Надежность электрической изоляции

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ПЕРМСКИЙ ГОСУДРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Д. П. Гиберт

НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Конспект лекций

Издательство Пермского государственного технического университета

2006

1.ОБЩАЯ ТЕОРИЯ НАДЕЖНОСТИ

1.1.Возникновение и сущность проблемы надежности

Формирование научной дисциплины, известной сейчас под названием "Теория надежности", началось во время второй мировой войны и первые послевоенные годы. Тогда обнаружилось, что надежность приборов и военных систем в целом не соответствуют требованиям их боевой готовности.

С увеличением сложности технических систем надежность их продолжала снижаться. Стало ясно, что надежность в систему надо закладывать на самых ранних стадиях ее проектирования.

Внастоящее время наблюдается дальнейшее углубление проблемы надежности, что обусловлено особенностями развития современной техники:

1)Существует стремление к подробному планированию производственных процессов. Здесь отказ одного блока нарушает ритм всего процесса.

2)Все чаще применяется автоматизация процессов

3)Автоматизированные системы выполняют все более ответственные задачи.

Современные системы создаются в короткий срок и быстро морально стареют, т.е. очень трудно накопить навыки их проектирования, изготовления и эксплуатации. При этом обычно заметны непосредственные результаты ненадежности, однако большое значение имеют и косвенные последствия недостаточной надежности:

- высокая стоимость эксплуатации; - потребность в высоком уровне квалификации и затратах труда об-

служивающего персонала; - снабжение запасными частями и т.д.;

Все это, а также сложность современных и будущих технических систем, многообразие режимов их работы – обусловили необходимость общетеоретического подхода к повышению надежности систем, независимо от их устройства и назначения.

Учитывая сказанное, теория надежности может быть определена как наука о методах обеспечения и сохранения надежности при проектировании, изготовлении и эксплуатации технических систем.

Основной задачей теории надежности является разработка количественных методов оценки надежности и определение наиболее рациональных методов ее обеспечения.

Втеории надежности можно выделить два направления:

4

1)Разработка методов обеспечения надежности систем путем повышения надежности элементов на основе совершенствования технологии их изготовления.

2)Разработка методов проектирования надежных систем.

1.1.1. Основные определения теории надежности

Надежность – свойство объекта 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 является одной из важнейших характеристик качества объекта – совокупности свойств, определяющих пригодность использования его по назначению. В отличие от других характеристик качества надежность обладает следующей специфической особенностью. Обычные характеристики качества измеряются для некоторого момента времени ("точечные" характеристики качества). Надежность характеризует зависимость "точечных" характеристик качества либо от времени использования, либо от наработки объекта.

Наработка – продолжительность (или объем) работы изделия, измеряемая временем, циклами, периодами, единицами выработки и т.д. Различают суточную наработку, месячную наработку, наработку до первого отказа, наработку между отказами и т.д.

Надежность – сложное свойство. Оно включает в себя более простые свойства (составные части надежности, стороны надежности):

1)Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки.

2)Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособленности его к предупреждению и обнаружению отказов и восстановлению работоспособности объекта либо путем проведения ремонта, либо путем замены отказавших комплектующих элементов.

Возникают две самостоятельные характеристики ремонтопригодности: приспособленность к проведению ремонта (ремонтопригодность в узком смысле) и приспособленность к замене в процессе эксплуатации (восстанавливаемость или заменяемость).

3)Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния, т.е. до наступления такого состояния, когда объект должен быть либо направлен в ремонт (средний или капитальный), либо изъят из эксплуатации.

5

4)Сохраняемость – свойство объекта сохранять работоспособность в течение (и после) его хранения и (или) транспортирования. Это свойство тоже расчленяется на более простые: сохраняемость в процессе (и после) хранения в полевых условиях; сохраняемость в процессе (и после) транспортирования по железной дороге и т.п.

5)Неисправность – состояние изделия, при котором оно не соответствует хотя бы одному из требований технической документации.

6)Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации изделия до момента возникновения предельного состояния, оговоренного в технической документации.

7)Наработка – продолжительность работы изделия. Работоспособность – такое состояние объекта, при котором он спосо-

бен выполнять заданные функции, удовлетворяя требованиям норматив- но-технической документации. Работоспособность – характеристика состояния объекта в некоторый момент времени. Надежность – свойство сохранять работоспособность на некотором отрезке времени или при выполнении некоторого объема работы.

В практике находят также применение дополнительные частные свойства надежности.

Например:

1)Живучесть – свойство объекта сохранять работоспособность (полностью или частично) в условиях неблагоприятных воздействий, не предусмотренных нормальными условиями эксплуатации.

При задании требований к надежности объекта обычно указываются нормальные условия его эксплуатации. Но к ряду объектов ответственного назначения могут быть предъявлены требования выполнять некоторые функции в условиях, существенно отличающихся от нормальных (даже катастрофически разрушающих).

2)Достоверность информации, выдаваемой объектом. В объекте могут иметь место сбои, искажающие информацию.

1.1.2.Виды надежности

1)Аппаратурная надежность – обусловлена состоянием аппаратуры (может расчленяться на конструктивно-схемную надежность и производ- ственно-технологическую надежность).

2)Программная надежность – обусловлена состоянием программы. Это понятие возникло недавно, но приобретает все большее значение.

