1.2. Вопросы прогнозирования и повышения надежности электрооборудования.

Возникновение проблемы надежности в технике. Первоначально вопросы надежности исследовались в области механического оборудования. Для обеспечения надежности работы этого оборудования при его проектировании и изготовлении закладывался определенный запас прочности в отдельные детали и этим создавалась необходимая гарантия надежности работы и долговечности службы. Естественно, такой способ обеспечения надежности и долговечности механического оборудования экономически был связан с излишним расходом металла и увеличенными габаритами изделия.

С развитием электрификации возникли проблемы обеспечения надежной передачи электроэнергии. Такие меры, как использование параллельной работы электрических машин и трансформаторов, наличие на электростанциях резерва, объединение высоковольтных линий электропередач в единую систему и другие мероприятия направлены на то, чтобы снабжение потребителей электроэнергией было возможно более надежным.

Новое направления проблема надежности получила с появлением и развитием радиоэлектроники, авиации, ракетной техники и космических кораблей. Вначале проблема надежности в этих отраслях решалась путем использования высоких запасов прочности и широкого применения резервирования, что приводило к значительному увеличению массы (веса) оборудования. Однако такой путь повышения надежности для новых типов авиационного оборудования и радиоэлектронной аппаратуры оказался неприемлемым. Современная новая техника требует существенного уменьшения массы (веса) и габаритов оборудования при высокой его надежности. В связи с этим интуитивный и эмпирический подходы к повышению надежности оборудования должны были уступить место новому подходу, при котором определения, оценки и расчеты надежности базируются на теории вероятностей и методах математической статистики.

Надежность сложного оборудования зависит от надежности работы его элементов. Например, надежность электрической машины, как сложного устройства, зависит от надежности работы ее основных частей - магнитной системы, обмоток статора и ротора, подшипников, коллектора или контактных колец и щеточного устройства. Выход из строя любой из этих частей приводит к отказу в работе машины. Следует отметить, что отказу обычно предшествуют внутренние изменения в машине, как-то: возрастание потерь, температуры нагрева, потребляемой мощности и т.д.

Как уже указывалось, мерой надежности оборудования является интенсивность отказов. Так, например, хорошо спроектированная, тщательно изготовленная, детально испытанная и правильно эксплуатируемая электрическая машина не должна отказывать в работе. Однако опыт показывает, что даже наилучшие конструкции машин, совершенная технология их изготовления и правильная эксплуатация не исключают полностью возникновения отказов в работе. Теория надежности различает три характерных типа отказов, которые являются внутренне присущими машине или любому изделию и проявляются независимо от обслуживающего персонала. К ним относятся следующие типы отказов:

1. Отказы, которые происходят в течение раннего периода эксплуатации машины. Они называются приработочными отказами и в большинстве случаев происходят вследствие плохой технологии производства и низкого качества контроля деталей машины при их изготовлении в сборке.

2. Отказы, вызываемые износом отдельных частей машины. Они возникают в электрических машинах которые длительно работают без ремонта или же неправильно обслуживаются. Отказы за счет износа деталей являются признаком старения машины. Во многих случаях отказы в работе машины за счет износа ее деталей могут быть ограничены путем своевременной заменой их новыми во время ремонта машины.

3. Внезапные отказы в период нормальной эксплуатации машины, которые возникают случайно и не могут быть устранены ни наладкой, ни наилучшим ее обслуживанием. Под внезапным отказом понимается отказ, возникший в результате скачкообразного изменения характеристик или параметров машины под влиянием внезапных перегрузок или других факторов. Эти случайные отказы подчиняются определенным общим закономерностям и их интенсивность в течение достаточно большого периода эксплуатации машины примерно постоянна.

Устранить внезапные отказы в работе электрической машины практически не представляется возможным.

Подразделение отказов при работе электрической машины на приработочные, износовые и внезапные можно оценить по двум основным признакам:

1. Каждый из этих отказов характеризуется своим особым статистическим распределением во времени и, следовательно, требует различной математической обработки.

