Надежность электроснабжения

1. Основные понятия и определения теории надежности.

Надежность есть свойство изделий выполнять заданные функции, сохранять свои эксплуатационные характеристики в заданных пределах при заданных режимах и условиях работы в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки.

Из этого определения следует, что надежность есть внутреннее свойство продукции, объективная реальность, присущая каждому данному образцу изделия. Таким образом, ненадежной считается не только та система, у которой наступает механическое или электрическое повреждение, приводящее к неработоспособности приборов, но также и та, у которой параметры выходят за предельно допустимые значения.

Применительно к режимам работы электроэнергетики, надежной энергосистема считается, когда аварийное возмущение ликвидируется путем ручных переключений.

Бесперебойное энергоснабжение считается, если отсутствие питания длится не более времени срабатывания АПВ.

Оценка надежности выпускаемых изделий осуществляется в результате их испытаний, т.е. для заданного числа испытаний и интервала времени, в течение которого они проводились, определяется надежность изделия. Математические модели, применяемые для количественных оценок надежности, зависят от типа надежности. Современная теория выделяет три

типа надежности:

1. Надежность «мгновенного действия», например, надежность плавких

предохранителей.

2. Надежность при нормальной эксплуатационной долговечности, например, надежность вычислительной техники. При оценке нормальной эксплуатационной надежности одним из основных количественных показателей является среднее время работы между отказами. Рекомендуемый на практике диапазон - от 100 до 2000 часов.

3. Чрезвычайно продолжительная эксплуатационная надежность, например, надежность космических кораблей. Если требования к сроку службы устройств -- свыше 10 лет, то их относят к устройствам с чрезвычайно продолжительной эксплуатационной надежностью. (трансформаторы).

Для характеристики конкретного прибора пользуются понятиями исправного и работоспособного состояния.

Исправность — это состояние прибора, при котором он соответствует всем требованиям нормативной и конструкторской документации.

Работоспособность — это состояние прибора, при котором он способен выполнять заданные функции с параметрами, установленными нормативно-технической или конструкторской документацией.

Для более полного описания надежности вводят такое понятие, как долговечность.

Долговечность — это свойство изделий сохранять свою работо­способность (с возможными перерывами для технического обслуживания или ремонта) до наступления предельного состояния, оговоренного в технической документации (поломка, снижение мощности и т.д.). Данное свойство охватывает ресурсные характеристики прибора и существенно дополняет понятие безотказности.

Безотказность — это свойство прибора непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Время безотказной работы Т₀ оценивается средним числом часов работы оборудования до первого отказа и может быть определено на основе статистических данных: где t_i — время исправной работы i-го аппарата до первого отказа; n — общее число рассматриваемых отказов. На практике более часто используется вероятность безотказной работы Р (t), заключающаяся в том, что в заданном интервале времени или в пределах заданной наработки машина работает без отказа. где &.N — число отказавших машин за время t, N₀ — число испытуемых машин в начальный момент времени. Для электродвигателей вероятность безотказной работы определяется по статистическим данным: Интенсивность отказов представляет собой вероятность отказа неремонтируемой машины в единицу времени. Вероятность отказов определяют по статистическим данным: где, ΔN — число машин, отказавших за время Δt; Δt — интервал времени наблюдения. Срок службы — это продолжительность работы аппарата до момента возникновения предельного состояния, определяемого техническими условиями. Различают сроки службы до первого капитального ремонта, между ремонтами и т. п. Межремонтный срок службы, или межремонтный ресурс, — наработка аппарата, прошедшего ремонт, до состояния, при котором он подлежит следующему очередному ремонту. Надежность электрооборудования можно исследовать аналитически или при помощи статистического метода.

Сохраняемость — это свойство прибора сохранять значения показателей безотказности и долговечности в течение и после хранения или транспортирования.

Характеристикой прибора, связанной с его эксплуатацией, является наработка, представляющая собой продолжительность или объем работы изделия. Наработка измеряется в часах или циклах непрерывной или суммарной периодической работы прибора в электрическом режиме. Наработка прибора, измеряемая в часах от начала эксплуатации до наступления предельного состояния, оговоренного в технической документации, называется техническим ресурсом.

Срок службы — это календарная продолжительность эксплуатации изделия от начала эксплуатации до момента наступления предельного состояния, оговоренного в технической документации.

Ремонтопригодность — это свойство изделия, выражающееся в его приспособленности к проведению технического обслуживания и ремонта, т.е. к предупреждению, обнаружению и устранению неисправностей и отказов.