3)Функциональная надежность – надежность выполнения отдельных функций, возлагаемых на систему. Более ответственные функции должны выполняться более надежно.

6

Большое количество сторон надежности и видов надежности не означает, что всегда надо задавать и исследовать весь определенный перечень. В конкретном случае надо выбирать такие стороны и виды надежности, которые необходимы для характеристики надежности объекта с учетом его целевого назначения.

1.1.3. Отказы

Отказ объекта – событие, заключающееся в том, что объект либо полностью, либо частично теряет работоспособность. При полной потере работоспособности возникает полный отказ, при частичной – частичный отказ.

По степени внезапности отказы могут быть:

-внезапными (мгновенными – возникают в результате мгновенного изменения одного или нескольких параметров объекта);

-постепенными – наблюдаемое постепенное изменение главных параметров объекта либо из-за износа, либо из-за старения.

По степени зависимости от других отказов:

-независимые отказы – их возникновение не связано с предшествовавшими по времени отказами других элементов объекта;

-зависимые отказы – появляются вследствие предшествующих отказов (например, из-за возникающих перегрузок).

По характеру назначения:

-устойчивые отказы – не самоустраняются, постоянное есть;

-перемежающиеся отказы – то появляются, то пропадают (например, плохой контакт);

-сбой – однократно возникший и самоустранившийся отказ.

Причины возникновения отказа:

-конструктивный – из-за ошибок конструктора (или несовершенства методов конструирования);

-производственный – из-за нарушения или несовершенства технологического процесса изготовления объекта или комплектующих;

-эксплутационный – из-за нарушения правил эксплуатации или вследствие влияния непредусмотренных внешних воздействий.

1.1.4.Эффективность

Внепосредственной связи с понятием надежности находится понятие эффективности.

Эффективность объекта – свойство объекта выдавать некоторый полезный результат (эффект) при использовании по назначению.

7

Чем выше надежность объекта, тем выше его эффективность, но до некоторого предела.

Виды эффективности:

-номинальная – эффективность объекта при условии его идеальной надежности;

-реальная – эффективность реального объекта, т.е. с неидеальной надежностью;

-техническая – технический эффект, полученный при использовании объекта;

-экономическая – степень выгодности экономических затрат при использовании объекта.

Показатель эффективности применяется обычно для сложных изделий, которые могут находиться в состоянии частичного отказа, т.е. с частичным сохранением работоспособности.

1.1.5. Восстановление

Восстановление – процесс обнаружения и устранения отказа с целью восстановления работоспособности объекта.

Восстанавливаемый объект – объект, работоспособность которого в случае возникновения отказа подлежит восстановлению в рассматриваемых условиях.

Невосстанавливаемый объект – объект, работоспособность которого в случае возникновения отказа не подлежит восстановлению в рассматриваемых условиях.

При анализе надежности, особенно при выборе показателей надежности объекта, существенное значении имеет решение, которое должно быть принято в случае отказа объекта. Если в рассматриваемой ситуации восстановление работоспособности данного объекта при его отказе по каким-либо причинам признается нецелесообразным или неосуществимым, то такой объект в данной ситуации является невосстанавливаемым. Таким образом, один и тот же объект в зависимости от особенностей или этапов эксплуатации может считаться восстанавливаемым или невосстанавливаемым.

1.2. Основные понятия и характеристики надежности

1.2.1. Понятие случайных событий и случайных величин

Случайное событие – событие, которое может появиться или не появиться в результате данного опыта.

8

Вероятность случайного события (количественная характеристика случайного события) – теоретическая частота событий, около которой имеет тенденцию стабилизироваться действительная частота события при повторении опыта в данных условиях.

Частота случайного события (статистическая вероятность события) – отношение числа появления данного события к числу всех произведенных опытов.

Случайная величина – величина, которая в результате опыта может принимать то или другое значение (заранее не известно, какое именно). Она может быть либо дискретной, либо непрерывной.

Исчерпывающее представление о случайной величине дает закон распределения случайной величины – соотношение между значениями случайной величины и их вероятностями.

Существуют законы распределения:

1) Интегральный (функция распределения) – вероятность того, что случайная величина X может принимать значения меньше x.

2) Дифференциальный (плотность распределения вероятности случайной величины).

Величины, определяющие характер распределения случайной величи-

ны, называются параметрами законов распределения.

Математическое ожидание (среднее значение случайной величины):

Статистическое определение:

9

1.2.2. Невосстанавливаемые элементы и системы

Технические системы, их подсистемы и элементы систем могут работать в режиме, когда восстановление со стороны ремонтного персонала возможно, и в режиме, когда это невозможно либо нецелесообразно. Поэтому для восстанавливаемых и для невосстанавливаемых элементов и систем применяются различные показатели надежности и различные методы расчета надежности.

Показатели надежности невосстанавливаемых объектов:

1) Вероятность безотказной работы объекта P(t) выражает вероят-

ность того, что невосстанавливаемый объект не откажет к моменту времени t.

Если F(t) – функция наработки на отказ, то P(t)=1-F(t). P(t) обладает следующими свойствами:

а) P(0)=1 (предполагается, что до начала работы изделие является безусловно работоспособным);

б) lim P(t) 0 (предполагается, что объект не может сохранить свою

t

работоспособность неограниченно долго);

в) Если t2 > t1, то P(t2) ≤ P(t1) (вероятность безотказной работы – функция невозрастающая).

10