Надежность электрической изоляции

устройств, чем пытаться поддерживать работоспособность ненадежной аппаратуры.

Методы повышения надежности делятся на конструктивные и схемные.

Кконструктивным методам относятся следующие:

1)Создание надежных элементов;

2)Создание благоприятных режимов работы;

3)Правильный подбор параметров;

4)Микроминиатюризация;

5)Меры по облегчению ремонта;

6)Унификация.

Ксхемным методам относятся следующие:

1)Упрощение схем;

2)Создание схем с широкими допусками;

3)Создание схем с ограниченным последействием отказов;

4)Резервирование.

Наиболее сложны в реализации методы третьей группы схемных методов. Они применяются, как правило, в системах, отказы которых ведут к серьезным авариям. Отказы таких систем делятся на две группы:

а) с опасными последействиями; б) без опасных последействий.

Схемные методы направлены на перевод отказов из группы "а" в группу "б", что достигается, как правило, за счет введения в систему средств встроенного функционального контроля. Встроенный функциональный контроль не повышает собственно надежность системы, однако повышает достоверность информации на выходе системы. Основным же средством повышения надежности системы является резервирование.

1.4.2. Методы резервирования

Система без резервирования имеет существенный недостаток – ее надежность всегда меньше надежности самого ненадежного элемента системы.

Резервирование – это метод повышения надежности введением запасных (резервных) элементов, являющихся избыточными по отношению к минимальной структуре системы.

21

Аппаратуру с избыточными элементами называют резервированной. Эффективность резервирования определяется тем, что за счет избыточности можно создать надежную аппаратуру даже из относительно ненадежных элементов.

Кратностью резервирования называют число резервных элементов на один резервируемый.

Эффективность резервирования оценивается с помощью коэффициентов повышения надежности:

- безотказности

- долговечности

Классическими методами являются постоянное резервирование и резервирование замещением.

При постоянном резервировании резервные элементы соединяются с основными через элементы связи. Резервные элементы работают в том же режиме, что и основные, в течение всего периода работы системы. Это способ резервирования элементов и простых узлов.

При резервировании замещением, функции основного элемента передаются резервному только при отказе основного элемента. Этот способ применяется при резервировании крупных блоков или целых систем.

В последнее время получило распространение функциональное резервирование. Функциональное резервирование может работать как в режиме постоянно включенного резерва, так и в режиме резервирования замещением. Функциональное резервирование основано:

-на способности отдельных элементов системы выполнять, помимо основных, еще и дополнительные функции;

-на возможности различных элементов системы выполнять одинаковые функции, но разными физическими способами.

1.4.3. Расчет надежности систем при постоянно включенном резерве

22

В качестве исходных данных строится надежностная блок-схема системы. Основные элементы считаются подключенными последовательно, резервные – параллельно.

Расчет производится выделением параллельных и последовательных участков и применением формул для расчета параллельного и последовательного соединения.

Допускается, что элементы системы в смысле надежности независимы, т.е. отказы одних элементов не изменяют надежности других. Однако, в общем случае, это довольно грубое допущение, т.к. на самом деле элементы в системе обычно зависимы. Например, отказ одного из двух элементов, включенных параллельно, может сильно изменить надежность оставшегося, т.к. последний вследствие этого может оказаться более нагруженным.

Чтобы учесть зависимость между элементами, надо при расчете надежности исходить не из абсолютных значений надежности составляющих элементов, а из условных надежностей, вычисленных при различных условиях отказа того или иного числа элементов системы.

1.4.4. Надежность системы при резервировании замещением

Если по условиям выполняемого задания система не может прерывать свою работу для замены отказавшего элемента резервным, то обычно применяют резервирование замещением отказавшего элемента. Особенность этого резервирования состоит в том, что резервный элемент включается в работу только после отказа основного, а до этого он содержится в резерве и непосредственно в работе не участвует.

Чтобы резервный элемент в момент его включения в работу был подготовлен к выполнению этой работы, иногда его приходится содержать в резерве в некотором нагруженном режиме. В общем случае резервный элемент до его включения в работу может содержаться в резерве в одном из следующих состояний:

-в том же самом рабочем режиме, что и работающий основной (нагруженный резерв);

-в облегченном рабочем режиме (облегченный резерв);

-в ненагруженном режиме (ненагруженный резерв).

Рассмотрим случай резервирования замещением одного основного элемента одним дублирующим, который переключающим устройством включается в работу в момент отказа основного.

Резервированная группа к моменту t не откажет лишь в случаях, когда: 1) либо основной элемент к моменту t не откажет;

23

2) либо основной элемент откажет к моменту τ (τ<t), но резервный элемент будучи исправен к этому моменту , не откажет на отрезке времени τ- t.