Фундаментальным понятием в теории надежности является определение отказа как события, заключающегося в полной или частичной утрате изделием его работоспособности, т.е. в нарушении работоспособности изделия.

Отказ может наступить не только в силу механических или электрических повреждений элементов изделия (обрыва, короткого замыкания), но и при нарушении регулировки, из-за ухода параметров элементов за предельно допустимые значения и т.д. Кроме того, отказы системы могут быть обусловлены конструкцией деталей, их изготовлением или эксплуатацией.

В теории надежности существует широкая классификация отказов по различным признакам.

Классификация отказов

1. По характеру наступления отказы делятся на внезапные и постепенные.

Внезапным (катастрофическим) называют отказ, возникший в результате скачкообразных изменений одного или нескольких основных параметров системы, связанных с внутренними дефектами элементов, нарушением рабочих режимов, ошибками обслуживающего персонала и другими неблагоприятными воздействиями.

Постепенным (параметрическим) называют отказ, возникший в результате плавных изменений заданных параметров прибора, во-первых, вследствие деградации физико-химических свойств материала под влиянием эксплуатационных факторов и естественного старения и, во-вторых, вследствие изнашивания элементов системы в результате дрейфа рабочих параметров и их выхода за предельно допустимые значения.

2. По взаимосвязи между собой различают независимые и зависимые отказы.

Независимыми называют отказы, появление которых не изменяет вероятности появления других отказов, например, отказы приборов, возникшие в результате процессов, происходящих в их внутренней структуре.

Зависимыми называют отказы, появление которых изменяет (увеличивает) вероятность появления других отказов. Например, выход из строя предохранителей цепи защиты от перегрузок, пассивных ограничительных элементов приводит к повреждению приборов.

2. По признакам проявления различают явные и скрытые отказы.

Явные обнаруживаются при внешнем осмотре или включении аппаратуры.

Скрытые отказы обнаруживаются при применении специальных контрольно-измерительных приборов.

4. По степени влияния на работоспособность аппаратуры различают полные и частичные отказы.

Полным называют такой отказ, до устранения которого использование аппаратуры по назначению невозможно.

Частичным называют отказ, до устранения которого имеется возможность хотя бы частично использовать аппаратуру по назначению. (Свищ в котле)

5. По времени существования различают следующие отказы: устойчивые, сбои, перемежающиеся.

Устойчивым называют отказ, который устраняется только в результате ремонта или регулировки аппаратуры.

Сбоем называют однократно возникающий самоустраняющийся отказ, продолжительность действия которого мала по сравнению с продолжительностью работы аппаратуры до следующего отказа.

Перемежающимся отказом называют ряд быстродействующих, происходящих друг за другом сбоев. Например, могут возникнуть сбои в приборах из-за наличия в объеме герметичного корпуса проводящих частиц, способных создать кратковременные замыкания между внутренними выводами или отдельными токопроводящими дорожками.

При установлении этапа жизненного цикла прибора, на котором возникла первопричина отказов, различают конструктивные, производственные и эксплуатационные отказы.

Конструктивные отказы происходят в результате ошибок и нарушений норм и правил конструирования в период разработки.

Под производственными отказами понимают отказы, возникающие в результате несовершенства процесса изготовления приборов или нарушения технологии.

При неправильной оценке возможностей приборов при их выборе для создания аппаратуры возникают эксплуатационные отказы. В результате этого приборы могут подвергаться перегрузкам в аппаратуре и преждевременно выходить из строя.

Наибольшее количество отказов приборов происходит в период использования аппаратуры потребителями из-за нарушений установленных правил эксплуатации и неблагоприятных воздействий окружающей среды.

В теории надежности различают надежность систем и элементов.

Системой называется совокупность совместно действующих объектов, полностью обеспечивающих выполнение определенных практических задач.

Элементом называется часть системы, не имеющая самостоятельного значения и выполняющая в ней определенные функции.

Понятия «система» и «элемент» имеют относительный характер. Так, например, различные радиодетали (резисторы, конденсаторы) могут быть элементами таких систем как усилитель, радиоприемник и т.д. В свою очередь, эти системы могут рассматриваться как элементы более сложной системы - радиолокационной, которая также может быть элементом, допустим, системы наблюдения за спутниками и т.д.

Системы могут быть восстанавливаемыми и невосстанавливаемыми.

Восстанавливаемая (допускающая многократный ремонт) система после отказа подвергается ремонту и продолжает выполнять свои функции (котел, выключатель и т.п.).

