2015-03-20
9410
Для нормального функционирования систем электроснабжения (СЭС) необходимо обеспечить надлежащее качество изготовления, монтажа и эксплуатации установленных в них электротехнических устройств.
Качество электротехнических устройств — это совокупность свойств, характеризующих их пригодность для эксплуатации. для опенки качества используются технико-экономические показатели. Различают технико-экономические показатели назначения, технологичности, стандартизации и унификации, надежности и др.
Таким образом, надежность является составным свойством качества продукции. Однако она имеет ряд особенностей, что приводит к необходимости введения понятий, которые применяются для данного свойства. Термины и определения, используемые в теории надежности систем электроэнергетики, даны в ГОСТ 27.002—89 «Надежность в технике. Основные понятия и определения» и в документе «Надежность систем энергетики. Терминология» (М.: Наука, 2002).
Все термины теории надежности рассматриваются применительно к объекту, под которым понимается предмет определенного целостного назначения. Под объектом можно понимать электротехническое изделие, техническую систему, комплект оборудования. Во всех случаях. когда нет необходимости конкретизировать предмет исследования. говорят об объекте и надежности объекта. Если же рассматривается задача, специфичная только для определенного вида изделия, то говорят о надежности трансформатора, изоляторов линии электропередачи и др.
При построении теории надежности электроснабжения различают три уровня сложности изделия: элемент, устройство, система. Но обычно используется двухпозиционная структура элемент — система. Под системой в теории надежности понимается совокупность совместно действующих объектов. Элементом называется часть системы. Понятия элемента и системы в расчетах надежности относительны. Объект, считающийся системой в одном исследовании, может рассматриваться как элемент, если изучается элемент большего масштаба. Например, если исследуется надежность работы электрической станции, то станция представляется как система, а генераторы, выключатели, шины распределительного устройства, турбины и т. д. — отдельными элементами. Если же исследуется надежность генератора. то отдельные его части: статор, возбудитель и другие, — представляются как элементы, а сам генератор — как система.
Как известно. основной функцией системы электроснабжения является обеспечение всех потребителей электрической энергией в необходимом количестве и надлежащего качества. Поэтому применительно к системе электроснабжения наиболее обоснованным является такое определение понятия надежности электроснабжения: это способность электрической системы снабжать присоединенных к ней потребителей электрической энергией заданного качества в любой интервал времени. При этом понятие надежности включает в себя как бесперебойность снабжения потребителей электроэнергией, так и качество ее — стабильность частоты и напряжения.
Надежность является сложным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения состоит из сочетания свойств — безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемость.
Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки.
Долговечность свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технических обслуживаний и ремонтов.
Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения его отказов, повреждений и устранению их последствий путем проведения технических обслуживаний и ремонтов.
Сохраняемость — свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способность объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования.
Для объектов, являющихся потенциальным источником опасности, к которым следует относить и электроэнергетические объекты, важным понятием является такое понятие, как «безопасность». Кроме этого, для таких объектов вводятся понятия устойчивость и «живучесть», которые, так же как и безопасность, хотя и не входят в общее понятие надежности, но требуют их учета при проектировании и эксплуатации.
С позиций теории надежности объект может находиться в исправном состоянии, неисправном, работоспособном и неработоспособном.
Исправное состояние — это состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической документации (НТД). Если же хотя бы по одному из требований изделие не соответствует НТД, то считается, что оно находится в неисправном состоянии.
Работоспособное состояние — состояние объекта, при котором он способен выполнять (или выполняет) заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных технической документацией. Состояние объекта, при котором значение хотя бы одного заданного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям, установленным НТД, называется неработоспособным.
Понятие «исправное состояние» шире, чем понятие «работоспособное состояние». Работоспособный объект в отличие от неисправного удовлетворяет лишь тем требованиям НТД, которые обеспечивают его нормальное функционирование. При этом он может не удовлетворять, например, требованиям, относящимся к внешнему виду изделия. Работоспособный объект может быть неисправным, однако его повреждения при этом не настолько существенны, чтобы могли препятствовать функционированию объекта.
Объект переходит в неработоспособное состояние после события, которое называется отказом. Понятие отказа занимает одно из центральных мест в теории надежности, поскольку теория надежности — это наука, изучающая закономерности появления отказов технических устройств.
Отказы относятся к мало изученным явлениям. Указанная ситуация объясняется прежде всего тем, что время возникновения отказа зависит от большого числа случайных факторов, его трудно рассчитать и еще труднее измерить. Наблюдая за внешними проявлениями отказов в электроэнергетических системах, можно видеть, что они приводят к различным последствиям — полному прекращению подачи электроэнергии, ухудшению ее параметров, временному прекращению работы системы электроснабжения с последующим ее восстановлением «сбои» и т. п.
