Надежность электроснабжения потребителей

Определение надежности основывается на понятии объекта опреде­ленного назначения, рассматриваемого в периоды проектирования, производства, эксплуатации, исследований и испытаний, и дается через перечисление существенных признаков: сохранять во времени в уста­новленных пределах значения всех параметров, характеризующих спо­собность выполнять требуемые функции в заданных режимах и усло­виях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.

Надежность объекта обеспечивается его безотказностью, долговеч­ностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью. Надежность электро­энергетической системы определяется ее свойством осуществлять

производство, преобразование, передачу и распределение электроэнер­гии с целью бесперебойного электроснабжения потребителей в заданном количестве при допустимых значениях показателей качества. Надеж­ность электроэнергетической системы и установки обеспечивается без­отказностью и восстанавливаемостью ее элементов, устойчивостью, управляемостью, живучестью и безопасностью, как самой системы (уста­новки), так и ее элементов.

Надежность электроснабжения исследуется по двум причинам: затра­ты на резервирование D3 составляют до 50% затрат в систему электро­снабжения 3; ущерб от недостаточной надежности У иногда соизмерим с затратами в системе электрики. Для оптимизации надежности электро­снабжения ее надо уметь количественно оценивать.

Для электроприемников и потребителей, последствия недостаточной надежности, электроснабжения которых определяются значением ущер­ба, критерием оптимальности служит min(3_i + У_i). При ограниченно­сти затрат З_регл рационален критерий max R_i при 3_i £ 3 _регл, где R_i — оцениваемая надежность электроснабжения.

Для электроприемников и потребителей, последствия недостаточной надежности которых неоценимы в денежном выражении, надежность регламентируется величиной R_регл, а оптимальный вариант системы электроснабжения обеспечивает критерий min 3_i при R_i ³ R_регл

Элемент — объект, представляющий собой простейшую часть систе­мы, способную самостоятельно выполнять некоторые локальные функ­ции. Элементом может быть, например, трансформатор, выключатель, линия передачи.

По характеру исполнения и функционирования объекты могут быть восстанавливаемыми и невосстанавливаемыми. У первых после отказа работоспособность восстанавливается ремонтом и техническим обслу­живанием, у вторых восстановление работоспособности считается или является невозможным.

Наличие или отсутствие повреждений в объектах определяет ис­правное состояние, при котором он соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией, или неисправ­ное состояние, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической документации.

По способности объекта выполнять заданные функции его состоя­ния разделяются на работоспособное, при котором он способен выпол­нять заданные функции, сохраняя значения основных параметров, и неработоспособное, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не со­ответствует требованиям нормативно-технической документации.

Уровень надежности системы снижается вследствие возникновения отказов, подразделяемых: по тяжести — на частичные и полные; по внезапности возникновения - на внезапные и постепенные; по завися-

мости от работоспособности других объектов — на зависимые и не­зависимые. Самовосстанавливающийся отказ называется сбоем.

Безотказность — свойство непрерывной работоспособности в тече­ние некоторого времени или наработки; ремонтопригодность — свойство предупреждения, обнаружения и устранения отказов; сохра­няемость — свойство сохранения работоспособности в течение срока хранения, после него и после транспортировки; долговечность — свойство сохранения работоспособности в промежутках между техниче­ским обслуживанием объекта. Накоплен богатый опыт количественной оценки первых двух свойств и ограниченный — третьего свойства.

Избыточность — метод повышения надежности за счет использования дополнительных возможностей (элементов, выполняемых функций, времени выполнения задания и т. п.) сверх минимально необходимых.

Количественные показатели по их смысловому значению можно раз­делить на: 1) вероятностные, основанные на использовании термина "вероятность" (чего-то); 2) использующие средние значения (матема­тические ожидания); 3) коэффициенты.

Вероятностные показатели используются при исследовании безотказ­ности, в частности для оценки безотказной работы R (t). Вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ не возникнет, R(t)= Р{V ³ t}, вероятность отказа Q(t) = P{V < t], причем R(t) + Q(t) = 1.

Средние значения используются для оценки безотказности и ремон­топригодности в виде: средней наработки Т (обратное значение - па­раметр потока отказов w ); среднего времени восстановления т_в (об­ратное значение — интенсивность восстановления m); среднего времени работы между планово-предупредительными ремонтами Т_п (обратное значение - параметр потока ППР w_п); среднего времени проведения ППР т_{в. п} (обратное значение - интенсивность восстановления при ППР m_п).