Невосстанавливаемая система в случае возникновения отказа не подлежит либо не поддается восстановлению по экономическим или по техническим соображениям (плавкие предохранители).

По характеру обслуживания различают обслуживаемые и необслуживаемые системы.

Обслуживаемые системы выполняют свои задачи при наличии обслуживающего персонала и обычно приспособлены к устранению отказов во время профилактических ремонтов.

Необслуживаемые системы выполняют возложенные на них функции без обслуживающего персонала, например, аппаратура, устанавливаемая на большинстве невозвращаемых космических объектах.

По характеру влияния отказов элементов системы на ее выходные параметры и, следовательно, на эффективность системы можно разделить на простые и сложные.

Простые системы при отказе одного или нескольких элементов полностью теряют работоспособность.

Сложные системы обладают способностью при отказе элементов продолжать функционировать с пониженной эффективностью.

В теории надежности различают последовательное, параллельное и смешанное соединения элементов.

Приведенные выше термины, применяемые при классификации отказов, нашли свое отражение в государственных стандартах и нормативно-технической документации и являются обязательными.

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Основные понятия и определения надежности

Надежность тесно связана с различными сторонами эксплуатации электроустановок. Надежность - свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения его эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортировки.

Надежность применительно к системам электроснабжения: бесперебойное снабжение электроэнергией в пределах допустимых показателей ее качества и исключение ситуаций, опасных для людей и окружающей среды. При этом объект должен быть работоспособным.

Под работоспособностью понимается такое состояние элементов электрооборудования, при котором они способны выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах установленных нормативно-технической документацией. При этом элементы могут не удовлетворять, например, требованиям, относящимся к внешнему виду.

Событие, заключающееся в нарушении работоспособности оборудования, называется отказом. Причинами отказов могут быть дефекты, допущенные при конструировании, производстве и ремонте, нарушения правил и норм эксплуатации, естественные процессы изнашивания и старения. По характеру изменения основных параметров электрооборудования до момента возникновения отказа различают внезапные и постепенные отказы.

Внезапным называют отказ, который наступает в результате резкого скачкообразного изменения одного или нескольких основных параметров (обрыв фаз кабельных и воздушных линий, разрушение контактных соединений в аппаратах и др.).

Постепенным называют отказ, который наступает в результате длительного, постепенного изменения параметров, обычно по причине старения или изнашивания (ухудшение сопротивления изоляции кабелей, двигателей, увеличения переходного сопротивления контактных соединений и др.). При этом изменения параметра по сравнению с начальным уровнем во многих случаях могут быть зарегистрированы с помощью измерительных приборов.

Принципиальной разницы между внезапными и постепенными отказами нет, т.к. внезапные отказы в большинстве случаев являются следствием постепенного, но скрытого от наблюдения изменения параметров (например, изнашивания механических узлов контактов выключателей), когда их разрушение воспринимают как внезапное событие.

Необратимый отказ свидетельствует о потере работоспособности. Перемежающийся - многократно самоустраняющийся отказ объекта. Если отказ объекта не обусловлен отказом другого объекта, то его считают независимым, в противном случае - зависимым.

Отказ, возникший в результате несовершенства или нарушения установленных правил и норм конструирования, называют конструкционным. Отказ, возникший в результате несовершенства или нарушения установленного процесса изготовления или ремонта объекта, выполненного на ремонтном предприятии, - производственным. Отказ, возникший в результате нарушения установленных правил или условий эксплуатации - эксплуатационным. Причина отказа - дефект.

Надежность является одним из свойств электрооборудования и систем электроснабжения, которое проявляет себя только в процессе эксплуатации. Надежность закладывается при проектировании, обеспечивается при изготовлении, расходуется и поддерживается при эксплуатации.

Надежность является комплексным свойством, которое в, зависимости от специфики электроустановок и условий ее эксплуатации, может включать в себя: безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость в отдельности или в определенном сочетании, причем как для электроустановок, так и для отдельных ее элементов.

Иногда надежность отождествляется с безотказностью (в этом случае рассматривается надежность в "узком смысле").

Безотказность – свойство технических средств непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени. Это наиболее важная составляющая надежности электроустановок, зависящая от безотказности элементов, схемы их соединения, конструктивных и функциональных особенностей, условий эксплуатации.

Долговечность – свойство технических средств сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

В рассматриваемом случае предельное состояние технических средств определяется невозможностью их дальнейшей эксплуатации, что обуславливается либо снижением эффективности, либо требованиями безопасности, либо наступлением морального старения.

