2.4. Нормативні та оптимізаційні задачі надійності електроустановок на стадії проектування

Стадія проектування та конструювання (розробки) електроустановок з погляду вирішення проблем забезпечення їх надійності найбільше відповідальна. На цій стадії детально вивчають причини та характер відмов, аналізують можливі способи підвищення надійності. У проектно-конструкторській документації обгрунтовують конструктивно-технологічні та схемно-режимні рішення щодо забезпечення надійності. Фактично на стадії проектування закладається загальний рівень надійності створюваних електроустановок.

Рівень надійності кожної розроблюваної електроустановки повинен бути оптимальним. Оптимізувати надійність можна за критерієм мінімуму зведених затрат З на їх створення та експлуатацію

(2.68)

де К, Е_н - капіталовкладення в електроустановку та нормативний коефіцієнт їх ефективності; В - щорічні експлуатаційні видатки на обслуговування, амортизацію і покривання втрат електроенергії; Н - середньорічні збитки, спричинювані відмовами електроустановки.

На стадії проектування капіталовкладення К і щорічні експлуатаційні видатки В для будь-якої електроустановки оцінюють порівняно легко і точно. Значення збитків Н можна оцінити тільки орієнтовно, як деяку усереднену величину, оскільки створювані електроустановки будуть працювати в різних ланках ЕЕС і спричинювати в разі відмов різні за величиною збитки.

Фактично рівень надійності електроустановок не оптимізується, а нормується. Для кожної конкретної установки можна задати значення показників надійності, які повинні бути забезпечені після вводу установки в експлуатацію. Проте, враховуючи неперервний розвиток технологій, конструкцій та схем, за основу доцільніше брати не зафіксований, а досягнутий на даний час рівень надійності. Фактичні показники надійності створюваних електроустановок не повинні бути гіршими від показників надійності вже працюючих установок. Нормування надійності від її досягнутого рівня - важливий принцип конструювання та проектування. Досягнуті експлуатаційні показники надійності отримують шляхом обробки статистичної інформації про відмови. Такі показники повинні бути достовірними. Для електроустановок ЕЕС вони наводяться в [15].

Оптимізувати та нормувати можна рівень надійності електроустановки в цілому, окремих її частин та елементів відносно всієї сукупності відмов або лише відносно окремих видів відмов. Така можливість зумовила існування цілого ряду часткових задач надійності на стадії проектування електроустановок.

Задача вибору рівня механічної міцності повітряних ліній. У загальній постановці ця задача є оптимізаційною. Підвищення рівня механічної міцності знижує аварійність ліній, тобто видатки В та збитки Н, але одночасно збільшує капіталовкладення К у їх спорудження. Мінімізуючи зведені затрати, можна вибрати оптимальний рівень механічної міцності. При цьому, щоб визначити частоту відмов (величину збитків) необхідно застосовувати моделі надійності для дискретних багатофакторних діянь.

У практиці проектування, враховуючи труднощі реалізації та недосконалість методик аналізу надійності, необхідність отримання та обробки даних метеостанцій для кожної конкретної ЛЕП, вплив на рузультати аналізу суб'єктивності підходів до оцінки складових зведених затрат, задача розв'язується як нормативна.

Механічні навантаження, що діють на конструктивні елементи повітряних ЛЕП, залежать від швидкості вітру, ожеледних відкладень і температури повітря в районі траси лінії. Значення цих метеофакторів, а отже й навантаження є випадковими, але кожне значення навантаження має певний період повторюваності. Більші навантаження виникають рідше.

Лінії вищого класу напруги передають більшу потужність, є відповідальнішими та повинні пошкоджуватися рідше порівняно з лініями нижчого класу напруги. Це значить, що вони повинні розраховуватися на більші механічні навантаження, які мають меншу частоту і більший період повторюваності.