Коэффициенты оценивают не единичные свойства, а два-три одно­временно. Для одновременной оценки безотказности и ремонтопригод­ности используются: коэффициент готовности — вероятность работо­способного состояния в произвольный момент времени К_Г = Т / (Т + Т_в) = m / (m + w); коэффициент простоя К_п = Т_в/(Т+ Т_в) = w/(m + w), причем К_Г + К_п = 1; опасность отказа r = Т_в / Т = w / m и опасность проведения ППР r_п=Т_в.п/Т_п = w_п/m_п.

Все математические модели надежности, используемые для количе­ственной оценки, можно разделить на элементарные, упрощенные, простые и сложные. Элементарная модель основана на дифференциро­вании электроприемников и потребителей по характеру и тяжести последствий нарушения электроснабжения. Характер считается эко­номическим, если последствия подлежат экономической оценке, и особым, если не подлежат ей. Тяжесть последствий подразделяет на-

грузки на категории: особая группа состоит из одной категории, а эко­номическая — из трех.

В упрощенной модели различают состояния работы и аварийного ремонта, оцениваемые вероятностными характеристиками. Восстанов­ление после отказа считается неограниченным, полным, осуществляется ремонтом. Резервирование считается только нагруженным. Мощности потребителей считаются детерминированными, особые режимы работы не учитываются.

В простой модели учитываются ППР, возможности восстановления после отказа автоматическими или ручными переключениями и ряд особых режимов.

В сложных моделях, практически не используемых в сетях элект­рики, предлагаются для учета все особенности реальной системы.

Методы надежности могут быть разбиты на две группы: элементар­ные, когда оценка надежности производится с помощью инженерных (опосредованных) или даже натуральных показателей, не требующие использования специального математического аппарата; простые, осно­ванные на использовании эмпирически разработанных аналитических подходов или на логико-вероятностных специализированных тополо­гических и комплексных методов. Группу сложных методов образуют общие топологические, матричные и общие аналитические методы расче­та надежности. Системный подход заключается в согласовании точно­сти исходных данных, математических моделей и методов их исследо­вания.

Качество исходных данных (статистика) о показателях надежности электрооборудования (вместе с показателями ущерба от нарушений электроснабжения и сведениями о режимах работы и ППР) оценива­ется точностью — шириной доверительного интервала, накрывающего показатель, и достоверностью — вероятностью не совершить ошибку, выбирая этот интервал. Точность математических моделей надежности оценивается их адекватностью реальному объекту, а точность метода расчета надежности - адекватностью полученного решения идеально­му. Исследование точности исходных данных выявило целесообраз­ность их оценки не в целом для системы, а для отдельных иерархиче­ских уровней.

Для 1УР-2УР практически отсутствует информация о показателях надежности работы электрооборудования (за исключением двигателей 1УР), о показателях ущерба от нарушений электроснабжения. Для 5УР, 4УР состояние информационной базы удовлетворительно. Имеют­ся сведения о надежности элементов, данные об ущербах. Возможна оценка последствий ограничения в электроснабжении. Однако отказ оценивается в целом без дифференциации его по факторам и особен­ностям. Ограничена информация о режимах электропотребления и ре­жимах работы оборудования. На ЗУР информация существует, но оцен­ка ее точности затруднительна.

В целом наибольшие ограничения задаче расчета надежности создает точность исходных данных. С четом точности особенностей математи­ческих моделей и методов их исследования для систем на 1УР-ЗУР рекомендуются логико-вероятностные методы, а на 4УР-5УР - специа­лизированные логико-топологические и общие топологические методы.

Математическая модель надежности на 1УР-ЗУР является простой, бинарной, с отказом элементов типа короткого замыкания. Учитыва­ется мощность, пропускная способность и степень требования к на­дежности электроснабжения. Возможен не только расчет надежности, но и оценка недоотпуска электроэнергии. При этом не учитываются планово-предупредительный ремонт, возможности ограничения в вос­становлении, недопустимые режимы работы и др.

Рекомендуемыми логико-вероятностными методами (ЛВМ) расче­та надежности называют методы, в которых математическая модель на­дежности элементов и системы описываются с помощью функций ал­гебры логики (ФАЛ), а показатели надежности вычисляются с помощью теорем теории вероятностей. Расчет надежности с помощью ЛВМ состоит из двух этапов: 1) перехода от словесного описания процесса функцио­нирования системы к формализованному; 2) количественного учета показателей надежности элементов для нахождения показателей надеж­ности системы. Для практического использования предлагаются логико-аналитический (ЛАМ) и логико-топологический (ЛТМ) методы и табли­цы готовых решений.