2. Для устранения каждого типа отказа должны применяться различные методы.

Так, например, приработочные отказы можно устранять путем предварительных испытаний машины перед вводом ее в эксплуатацию. Износовые отказы должны устраняться правильным режимом работы, мерами ухода за машиной и профилактическим ее ремонтом. Если после этого в процессе работы электрической машины все же происходят отказы, то они имеют внезапный и случайный характер. Следовательно, надежность электрической машины при этих условиях определяется интенсивностью внезапных отказов в единицу времени. В связи с этим главное внимание при эксплуатации машины должно быть обращено на внезапные отказы в ее работе - на их предупреждение и уменьшение во время основной работы машины. Для электрической машины с большим сроком службы это время практически соответствует периоду между ремонтами.

Надежность - это мера способности электрической машины работать безотказно во время ее эксплуатации. Как указывалось выше, количественно надежность, выражается вероятностью безотказной работы машины в течение заданного промежутка времени.

При вероятностных расчетах каких-либо статистических событий или процессов в математике различают истинную вероятность, или просто вероятность, и оценку вероятности этих событий. Так, например, если при испытании какого-либо изделия в N₀ опытах появилось n₀ исходов, благоприятствующих событию, вероятность которого требуется оценить, то оценка вероятности определяется как отношение.

P_оцен = n₀ / N₀

и истинная вероятность P будет как предел

P = lim n₀ / N₀

N₀ →∞

Расчет надежности электрической машины, изделия или любой системы всегда представляет собой вероятностный расчет. Однако при количественной расценке или расчете надежности необходимо точно представлять определение надежности. Из приведенного выше определения надежности, как вероятности безотказной работе машины в течение заданного времени, следует, что истинная надежность машины или любого изделия точно неизвестна. Это означает, что неизвестно точное количественное значение вероятности удовлетворительной работы электрической машины, изделия или какого-либо устройства. Но количественные оценки надежности изделий или устройств, достаточно близкие к искомой величине, можно получить путем использования статистических методов и вероятностных расчетов. Насколько точно статистическая оценка надежности изделия отражает истинную его надежность, зависит от числа испытаний, полноты информации об отказах и других необходимых данных.

В настоящее время отсутствуют еще достаточно полные статистические сведения о причинах и частоте выхода из строя различных типов электрических машин в разных условиях их применения. Поэтому на практике недостает еще пока установившихся конкретных и достоверных данных по количественным показателям надежности выпускаемых промышленностью электрических машин. В связи с этим требуется систематический сбор сведений о выходе из строя этих машин в различных условиях эксплуатации и уточнение методов обработки и использования этих данных.

Конструкционная и эксплуатационная надежность электрических машин. Как показывает опыт эксплуатации многочисленного парка электрических машин общего применения в различных отраслях народного хозяйства и использование электрических машин специального назначения, целесообразно все вопросы надежности этих машин условно подразделять на два основных вида: заводскую конструкционную надежность машины и эксплуатационную ее надежность.

Конструкционная надежность любой электрической машины в целом зависит от количества и качества примененных в ней исходных активных и конструкционных материалов, от конструкции машины, качества изготовления и надежности ее основных частей или деталей. Для улучшения конструкционной надежности электрической машины необходимо повышение качества исходных материалов, увеличение точности и улучшение качества изготовления деталей и совершенствование технологии сборки машины. Однако важнейшими из этих мероприятий являются повышение качества и нагревостойкости корпусной изоляции и обмоточных проводов, поскольку много повреждений в электрических машинах в процессе их эксплуатации относится к обмоткам статоров и якорей, а также совершенствование подшипниковых узлов машин.

Следует отметить, что конструкционная надежность электрической машины является основной характеристикой ее качества, которая в значительной мере определяет в дальнейшем ее высокую эксплуатационную надежность. Последняя представляется достаточно сложной проблемой по причине трудности самого определения этого понятия и ограниченности статических сведений по эксплуатации различных электрических машин.