Для повітряних ліній введено поняття «нормативного навантаження», тобто максимального механічного навантаження, яке вони повинні витримувати. Згідно з [16] за нормативне приймають навантаження, яке формується за найбільш несприятливих поєднань кліматичних умов, що спостерігається 1 раз на 5 років для ліній напругою 3 кВ і менше, 1 раз на 10 років для ліній напругою 6-330 кВ і 1 раз на 15 років для ліній надвисокої напруги.

У різних місцевостях одному й тому ж періодові повторюваності відповідають різні за величиною швидкості вітру та товщини ожеледних відкладень. Тому за даними багаторічних спостережень на метеостанціях територія СНД розділена на відповідні вітрові (табл. 2.6) та ожеледні (табл. 2.7) райони. Складено карти кліматичного районування і кожна місцевість віднесена до конкретного вітрового та ожеледного районів. Це дозволяє для кожної ЛЕП, що проектується, встановити максимальну швидкість вітру та товщину відкладень ожеледі, поєднання яких для заданої температури лінія повинна витримувати. Тобто нормовані дані табл. 2.6 і табл. 2.7 дозволяють обчислювати нормативне навантаження та розраховувати повітряні лінії на механічну міцність.

Таблиця 2.6

Нормативні швидкості вітру, м/с

Вітровий	Повторюваність
район	1 раз на 5 років	1 раз на 10 років	1 раз на 15 років
I	21	25	30
II	24	25	30
III	27	29	30
IV	30	32	36
V	33	36	36
VI	37	40	40
VII	40	45	45

Таблиця 2.7

Нормативні товщини ожеледі, мм

Район	Повторюваність
ожеледності	1 раз на 5 років	1 раз на 10 років
I	5	5
II	5	10
III	10	15
IV	20	20
Особливий	понад 20	понад 22

Конструктивні параметри ЛЕП, розраховані за величиною нормативного навантаження, як показує досвід експлуатації, забезпечують достатню надійність роботи ліній. Тому під час проектування спеціальні розрахунки для виявлення значень показників надійності не виконуються і навіть для періодів повторюваності нормативних навантажень не встановлено хоча б наближено відповідні їм періоди безвідмовної роботи. Це значить, що нормативні навантаження не мають достатньо повного обгрунтування.

Задача вибору рівня грозостійкості повітряних ліній. У загальному випадку ця задача оптимізаційна. Підвищення рівня грозостійкості (зниження частоти відмов ЛЕП) досягається встановленням додаткових трубчастих розрядників та іскрових проміжків, зменшенням опору заземлення опор, встановленням троса (якщо його встановлення не передбачалося), збільшенням висоти тросостояка для зменшення числа проривів блискавки на провід. При цьому збільшуються капіталовкладення в лінію і одночасно зменшуються збитки від недовідпусків електроенергії.

Для оцінки рівня надійності грозозахисту ЛЕП розроблена ефективна методика на базі моделі надійності функціонування об’єктів в умовах дискретних багатовимірних діянь. Удар блискавки в лінію розглядається як діяння з вектором параметрів , де I, a - відповідно амплітуда та крутизна хвилі струму блискавки. У випадках ударів блискавки в трос чи в опору на ізоляції лінії формуються перенапруги, які залежать від параметрів I, a і які можна розрахувати. За фактами перекриття лінійної ізоляції (амплітуда перенапруги перевищує імпульсну міцність гірлянди) можна встановити небезпечні значення I, a та побудувати границю області D_I,a небезпечних параметрів (рис. 2.17), яку називають кривою небезпечних параметрів. Для цих двох випадків можна також визначити ймовірність перекриття лінійної ізоляції в разі одного удару блискавки, виконавши чисельне інтегрування за виразом

(2.69)

де f(I), f(a) - встановлені за статистичними даними густини розподілу амплітуди і крутизни хвилі струму блискавки.