Время восстановления отказов и время работы объекта между отказа и представляют собой случайные явления, что объясняется изменением условий эксплуатации, режимами работы технологических систем, принятой системой обслуживания и ремонта электроустановок другими факторами.
При изучении закономерностей отказов наибольший интерес привлекает изучение места и времени возникновения отказа и в промежутке времени восстановления работоспособного состояния объекта.
случайный характер процессов. характеризующих надежность, позволяет заключить. что математическим аппаратом теории надежности могут быть теория вероятностей и математическая статистика. При этом следует иметь в виду, что теория надежности является самостоятельной наукой, а не отдельным разделом теории вероятностей. Она является технической, а не математической дисциплиной, и круг решаемых ею задач не ограничивается теорией вероятностей.
Отказы можно разделить: по характеру процесса появления — на внезапные и постепенные; по связи с другими отказами на зависимые и независимые; по физической картине процесса — на катастрофические и параметрические; по степени влияния на работоспособность — на полные и частичные.
Внезапный отказ характеризуется скачкообразным изменением параметров под воздействием многих случайных факторов, связанных с дефектами элементов, с нарушениями режимов и условий работы, с ошибками обслуживающего персонала и т. п. При постепенном изменении параметров в результате старения узлов и материалов происходит постепенный отказ.
Отказ какого-либо узла относится к независимым отказам, если он не является следствием отказа других узлов.
Отказы типа пробоя изоляции, короткого замыкания относятся к катастрофическим отказам, которые приводят к полному нарушению работоспособности. Параметрические отказы являются частичными отказами и выражаются в ухудшении качества функционирования изделия.
Кроме того, отказы подразделяются на конструкционные, производственные и эксплуатационные отказы.
В зависимости от условий применения электротехнические изделия могут быть восстанавливаемыми и невосстанавливаемыми.
Восстанавливаемый объект — это объект, для которого в рассматриваемой ситуации проведение восстановления работоспособного состояния предусмотрено в нормативно-технической и (или) конструкторской документации. Невосстанавливаемый объект не подлежит восстановлению в рассматриваемой ситуации. Следует отметить, что в зависимости от условий рассмотрения один и тот же объект может быть отнесен к тому или иному виду.
Большая часть элементов систем электроснабжения, в особенности элементов силового типа (генераторы, трансформаторы, линии электропередачи, коммутационная аппаратура, компенсирующие устройства и т. д.), относятся к восстанавливаемым после отказа элементам.
1.2. Задачи оценки надежности электроснабжения потребителей
Расчет надежности систем электроснабжения сводится к определению одного или нескольких количественных показателей на основе исходных характеристик надежности оборудования. Однако, несмотря на кажущуюся простоту такой постановки задачи, проблемы расчета надежности систем электроснабжения связаны с решением достаточно сложных теоретических и практических задач. для расчета надежности необходимо:
• составить математическое описание явлений, связанных с ненадежной работой оборудования;
• принять некоторые характеристики в качестве меры надежности;
• составить математическую модель для расчета;
• провести необходимые расчеты;
• показать адекватность этой модели рассматриваемым процессам.
Известно, что системы электроснабжения относятся к человеко-машинным системам, предназначенным для производства, передачи и распределения электроэнергии, и имеют специфические особенности:
• непрерывное и неразрывное единство производства, распределения и потребления электроэнергии;
• многоцелевое использование электроэнергии и невозможность ее складирования;
• наличие большого количества источников и потребителей электроэнергии;
• непрерывное развитие систем электроснабжения.
Эти особенности электроэнергетических систем делает невозможным постановку в широком масштабе экспериментальных исследований и предопределяют использование теоретических методов с применением исходной информации по материалам эксплуатации.
При проведении таких исследований необходимо учитывать специфику сельских электрических сетей — большую протяженность разветвленность и малую плотность нагрузок, что усложняет задач повышения надежности. Большое число глухих ответвлений несекционированных сетей приводит к отключению всей линии при повреждении в любой точке. Указанное обстоятельство диктует необходимость рационального размещения средств секционирования с целью локализации поврежденного участка сети.
Следует отметить также недостаточное использование в проектных и эксплуатационных организациях расчетных данных о надежности и отсутствие полной и достоверной информации о повреждаемости элементов на местах. данные о надежности сетей напряжением 1000В вообще практически отсутствуют.
В настоящее время имеются технические средства для обеспечения необходимого уровня надежности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей. Однако широкое их использование сдерживается из-за больших затрат. Сетевое резервирование в условиях сельских сетей чаще всего экономически нецелесообразно и не применяется. Кольцевые перемычки между линиями соседних районных подстанций лишь отчасти решают задачу сетевого резервирования, их строительство во многих случаях также не всегда оправдано.