Первым этапом расчета надежности во всех этих методах является нахождение по качественному описанию системы и условиям ее работы (отказа) формализованной записи этих условий через состояние элемен­тов системы. Найденные условия, являющиеся функциями работоспо­собности (неработоспособности) системы, записываются в аналитиче­ской или графической форме. Они представляют собой функцию мини­мальных путей (ФМП) или функцию минимальных сечений (ФМС). Минимальным путем f_i (сечением y_i) называется минимальная сово­купность таких элементов системы, одновременное работоспособное (неработоспособное) состояние которых обеспечивает работоспособ­ное (неработоспособное) при логическом сложении состояние системы:

где f_i = х_j х_k; y_i = x_i x_q; x_j, x_i — обозначения соответственно рабо­тоспособного и неработоспособного состояния элементов из общего числа, элементов п и числа необходимых для работы элементов т. _ В практических расчетах надежности предпочтительнее находить F, которую можно определить приближенно в виде сочетаний значимых отказов элементов. Если условия отказа сложны, чтобы найти функ-

цию минимальных сечений (путей), можно рассматривать несколько частных отказов как совокупность локальных.

Второй этап расчета надежности в ЛАМ осуществляется за два шага: 1) по F(F) находится соответствующая вероятностная функция (по­лином) R (Q) в аналитической форме через соответствующие вероят­ности отказа (безотказной работы) элементов. Для не очень сложных ФАЛ эти полиномы вычисляются непосредственным применением тео­рем теории вероятностей о вероятности суммы и произведения собы­тий. В сложных случаях вводится или специализированное упрощение ФАЛ, или упрощение процесса нахождения полиномов. Подстановкой в эти полиномы количественных значений коэффициентов готовности r_i. (простоя q_i) элементов находят значения коэффициента готов­ности или простоя системы; 2) по полученным полиномам вычисляют время безотказной работы Т и время восстановления Т_в:

— соответственно частные производные от аналитического выражения коэффициентов готовности, простоя системы и простоя элементов. Логико-топологический метод, являясь точным методом, позволяет получать и приближенные решения. Вначале получают логические функ­ции F и F (как и в ЛВМ). Затем для каждого минимального сечения (пути) из F(F) находят составляющие опасности отказа системы Q» Р» и составляющие числителя Q и знаменателя А в выражении из ЛАМ для нахождения Т_в. Значения Т находятся по Р и Т_в: Т = Т_в / Р

Для систем на 4УР—5УР в математической модели надежности эле­ментов, характеристики которых учитываются при расчете надежности, рассматриваются основное силовое оборудование, средства канализа­ции электроэнергии и коммутационная аппаратура. Устройства релей­ной защиты и автоматики учитываются при формулировке условий отказов системы и в характеристиках коммутационной аппаратуры. Нерассматриваются незначимые элементы, которые из-за своих функ­циональных свойств, места расположения или показателей надежности практически не влияют на работу системы электроснабжения.

Для уменьшения размерности несколько смежных элементов, отка­зы и ППР которых приводят к одинаковым последствиям, агрегиру­ются в один элемент. Элементы восстанавливаемы и могут находиться

в нормальной работе, аварийном ремонте или ППР. Последнее не учи­тывается, если ППР электротехнического и технологического обору­дования совмещаются. В аварийный ремонт элементы попадают из-за отказа типа КЗ, для устранения которого требуется локализация ме­ста отказа. Вывод в ППР элементов не допускается в не резервированном режиме работы.

Дальнейшее увеличение числа учитываемых факторов и особенно­стей в математической модели элемента (учет вероятностных характе­ристик от времени года, нахождения в нагруженном или облегченном резерве, ускоренном выводе из ППР, учет графика нагрузки, большого числа отказов работоспособности, особых режимов работы и т. д.) допустимо осуществлять после обоснования необходимости и возмож­ности такого увеличения с учетом неопределенности исходной инфор­мации. В реальной системе из общего числа отказов F_ij (i — разновид­ность отказов; j — способы локализации отказов) не более пяти отка­зов можно отнести к числу значимых по последствиям, определяющих уровень надежности системы электроснабжения в целом. Значимость отказа характеризуется, с одной стороны, требованием к надежности электроснабжения технологического процесса, а с другой стороны — степенью обеспечения этих требований и в целом определяется оцен­кой ущерба из-за данного вида отказа.