Рис. 2.17. Крива небезпечних параметрів струму блискавки

Імовірність перекриття ізоляції p_п для одного ураження лінії блискавкою розраховують за формулою повної імовірності

,

(2.70)

де p_оп, p_тр, p_пр - імовірності перекриття ізоляції лінії, відповідно, для ударів в опору, трос і проривах повз троси (p_пр розраховується за емпіричною формулою); - відносне число розрядів в опору, трос та проривів повз троси.

Надійність грозозахисту оцінюють показником, що дорівнює загальному числу грозових вимикань лінії за рік

(2.71)

де n - число грозових годин в році; h_ср - середня висота троса над землею, м; L - довжина лінії, км; p_ім.п - імовірність переходу імпульсного перекриття в силову дугу.

Оптимізаційна задача вибору рівня грозостійкості розв'язується під час проектування відповідальних ліній надвисокої напруги та ліній особливого конструктивного виконання, коли статистика даних їх експлуатації відсутня або ще недостатньо повна. У переважній більшості випадків задача розв'язується як нормативна. Для створюваної лінії за розглянутою методикою оцінюють рівень грозостійкості. Якщо він недостатній, то зміною деяких конструктивних параметрів його підвищують до значення, досягнутого на інших подібних лініях даного класу напруги.

Технічні вимоги до конструкції електричних машин і апаратів. Електричні машини конструюють так, щоб вони могли надійно експлуатуватися в номінальному та інших нормальних режимах, а також витримувати без пошкоджень аномальні режими та умови, які можуть виникати в процесі експлуатації. Загальні технічні вимоги до електричних машин сформульовані в Державних стандартах.

Номінальні дані (потужність, напруга, струм, швидкість обертання тощо) відповідають роботі машини на висоті до 1000 м над рівнем моря і температурі газоподібного охолоджувального середовища до +40°С та охолоджувальної води до +30°С. У разі роботи машин в умовах, що відрізняються від вказаних, номінальні дані повинні бути змінені.

Щоб забезпечити надійну роботу в умовах, що відрізняються від нормальних, для електричних машин нормують:

- допустиме навантаження в умовах несиметрії струмів фаз;

- допустиме відхилення напруги і частоти від номінальних значень;

допустиме спотворення синусоїдної кривої напруги генераторів змінного струму;

- ударний струм КЗ синхронної машини;

- кратність максимального обертового момента синхронного двигуна;

- параметри короткотривалих перевантажень струмом;

- гранично допустиму швидкість обертання;

- ступінь іскріння;

- допустимі шуми, вібрацію та індустріальні радіозавади;

- гранично допустимі перевищення температури частин машини;

- електричну міцність ізоляції обмоток;

- опір ізоляції обмоток.

Технічні вимоги до конструкції електричних апаратів також безпосередньо пов'язані з умовами їх роботи та функціональним призначенням. З усього комплексу технічних вимог виділимо вимоги, що стосуються надійності роботи:

- у номінальному режимі роботи температура струмопровідних частин апаратів не повинна перевищувати значень, рекомендованих відповідними стандартами та іншими нормативними документами;

- електродинамічні та термічні діяння на елементи апаратів під час КЗ не повинні створювати залишкових явищ, здатних порушувати працездатність апарата після усунення КЗ;

- ізоляція електричних апаратів повинна розраховуватися на можливі перенапруги і мати запаси міцності, які враховували б погіршення ізоляційних властивостей з плином часу;

- апарати, які за умовами роботи вимикають чи вмикають струми КЗ, повинні мати контакти, розраховані на такий режим роботи;

- апарати, призначені для частого вмикання та вимикання номінального струму повинні мати високу механічну та електричну зносостійкість.

До кожного типу апаратів додатково ставиться ще ряд специфічних вимог, пов'язаних з їх функціональним призначенням.

Розробка всього електротехнічного устаткування ЕС і ПС виконується з таким розрахунком, щоб елементи його конструкції задовольняли існуючі норми випробувань. Ці норми носять в основному надійнісний характер, оскільки їх недотримання призводить до порушень функціонування електроустановок.