Проблему повышения надежности следует рассматривать как техни-нико-экономическую, сопоставляя затраты на проведение дополнительных мер с уменьшением ущерба от перерывов электроснабжения.
Исследование проблемы надежности систем электроснабжения связано с выбором методов расчета. При этом необходимо учитывать то обстоятельство, что структура является одним их основных факторов, обусловливающих надежность современных систем.
Исследование структуры системы электроснабжения предполагают выявление в ней как в едином целом отдельных элементов, самостоятельных в смысле надежности. Такой подход к надежности предполагает применение элементных методов расчета и анализа надежности, которые получили широкое распространение не только в энергетике, но и в других областях техники. Применение элементных методов расчета связано также с тем, что они отражают реальные особенности функционирования систем и позволяют решать широкий круг задач по исследованию надежности.
Особенностью функционирования систем электроснабжения является то обстоятельство, что отказ элемента системы может не локализоваться в нем самом, а может привести к отключению неотказавших элементов и коммутационных устройств. Поэтому структурная схема надежности отличается от электрической схемы, и возникает самостоятельная задача по составлению расчетных схем сложных систем.
Второй составляющей надежности системы электроснабжения является функциональная надежность, обусловленная особенностями режимных реализаций в электрической схеме, ограничениями режимов и пропускных способностей элементов при изменении структуры в различных состояниях.
Деление на структурную и функциональную составляющие носит условный характер ввиду их взаимосвязи и взаимной обусловленности.
Преимущественное распространение в практике работы проектных и эксплуатационных организаций получили элементные методы расчета надежности.
Основным способом повышения надежности систем электроснабжения является введение избыточности. Этот фактор следует учитывать при расчетах надежности.
На практике избыточность электрических сетей выступает в следующих формах.
1. Резервирование, т. е повышение надежности путем введения структурной (дублирование элементов), функциональной (дублирование функциональных связей);
2. Совершенствование схемно-конструктивных решений и качества применяемых электротехнических изделий.
3. Совершенствование системы планово-предупредительных ремонтов и технических обслуживаний электрооборудования.
4. Разработка и внедрение автоматизированных систем контроля и управления процессами в электроэнергетических системах.
В системах электроснабжения используется широкий спектр технических решений, обеспечивающих введение избыточности: автоматическое повторное включение (АПВ), автоматическое включение резерва (АВР). дублирование генераторных мощностей, увеличение пропускной способности межсистемных связей, использование резервных дизельных электростанций (ДЭС) и т. д. При этом учитывается ряд особенностей построения и функционирования систем электроснабжения.
Поскольку системы электроснабжения состоят из высоконадежных элементов, отказы более двух из них при наличии избыточности являются событиями мало вероятными. Если схема выбирается с резервированием, то, как правило, дублирующий элемент (линия электропередачи, трансформатор) полностью выполняет функции другого элемента при отказе. Если это условие не выполняется, например при значительном росте нагрузки, то предусматривается отключен части потребителей. Поэтому в большинстве случаев полный отказ системах электроснабжения при наличии резервирования возможен случае выхода из строя не менее двух независимых элементов.
В электрических сетях напряжением менее 35 кВ резервирующий элементы выбирают таким образом, чтобы при отказе одного из элементов в другом обычно не возникало недопустимых изменений параметров и он полностью обеспечивал выполнение функций обоих элементов.
Для большей части практических задач, например при проектировании, нет необходимости рассматривать показатели надежности на коротких интервалах времени, поэтому можно не учитывать начальные состояния элементов.
При расчетах структурной надежности целесообразно использовать простые вероятностные модели, приняв при этом условие, что отказы элементов независимы и поток отказов является простейшим а время безотказной работы во много раз больше времени восстановления.
При оценке структурной надежности целесообразно ввести понятие «расчетный элемент», который может отличаться от понятия «элемент системы». Под расчетным элементом будем понимать объект или группу объектов системы электроснабжения, отказ которых снижает уровень надежности. В первую очередь к такой категории относятся такие электротехнические изделия, как генераторы, трансформаторы, выключатели, отделители, короткозамыкатели, сборные шины распределительных устройств. Несколько условно к элементам относятся линии электропередачи. Для упрощения расчетов элементы могут объединяться.
В проектных расчетах обычно анализируется система относительно большого размера, а общая система проектируется по частям. В эксплуатации чаще возникает задача оценки надежности схем большого размера, содержащих сотни, а иногда и тысячи элементов.
К настоящему времени методы расчета надежности достаточно хорошо разработаны для использования в проектной и эксплуатационной практике.
