того, достижение высокой энергетической эффективности возможно лишь при определенных, относительно стабильных 
нагрузках и при высоком качестве питающего напряжения. 
Электродвигатели рассматриваемых серий выпускаются двух модификаций – обычного исполнения и энергосберегающего исполнения. 
Энергосберегающие электродвигатели начали активно внедряться 
в производственные технологические процессы с середины семидесятых годов ХХ века преимущественно в Европе и Северной Америке. 
Конструкция этих электродвигателей имеет на 20–30 % больше 
активных материалов (стали, меди, алюминия), что в свою очередь снижает уровень потерь (до 30 %) при работе электродвигателя и увеличивается коэффициент полезного действия. В двигателях малой и средней 
мощности (до 10 кВт) рост КПД доходит до 5 %, а в двигателях большой мощности – 1 %. При этом стоимость электродвигателей возрастает 
на 20–30 % и по оценке экспертов срок их окупаемости составляет порядка двух лет [7]. 
В России в 2001 году введен ГОСТ Р 51677-2000 «Машины асинхронные мощностью от 1 до 400 кВт включительно. Двигатели. Показатели энергоэффективности.». Этим стандартом регламентируются КПД и 
коэффициент мощности трехфазных асинхронных электродвигателей с 
короткозамкнутым ротором общепромышленного назначения с точки 
зрения их энергоэффективности. Определено два значения КПД – нормальный и повышенный. Нормальный КПД устанавливается на уровне 
двигателей серии АИ. Электродвигатели с повышенным КПД имеют 
суммарные потери мощности на 20 % ниже, чем в двигателях с нормальным КПД. 
В Российской Федерации основными производителями энергосберегающих электродвигателей являются Ярославский электромашиностроительный завод и Владимирский электромоторный завод. Последнее предприятие выпускает энергосберегающие электродвигатели серий 5А, 6А и 
7АЕV. 
Несмотря на большую работу, проводимую по совершенствованию конструкции асинхронных электродвигателей, одним из основных 
недостатков является потребление ими реактивного тока из сети, поскольку коэффициент мощности у них меньше единицы, что приводит к 
неизменным потерям энергии. К настоящему времени уже разработаны 
и выпускаются компенсированные асинхронные электродвигатели, которые практически не потребляют из сети реактивную мощность (соs φ 
= 1). Конструкция таких электродвигателей представляет собой обычный асинхронный электродвигатель с дополнительными выводами из 
обмотки статора и встроенного устройства компенсации реактивной 
мощности. При этом увеличение стоимости таких электродвигателей по 

сравнению с обычными серийными машинами составляет не более 10 
%. Компенсированные электродвигатели могут быть изготовлены на 
любую мощность до 1000 кВт и напряжение от 220 В до 10 кВ. Встроенная компенсация дает повышение выходной мощности электродвигателя на 3–3,5 %, повышение пускового момента и перегрузочной способности на 15–20 %. Приоритетные сферы применения таких электродвигателей: насосы, вентиляторы, компрессоры. 
В сельском хозяйстве большое распространение получили также 
погружные электродвигатели типа ПЭДВ мощностью 2–65 кВт. Конструктивно они существенно отличаются от электродвигателей единых 
серий. Основные отличия: обмотки выполняются специальным проводом, допускающим работу в воде; ротор имеет подшипник скольжения, 
смазываемый водой, корпус герметизирован и заполнен водой. 
Подавляющее же число электроприводов в сельском хозяйстве до 
последнего времени являются нерегулируемыми, построенными на основе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Существенно повысить эффективность использования таких установок с точки 
зрения энергоиспользования можно путем использования частотного 
регулирования. Регулируемый электропривод в каждый момент времени передает рабочему органу технологической установки требуемую 
мощность при минимальных потерях во всех элементах силового канала. 
Для его реализации в силовой канал электропривода включается 
дополнительный элемент – преобразователь электрической энергии, подающий на асинхронный электродвигатель напряжение с регулируемой 
амплитудой и частотой (рисунок 1.1). В результате применения регулируемого электропривода снижаются потери во всех элементах силового 
канала и обеспечивается подача необходимой мощности рабочему органу, поскольку образующие мощность величины (момент и угловая скорость) с помощью преобразователя настраиваются на оптимальные величины. 

Рисунок 1.1 – Силовой канал электропривода с преобразователем  
электрической энергии 

Наибольший экономический эффект от использования частотного 

регулирования можно получить на объектах, обеспечивающих подачу 
газов и жидкостей при изменении их потребления. 

При использовании частотно-регулируемого преобразователя помимо экономии электроэнергии достигается ряд технических преимуществ: обеспечивается плавный разгон и торможение двигателя, ограничивается пусковой ток на уровне номинального тока в рабочих и аварийных режимах, достигается увеличение срока службы механической 
и электрической частей оборудования, высвобождается часть коммутационного оборудования и автоматических устройств. 

Преимущества применения частотно-регулируемого электропри
вода удобно рассмотреть на примере водопроводных перекачивающих 
станций. На таких станциях регулирование подачи воды обычно осуществляется несколькими насосами путем поочередного включения их в 
работу, за счет этого обеспечивается ступенчатое регулирование. При 
использовании частотно-регулируемого электропривода отпадает необходимость в использовании нескольких насосов, достаточно использовать один насос, кроме этого можно не использовать часть клапанных 
задвижек, трубопроводов и другой арматуры. 

Водопроводные башни, широко используемые в сельской местно
сти, применяются для выравнивания рабочего давления при прерывистом режиме работы насоса. При использовании электропривода с частотным регулированием необходимость в использовании таких сооружений либо совсем отпадает, либо габариты их могут быть существенно 
уменьшены. 

Кроме прерывистого регулирования подачи воды на насосных 

станциях существует способ дросселирования с помощью специальных 
клапанов. Регулирование путем дросселирования сводится к уменьшению потока жидкости в трубопроводе с помощью клапана, что приводит 
к дополнительному расходу энергии, т. к. насос должен постоянно преодолевать противодавление, создаваемое клапаном. В этом случае энергия потока, сдерживаемого задвижкой или клапаном, теряется, не совершая работы. Применение преобразователя частоты в составе насосного агрегата позволяет задать необходимое давление или расход, что 
обеспечивает не только экономию электроэнергии, но и снижение потерь подаваемого вещества вследствие уменьшения его утечек, связанных давлением. 

Эффективность использования частотного регулирования по срав
нению с дросселированием показана на рисунке 1.2.