Тогда выражение для надежности рассматриваемой резервированной группы:

При рассмотрении k-кратно резервированной группы формула примет вид:

где Pk(t) – надежность рассматриваемой группы k-кратного резервирования; Pk-1(t) – надежность группы (k-1)-кратного резервирования; Pk(t,τ) – вероятность безотказной работы k-го резервного элемента к моменту времени t при условии, что группа (k-1)-кратного резервирования отказала в момент времени τ; fk-1(t) – плотность распределения времени безотказной работы группы (k-1)-кратного резервирования.

Если обозначить через qk(t,τ) – вероятность того, что k-й резервный элемент откажет к моменту t при условии, что группа (k-1)-кратного резервирования отказала в момент τ, то:

Эти формулы и являются основными формулами расчета надежности системы при резервировании замещением.

При выводе этих формул принято допущение, что переключающие устройства действуют безотказно. Однако ненадежность этих переключающих устройств легко учесть, рассматривая их как самостоятельные элементы, включенные последовательно с соответствующими резервными элементами группы.

1.4.5. Резервирование замещением в случае нагруженного резерва

24

Формула аналогична случаю нагруженного резерва с постоянным включением резервных элементов в работу:

Это очевидно, так как случаи нагруженного резервирования с постоянным включением и замещением в смысле надежности не отличаются друг от друга. Действительно, в обоих случаях расход надежности всех резервных элементов начинается с момента включения системы в работу и протекает одинаково интенсивно.

1.4.6. Резервирование замещением в случае облегченного резерва

Пусть все k резервных элементов составляют облегченный резерв. В этом случае, как и при нагруженном резерве, отказ резервного элемента может наступить и до его включения в работу. Поэтому введенную выше вероятность безотказной работы k-го резервного элемента Pk(t,τ) можно представить так:

где Pk(обл)(τ) – надежность k-го резервного элемента в облегченном режиме, то есть в резерве, а Pk(раб)(t-τ) – надежность этого же k-го резервного элемента в рабочем режиме при условии, что до включения в работу он, будучи в резерве, не отказал к моменту τ.

Учитывая это выражение:

При случае, когда все элементы k-кратно резервированной группы с облегченным резервированием подчинены экспоненциальному закону надежности, обозначим:

25

Тогда:

Пользуясь этой формулой, можно найти и все другие количественные характеристики надежности рассматриваемой резервированной группы.

1.4.7. Резервирование замещением в случае ненагруженного резерва

Пусть все k резервных элементов составляют ненагруженный резерв. В этом случае естественно считать, что резервный элемент не может отказать до его включения в работу.

Поэтому:

где Pk и qk – надежность и ненадежность k-го резервного элемента в рабочем режиме.

Тогда:

где P(t), q(t), f(t)=-P'(t) – количественные характеристики надежности, общие для всех элементов этой группы. Зная эти характеристики и применяя последовательно k-раз рекуррентные формулы, получим надежность Pk(t) и ненадежность Qk(t) рассматриваемой резервированной группы в случае, когда ее элементы равнонадежны.

Рассмотрим случай, когда все элементы k-кратно резервированной группы с ненагруженным резервированием подчинены одному и тому же

экспоненциальному закону надежности: P(t) e t . Тогда, учитывая равенство f (t) -P(t) e t :

26

Пользуясь этой формулой, можно найти и все другие количественные характеристики надежности рассматриваемой резервированной группы.

Ненагруженное резервирование замещением обеспечивает большую надежность, чем нагруженное резервирование. Это очевидно, т.к. во втором случае в отличие от первого расход надежности резерва начинается сразу же после включение системы в работу.

Резервирование замещением наряду с нагруженным резервом позволяет также использовать облегченный и ненагруженный резервы. В этом состоит его преимущество перед резервированием с постоянным включением резерва, которое позволяет использовать только нагруженный резерв.

1.5.Надежность систем в период эксплуатации

Впериод эксплуатации наиболее важными вопросами являются планирование и расчет периодов профилактик, а также планирование и расчет числа запасных элементов и блоков системы.

1.5.1.Планирование и расчет периодов профилактик

Профилактическое обслуживание – система предупредительных мер,

направленных на снижение вероятности возникновения отказов (технические осмотры, регулировки, замена комплектующих элементов, восстановление защитных покрытий и токопроводимых контактов и др.).

Профилактика преследует две цели:

-предупредить возникновение отказов;

-обнаружить такие отказы элементов изделия, которые не могли быть обнаружены средствами контроля в процессе эксплуатации и остались скрытыми, необнаруженными.

Профилактическое обслуживание может быть организовано по принципу обслуживания регламентного, календарного, а также комбинированного использования регламентного и календарного обслуживания.

Регламентное обслуживание – обслуживание, которое проводится по достижении параметрами изделия некоторых регламентированных показателей. Этот вид обслуживания применяется тогда, когда известна связь работоспособности и показателей некоторых технических параметров.

Если же главный параметр, определяющий работоспособность изделий

–время, в течение которого изделие эксплуатируется или хранится, то

27

профилактическое обслуживание назначается в строго определенные календарные сроки вне зависимости от состояния изделия. Такое обслуживание называется календарным.

