Лекции по надежности электроэнергетических систем.

Содержание:

Лекция №1. Надежность и ее свойства. Категории потребителей по надежности. Причины и характер отказов объектов. Средства обеспечения надежности. Измерение надежности. 2

Лекция №2. Классификация отказов оборудования. Показатели надежности невосстанавливаемого элемента. 6

Лекция №3. Показатели надежности восстанавливаемого элемента. Комплексные показатели надежности. 11

Лекция №4. Расчет показателей надежности одноэлементной схемы. 16

Лекция №5. Расчет показателей надежности системы, состоящей из последовательных элементов. Расчет показателей надежности системы, состоящей из параллельно соединенных элементов. Расчет показателей надежности системы с произвольным соединением элементов. Расчет показателей надежности с учетом преднамеренных отключений элементов. 19

Лекция №6. Отражение логики функционирования электрических схем в расчетах показателей надежности. Метод расчета функциональной надежности ЭЭС. Комплексные показатели надежности. Пример расчета недоотпуска электроэнергии. 25

Лекция №7. Режимные характеристики сложных ЭЭС. Метод пересчета параметров режимов и обобщенных параметров при изменении состояния системы. Основные методы структурного анализа систем. Пример расчета структурной и функциональной надежности системы. 30

Лекция №8. Вероятности послеаварийных состояний сложных схем электрических соединений. Метод расчета надежности схем на основе формулы полной вероятности. 33

Лекция №1. Надежность и ее свойства. Категории потребителей по надежности. Причины и характер отказов объектов. Средства обеспечения надежности. Измерение надежности.

Надежность и ее свойства.

Под надежностью любого технического объекта понимают его способность выполнять определенные задачи в заданных условиях эксплуатации, применительно к системам электроснабжения – обеспечение потребителей электроэнергией в пределах допустимых показателей ее качества (напряжения, частоты). Из данного определения следует, что:

• надежность является внутренним свойством объекта, заложенным при проектировании и изготовлении; оно проявляется при функционировании объекта;

• надежность проявляется в процессе выполнения заданного объема функций или во времени. Если нет наблюдения за объектом в процессе выполнения им функций, то нельзя сделать и заключений о фактической его надежности;

• надежность по-разному проявляется при различных условиях эксплуатации.

Надежность является сложным, комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации может включать ряд свойств:

• безотказность – непрерывное сохранение работоспособности в течение некоторого времени;

• долговечность – сохранение работоспособности до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта;

• ремонтопригодность – приспособленность к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений объекта и устранению их последствий путем проведения ремонтов и технического обслуживания;

• устойчивоспособность – непрерывное сохранение устойчивости системы в течение некоторого времени;

• режимная управляемость – приспособленность к управлению с целью поддержания нормального режима;

• живучесть – способность противостоять крупным возмущениям, не допуская их каскадного развития с массовым нарушением питания потребителей;

• безопасность – способность не создавать ситуаций, опасных для людей и окружающей среды.

В свою очередь, надежность является элементом еще более общего свойства – качества, под которым понимается совокупность свойств, обуславливающих пригодность системы и ее продукции для удовлетворения определенных потребителей в соответствии с ее назначением.

Надежность системы электроснабжения определяется многими факторами, среди которых следует выделить такой фактор как повреждаемость системы электроснабжения и ее элементов. Надежность системы электроснабжения предполагает бесперебойное питание электроэнергией потребителей, что обеспечивает их бесперебойную работу.

Под бесперебойной работой понимают такой режим, при котором возможные кратковременные перерывы питания по своей продолжительности не приводят к расстройству технологического процесса и существенному ущербу производства.

Чтобы обеспечить надежную работу ответственных потребителей при нормальном и послеаварийном режимах необходимо:

• свести к минимуму число и продолжительность перерывов их электроснабжения;

• обеспечить надлежащее качество электроэнергии для создания устойчивой работы потребителей при нарушениях режима электроснабжения.

Надежность системы электроснабжения, в первую очередь, определяется схемными и конструктивными построениями системы, разумным объемом заложенных в нее резервов, а также надежностью входящих в нее основных составных элементов.

Категории потребителей по надежности.

Согласно ПУЭ все электроприемники подразделяют на три категории с выделением в 1 категории особой группы электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы для жизни людей, взрывов, пожаров и повреждения дорогостоящего основного оборудования.

К электроприемникам 1 категории относятся те, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный материальный ущерб, повреждение дорогостоящего основного оборудования, массовый брак продукции, расстройство сложного технологического процесса, нарушение особо важных элементов коммунального хозяйства.

К электроприемникам 2 категории относятся те, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности городских и сельских жителей.

К электроприемникам 3 категории относятся все остальные, не попадающие под определение 1 и 2 категорий.

Для электроприемников 1 категории перерыв электроснабжения может быть допущен лишь на время автоматического ввода резерва (АВР), т.е. на доли секунды; для особых непрерывных производств предусматривается технологическое резервирование или специальные устройства безаварийного останова технологического процесса, действующие при нарушении электроснабжения.

Для электроприемников второй категории допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной оперативной бригады (десятки минут, единицы часов).

Для электроприемников третьей категории допустимы перерывы до 1 сут.

Частота перерывов в явном виде ни для одной категории приемников не нормируется.

Выбор схем питания и распределения электроэнергии, напряжения и конфигурации питающих и распределительных сетей, мощности, месторасположения и типа подстанций решается комплексно с выполнением в необходимых случаях технико-экономического сравнения вариантов по приведенным затратам. При этом учитывается очень важное условие, а именно: обязательная координация уровня надежности основных звеньев системы электроснабжения таким образом, чтобы надежность повышалась при переходе от потребителей электроэнергии к источникам питания по мере увеличения мощности соответствующих звеньев системы.