Ремонтопригодность – свойство технических средств, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причины возникновения отказов и устранению их последствий путем технического обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность характеризует большинство элементов электроустановок и не имеет смысла только для тех элементов, которые не ремонтируются в процессе эксплуатации (например, изоляторы воздушных линий (ВЛ)).

Сохраняемость – свойство технических средств непрерывно сохранять исправное (новое) и работоспособное состояние в процессе хранения и транспортировки. Сохраняемость элементов ЭУ характеризуется их способностью противостоять отрицательному влиянию условий хранения и транспортирования.

Выбор количественных показателей надежности зависит от вида электроэнергетического оборудования. Невосстанавливаемыми называются такие элементы электроустановок, работоспособность которых в случае возникновения отказа не подлежит восстановлению в процессе эксплуатации (трансформаторы тока, кабельные вставки и др.).

Восстанавливаемыми являются изделия, работоспособность которых в случае возникновения отказа подлежит восстановлению в процессе эксплуатации. Примером таких изделий могут служить электрические машины, силовые трансформаторы и др.

Надежность восстанавливаемых изделий обуславливается их безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью, а надежность невосстанавливаемых изделий - их безотказностью, долговечностью и сохраняемостью.

Факторы, влияющие на надежность элементов электроустановок

Электроустановки, используемые для преобразования, передачи и распределения электроэнергии, подвергаются воздействию большого количества факторов, которые можно подразделить на четыре группы:

1. воздействия окружающей среды,

2. эксплуатационные,

3. случайные,

4. ошибки проектирования и монтажа.

К факторам окружающей среды, где функционируют элементы электроустановок, относятся интенсивность грозовой и ветровой деятельности, гололедные отложения, обложные дожди, мокрый снег, густой туман, изморозь, роса, солнечная радиация и другие. Большинство из факторов окружающей среды приводятся в климатических справочниках.

Применительно к передаточным устройствам – воздушные линии всех классов напряжений – наиболее характерными факторами, способствующими их отказам, являются моросящий дождь, мокрый снег, густой туман, изморозь и роса, а у силовых трансформаторов, установленных на электроустановках открытого типа, к факторам окружающей среды относятся солнечная радиация, атмосферное давление, температура окружающей среды (фактор, тесно связанный с категорией размещения и климатическими условиями).

Особенностью эксплуатации элементов электроустановок открытого исполнения всех классов напряжений является изменение всех факторов, например, изменение температуры от +40 до -50 С. Колебание интенсивности грозовой деятельности по регионам нашей страны составляет от 10 до 100 и более грозовых часов в год.

Воздействие внешних климатических факторов приводит к возникновению дефектов в процессе эксплуатации: увлажнение масла в трансформаторах и масляных выключателях, увлажнение внутрибаковой изоляции и изоляции траверс масляных выключателей, увлажнение остова вводов, разрушение опорных и проходных изоляторов при гололедных, ветровых нагрузках и т.п. Поэтому для каждого климатического района при эксплуатации электроустановок необходим учет факторов окружающей среды.

К эксплуатационным факторам относятся перегрузки элементов электроустановок, токи коротких замыканий (сверхтоки), различные виды перенапряжений (дуговые, коммутационные, резонансные и др.).

Согласно правилам технической эксплуатации, воздушные линии 10 - 35 кВ с изолированной нейтралью допускается эксплуатировать при наличии однофазного замыкания на землю, а длительность их устранения не нормируется. При таких условиях эксплуатации дуговые замыкания в разветвленных распределительных сетях являются основной причиной повреждения ослабленной изоляции.

Для силовых трансформаторов наиболее чувствительными из эксплуатационных факторов являются их перегрузка, механические усилия на обмотках при сквозных токах коротких замыканий. Значительное место в эксплуатационных факторах занимают квалификация персонала и сопутствующие им воздействия (ошибки персонала, некачественный ремонт и обслуживание и т.п.).

К группе факторов, косвенно влияющих на надежность работы электроустановок, относятся ошибки проектирования и монтажа: несоблюдение руководящих материалов при проектировании, не учет требований надежности, не учёт величины емкостных токов в сетях 10 - 35 кВ и их компенсации при развитии сетей, некачественное изготовление элементов электроустановок, дефекты монтажа и др.

Небольшую группу влияющих на показатели надежности электроустановок в эксплуатации составляют случайные факторы: наезд транспорта и сельскохозяйственных машин на опоры, перекрытие на движущийся транспорт под проводами ВЛ, обрыв провода и т.п.