Наиболее распространенные значимые отказы — полный перерыв электроснабжения наиболее чувствительных потребителей на время автоматических и ручных переключений и ремонтов. Когда экономиче­ской оценкой надежности служат усредненные показатели ущерба, показателем надежности служит вычисленный по Р условный недоотпуск электроэнергии.

Значение разового ущерба от внезапного нарушения электроснаб­жения технологических процессов зависит от: 1) характера наруше­ний — внезапного или с заблаговременным предупреждением. В пер­вом случае удельный разовый ущерб оценивается составляющими у_a и y_B (определяемыми фактором внезапности и фактором продолжи­тельности), во втором случае — только составляющей у_в; 2) продол­жительности нарушения t_п = t_b + Т _техн; 3) глубины нарушения у (у = 1 для полного перерыва электроснабжения, у < 1 для ограничения электроснабжения); 4) свойств и соотношения первичных и вторичных производств, на которых отражается нарушение электроснабжения, и их производительности П_а,П_в. Первичным (а) считается производство, нарушение режима работы которого определяется непосредственно нарушением электроснабжения; вторичным (в) - производство, нару­шение режима работы которого определяется нарушением режима работы первичного производства.

Зная показатели производств, удельные показатели первичного и вторичного ущерба и вспомогательные характеристики (время восста-

новления технологического процесса после нарушения электроснаб­жения Т_{техн а}; допустимую продолжительность нарушения технологи­ческого процесса первичного производства, не приводящую к наруше­нию режима работы вторичного, Т_0в список вторичных в производств, технологически зависящих от любого первичного), разовый ущерб от внезапного нарушения электроснабжения регламентированной продол­жительностью Т_в можно оценить с помощью выражений

Могут быть учтены характеристики а^/, П^/_а взаимосвязанных с в про­изводств, однотипных а, но на которых сохраняется электроснабжение.

Существует много методов повышения надежности. Основным явля­ется резервирование, т. е. применение дополнительных элементов для обеспечения повышенной надежности. Оно применяется в двух вари­антах: жесткое резервирование и резервирование путем переключения. В электрике применяется второе, основанное на автоматическом вклю­чении резерва (АВР) и использовании агрегатов гарантированного пи­тания (АГП). АВР является проверенным длительным опытом эксплуа­тации средством повышения надежности электроснабжения и работы электрооборудования промышленных предприятий. Эффективность работы обеспечивается применением, например, тиристорных выклю­чателей в схемах АВР, увеличением быстродействия приводов выклю­чателей.

Выбор агрегатов гарантированного питания и автономных электро­станций небольшой мощности обусловливается требованиями, предъ­являемыми к бесперебойности питания потребителей при переключе­нии основных источников питания на аварийные. АГП различаются по мощности, напряжению, роду тока, времени запуска и длительности работы. В качестве первичных источников энергии используются акку­муляторные батареи, дизель-генераторные агрегаты, газотурбинные установки, автономные передвижные электростанции. При отсутствии жестких требований в отношении времени перерыва питания могут использоваться автономные электростанции или АГП на базе дизель генераторов с маховиком на валу.

Кроме резервирования существуют другие методы, применяемые на практике, например метод, основанный на улучшении ремонтопри­годности оборудования и заключающийся в использовании втычных контактов применительно к электроаппаратам. Это резко сокращает время замены этих аппаратов в случае аварии (по сравнению с аппара­тами с болтовыми присоединениями).

Применяется также метод тренировки или "выжигания". Известно, что всякое изделие проходит через три стадии. Во время первой (на­чальной) стадии работа оборудования характеризуется относительно высокой интенсивностью отказов. Вторая стадия характеризуется по­стоянством интенсивности отказов. Третью стадию называют фазой износа, когда интенсивность отказов резко возрастает, что указывает на старение или износ оборудования. Метод основан на том, чтобы искусственно ускорить прохождение первой стадии и выйти на вторую, рабочую стадию.

Метод, основанный на испытании с разрушением, заключается в том, что, с одной стороны, если изделие подвергнуть чрезмерному на­пряжению, то оно откажет раньше времени, с другой стороны, если оно выдержит эти испытания, то, очевидно, в эксплуатации будет работать в менее тяжелых условиях. Этот метод используется широко при конт­рольных испытаниях кабелей повышенным напряжением.