Однако надежное питание электроприемников 1 и 2 категории обеспечивают независимо от их места в системе электроснабжения и мощности.

Деление потребителей на категории по надежности и рекомендации по построению схемных решений для электроснабжения каждой категории способствуют обеспечению структурной устойчивости системы во времени.

В целом, система электроснабжения выполняется таким образом, чтобы в условиях послеаварийного режима, после соответствующих переключений и присоединений она была способна обеспечить питание нагрузки потребителя с учетом использования всех дополнительных источников и возможностей резервирования (перемычек, связей на вторичном напряжении, аварийных источников и т.п.).

Для наиболее экономичного резервирования в системах электроснабжения учитывают перегрузочную способность электрооборудования, резервирование технологической части, возможность проведения плановых ремонтов и ревизий электрооборудования в период планово-предупредительных ремонтов технологического оборудования. Кроме того, при аварии предусматривается автоматическая или ручная разгрузка от неответственных потребителей с выделением питания нагрузок 3 категории для возможности их отключения по аварийному заранее имеющемуся графику у потребителей.

Причины и характер отказов объектов.

1. Повреждения и неполадки оборудования, устройств, входящих в систему:

   • ошибки, допущенные при конструировании, определении условий и режимов эксплуатации, изготовлении, монтаже или ремонтах оборудования. Эти ошибки, скрытые дефекты обычно проявляются в ранний период эксплуатации, называемый периодом приработки оборудования. Для него в результате указанных ошибок, а также невозможности учета всех скрытых дефектов из-за их неопределенности характерен некоторый пик частоты отказов.

   • износ оборудования, приводящий к утрачиванию объектом ряда функциональных свойств. Процесс износа происходит под влиянием постоянно действующих факторов, имеющих случайный и детерминированный характер. Однако естественное завершение процесса износа имеет случайный характер. Этот период называется периодом старения.

   • непредвиденные и непредсказуемые воздействия, обычно физического характера, не связанные с периодом предшествующей работы. Эти внезапные по своей природе воздействия даже при отсутствии у объекта видимых ухудшений функциональных свойств приводят к отказам, которые обычно имеют мгновенный характер.

Время между периодами приработки и старения называется периодом нормальной работы объекта.

Перечисленные три группы причин отказов приводят к необратимым изменениям свойств объекта. Но существуют и такие, которые, не вызывая необратимых изменений в физической структуре элемента, проявляются в большинстве случаев кратковременно и только во время своего появления могут нарушать временно работоспособность элемента или системы. Такие временные или самоустраняющиеся отказы называются сбоями, например, перекрытие дугой гирлянды изоляторов ЛЭП, вызванное попаданием молнии в линию, которое устраняется с помощью автоматического повторного включения (АПВ).

2. Ошибочные или вынужденные действия обслуживающего персонала:

• причины, обусловленные недостаточно высокой квалификацией эксплуатационного и ремонтного персонала, недостаточной их натренированностью.

• Причины, обусловленные громоздкостью и сложностью устройств и схем, с которыми эксплуатационному персоналу приходится работать. Например, большое число разъединителей и выключателей на подстанциях повышает вероятность неправильных переключений, могущих привести к ложным отключениям или включениям на короткозамкнутые цепи.

Надежность, определяемая причинами первого класса называют аппаратной, а определяемая причинами второго класса – эксплуатационной.

Однако какие бы виды отказов и виды причин, их вызвавшие, не рассматривались, их неизменно объединяет общий признак: случайность возникновения даже при постепенном накоплении физических изменений. Он позволяет трактовать отказ элемента или системы как случайное событие. Это положение является определяющим при выборе математического аппарата, который целесообразно применять при изучении различных закономерностей отказов элементов.

Средства обеспечения надежности.

Требуемая надежность объекта обеспечивается совокупностью различных средств, которые можно подразделить на: резервирование, техническое обслуживание, ремонт и целенаправленное управление процессами, протекающими в системе.

1. Резервирование – повышение надежности введением избыточности и, в свою очередь, подразделяется на следующие виды:

   • структурное резервирование – использование избыточных элементов структуры объекта, т.е. элементов, которые не являются необходимыми для выполнения возложенных на объект функций, например, установка вторых трансформаторов на подстанциях.

   • функциональное резервирование – использование способности элементов выполнять дополнительные функции, повышая надежность работы системы за счет перераспределения функций при отказах элементов. При этом происходит более интенсивная работа (загрузка) других элементов, выполняющих до появления отказа более ограниченные функции.

   • временное резервирование – использование избыточного времени. Суть его заключается в том, что системе в процессе функционирования предоставляется возможность израсходовать дополнительное время для выполнения задания. Оно оуществляется за счет резерва времени, в течение которого система имеет возможность выполнить задание.

   • информационное резервирование – использование избыточной информации.

2. Техническое обслуживание – обеспечение надежности путем выполнения комплекса работ для поддержания работоспособности объекта. Этот комплекс включает в себя систематическое диагностирование состояние объекта, поддержание режимов работы, наиболее благоприятных для надежности, обеспечение благоприятных условий содержания и т.д.

3. Ремонт – обеспечение надежности путем выполнения комплекса работ для восстановления работоспособности объекта. Система ремонта включает в себя предупредительные (текущие, средние и капитальные) и аварийные ремонты.

4. Целенаправленное управление процессами, протекающими в системе – обеспечение надежности путем создания соответствующей системы управления.

Измерение надежности.

Для количественной характеристики свойств надежности вводится один или несколько показателей. Если показатель надежности относится к одному из свойств, определяющих надежность, то такой показатель является единичным, если же он относится к нескольким – то комплексным.