В процессе эксплуатации большого количества однородных технических изделий, таких, как электрические машины, в них периодически появляются случайные неисправности в работе или вынужденные остановки. Располагая статистическими данными об отказах в работе машин и используя теорию вероятностей и методы математической статистики, можно установить некоторое среднее время безотказной работы этих машин между двумя следующими друг за другом неисправностями или отказами в работе. Это среднее время исправной или безотказной работы машин между двумя соседними неисправностями или отказами служит одним из важных количественных показателей эксплуатационной надежности машины.

На эксплуатационную надежность электрических машин оказывает влияние ряд факторов. Главнейшими из них являются следующие:

а) качество активных и конструкционных материалов, используемых при изготовлении этих машин;

б) качество изготовления машин;

в) условия окружающей среды при эксплуатации машин;

г) неправильное применение машин по их исполнению, пусковым и рабочим характеристикам;

д) отсутствие надлежащего ухода за машинами и недостаточное качество их ремонта.

В процессе эксплуатации электрических машин под действием рабочей температуры происходит ухудшение механических и электрических свойств изоляции обмоток, или тепловое старение изоляции. Следовательно, для повышения надежности машин нужно повысить нагревостойкость изоляции и снизить местные нагревы ее по отношению к средней температуре обмотки, измеренной по сопротивлению.

Понятие надежности электрической машины тесно связано с понятием ее долговечности и сроком службы. Долговечность машины - свойство сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов. Срок службы машины - календарная продолжительность ее эксплуатации до момента, оговоренного в технической документации.

Повышение надежности любого изделия, в том числе и электрических машин, выпускаемых промышленностью ежегодно в огромном количестве, является одним из важнейших технико-экономических показателей. Высокая надежность изделия характеризует его качество. Чем выше надежность электрической машины, тем реже она выходит из строя в эксплуатации и требует ремонта и тем дешевле ее использование. Следовательно, экономическая эффективность использования электрических машин на практике определяется не только первоначальной стоимостью их изготовления, но также и затратами при их эксплуатации. Выпуск ненадежных электрических машин для народного хозяйства, и в особенности для новой техники, может наносить огромный экономических ущерб из-за частого выхода из строя и ремонта таких машин. Поэтому повышение надежности электрических машин имеет огромное народнохозяйственное значение, так как является одним из дополнительных источников увеличения действующего парка машин, находящегося в эксплуатации.

Срок службы и надежность электрических машин определяются количеством и качеством материалов, заложенных в нее при проектировании и производстве. Следовательно, правильный проект машины является основой надежности ее работы в эксплуатации. Поэтому при проектировании нового образца электрической машины следует включать в техническое задание на ее разработку конкретные количественные показатели надежности. Для этой цели нужно в научных и проектно-конструкторских организациях широко проводить теоретические и экспериментальные исследования по определению рациональных показателей надежности для разных типов электрических машин в зависимости от их назначения, областей и условий их применения.

Теория надежности электрических машин развивается всего лишь на протяжении примерно 10 - 15 лет и поэтому не может еще претендовать на законченность. Некоторые вопросы этой теории применительно к электрическим машинам недостаточно еще разработаны и нуждаются в соответствующем уточнении. Имеющиеся опубликованные неполные статистические данные об уровне надежности различных типов эксплуатируемых электрических машин в настоящее время, в связи с интенсивным развитием новых методов проектирования и производства этих машин, уже недостаточно полно отражают фактическое состояние проблемы надежности, в особенности на фоне совершенствования конструкций машин, появления новых материалов для них и т.д. Теория надежности электрических машин охватывает широкий круг вопросов, отражающих общую теорию надежности, вопросы проектирования, технологии производства и эксплуатации этих машин. В связи с эти ознакомление с данной проблемой требует определенных знаний в области электрических машин и некоторой математической подготовки.