Обычно связь работоспособности с показателями технических параметров, так же как и со временем использования, известна с некоторым приближением. Поэтому большее распространение получил комбинированный метод профилактического обслуживания.

В процессе эксплуатации параметры изделия наблюдаются и, по достижении ими критических значений, проводится профилактика. Профилактика проводится и тогда, когда время, измеряемое от последней профилактики, достигает значения времени, календарно запланированного. Естественно, что время календарного обслуживания в этом случае может быть увеличено, поскольку существует некоторая вероятность предупреждения отказа.

Выбор контролируемых параметров и контролируемых элементов должен осуществляться по оптимальным маршрутам, т.е. в определенной последовательности с учетом информативности, которую дает каждая из проверок. Как правило, такие задачи решаются методами технической диагностики.

Календарное обслуживание осуществляется на основе изучения закономерностей отказов (см. пункт 1.3.1)

Время профилактической проверки назначается исходя из следующих соображений. На участке времени, для которого λ = const (период эксплуатации изделия), время профилактики берется с учетом, того, что вероятность появления отказа q не превышала допустимой вероятности qдоп.

Известно, что для экспоненциального закона:

Отсюда:

Для определения времени календарного обслуживания изделия, ориентированного на замену деталей и блоков, выработавших ресурс, предварительно определяется среднее время работы до износового отказа T и среднеквадратического отклонения τt. Тогда:

28

где n – коэффициент при τt, соответствующий заданному значению qдоп.

Таблица 1.

Определение n по qдоп.

Профилактическое обслуживание сложных систем начинается с планирования профилактических работ для простых устройств, входящих в нее. Сроки профилактики и ее содержание корректируются затем с учетом сложности системы.

Универсальных рекомендаций по оптимизации планирования профилактики не существует. В некоторых случаях целесообразно всю систему ставить на профилактику в одно и то же время и обеспечивать работу ее в полном составе в период между профилактическими обслуживаниями. В других случаях целесообразно ставить на профилактику отдельные элементы системы и обеспечивать ее непрерывную работу, хотя бы и не всегда в полном составе.

Влияние профилактики на функциональную надежность изделия может быть определено следующей формулой:

где R(t) – вероятность выполнения изделием заданной функции на интервале t; KТИ(t) – коэффициент технического использования изделия с учетом проведения профилактики на интервале t; P( t) – вероятность выполнения изделием заданной функции на интервале t (использования изделий по назначению).

P( t) – в первом приближении можно оценить по формуле

где λ0 – интенсивность отказов, обеспечиваемая данным объемом профилактики, t – интервал использования изделия по назначению.

29

2.НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИИ

2.1.Характеристики надежности электрической изоляции

Характеристики аналогичны характеристикам, рассмотренным в общей теории надежности (см. часть 1).

В расчетах надежности электроизоляционных конструкций используют ту характеристику, при которой расчеты получаются проще. Электроизоляционная конструкция состоит из ряда элементов. Так, силовой кабель с бумажной пропитанной изоляцией на напряжение до 1000 В состоит из токопроводящих и нулевой жил, электрической изоляции, свинцовой (или алюминиевой) оболочки, упрочняющих элементов (брони) и защитных покровов. Отказ одних элементов (токопроводящих жил, электрической изоляции) вызывает немедленное прекращение работы кабеля, т.е. приводит к отказу конструкции в целом. Повреждение других элементов (защитные покровы, свинцовая оболочка, упрочняющие элементы) не приводит к немедленному отказу конструкции. Пробой электрической изоляции вызывает прекращение функционирования кабельной линии, т.е. потребитель не сможет получать электрическую энергию по кабелю. Кабель с пробитой электрической изоляцией должен быть либо заменен новым, либо отремонтирован. Кабель с поврежденным защитным покровом или поврежденной свинцовой оболочкой может эксплуатироваться некоторое ограниченное время, т.е. обеспечивать питание потребителя электрической энергией до тех пор, пока не повредится изоляция. Повреждение свинцовой оболочки (нарушение ее целостности) приводит к постепенному увлажнению и, как следствие, пробою бумажной изоляции, что вызывает преждевременный отказ конструкции в целом. Приведенный пример показывает, что отказ элементов в конструкции может быть независимым и зависимым.

Независимым называют отказ, вероятность наступления которого не зависит от того, произошел или не произошел отказ какого-либо другого элемента.

Зависимым называют отказ, вероятность наступления которого зависит от появления отказов других элементов.

Так, отказ электрической изоляции в вышеприведенном примере зависит от того, произойдет или не произойдет нарушение целостности свинцовой оболочки, т.е. является зависимым. Нарушение свинцовой оболочки не зависит от отказа других элементов кабеля, т.е. является независимым.

Особенностью электроизоляционных конструкций является то, что в них может происходить самовосстановление их работоспособности. На-

30