книги из ГПНТБ / Рябинин И.А. Надежность судовых электроэнергетических систем и судового электрооборудования учебник

ции — окисляющее действие кислорода на резину. Особенно интен­ сивное старение изоляции происходит под воздействием повышенной температуры окружающей среды пли при протекании тока, превы­ шающего номинальный для данного кабеля. Сопротивление изоля­ ции сетей снижается также в результате механических и тепловых воздействий на кабели, обусловленных вибрацией, тряской, ударами, прокусами грызунов и прожогами. Основным фактором, вызываю­ щим появление механических повреждений кабеля (перелом нако­ нечника, отрыв жил кабеля от сварного соединения, обрыв жилы в месте перегиба, перелом жилы у конца скрутки), являются вибра­ ционные воздействия.

Как показывают результаты анализа отказов основных элементов палубных электроприводов, число отказов кабелей и кабельной арматуры сравнительно невелико. Отказы возникают главным обра­ зом в результате снижения сопротивления изоляции в соединитель­ ных коробках. Отказы кабеля, потребовавшие их замену, явились следствием заливания морской водой помещения, в котором разме­ щалась аппаратура, следствием повышенной вибрации конструкций приводов и влияния климатических факторов. Потоки отказов ка­ белей палубных электроприводов в основном подчиняются тем же закономерностям, что и потоки отказов приводов в целом. Для них также имеет место изменяющийся характер потока в период прира­ ботки и стационарный характер потока в период установившейся эксплуатации. В табл. 28 приведены параметры потоков отказов кабелей палубных электроприводов после периода приработки.

Таблица 28

Параметры потоков отказов кабелей палубных электроприводов

В процессе монтажа электрических сетей и электроооборудоваиия действуют факторы, снижающие надежность судовых электро­ энергетических систем и систем электроавтоматики. Рассмотрим с точки зрения обеспечения надежности следующие виды техноло­ гических процессов электромонтажа:

а) контактное оконцевание жил кабелей приварными лепестко­ выми наконечниками, кольцевыми обжимными наконечниками, трубчатыми опрессованными наконечниками, луженым кольцом; б) уплотнение мест прохода кабелей через водонепроницаемые палубы и переборки и мест ввода в герметическую и водозащищен­ ную аппаратуру с помощью индивидуальных переборочных и труб­

ных сальников.

Контактное оконцевание жил кабелей. При оконцеванин привар­ ными лепестковыми и кольцевыми обжимными наконечниками наи­ большее количество неисправностей обусловлено дефектами мон­ тажа — неприваркой отдельных проволок жилы и неполным обжа­ тием наконечника. Этот дефект приводит к снижению механической прочности контактного оконцевания и ускоряет отрыв остальных про­ волок жилы при воздействии вибрации в период эксплуатации.

В случае оконцевания луженым кольцом большинство дефектов имеют причиной неполное лужение или отсутствие полуды. В случае оконцевания трубчатыми опрессованными наконечниками боль­ шинство дефектов объясняются некачественной опрессовкой: лунки опрессовки смещаются относительно друг друга, не выдерживаются размеры и формы лунок. Вследствие недостаточной глубины лунок опрессовки не обеспечивается требуемый контакт жилы кабеля с наконечниками, что приводит в условиях эксплуатации к быстрому ослаблению контакта.

Из числа оконцеваннй, подвергнутых анализу после двух-четы- рех лет эксплуатации судов, не зарегистрировано ни одного оконце­ вания, вышедшего из строя по причине старения пли аварийного отказа, что указывает на довольно высокий уровень надежности оконцеваннй рассмотренных типов.

Таким образом, качество выполнения оконцеваннй является главным фактором, обусловливающим срок их службы. В помеще­ ниях с повышенной влажностью и температурой (помещения верхней палубы, машинно-котельные отделения, производственные помеще­ ния траулеров) наблюдается повышенное количество корродирован­ ных оконцеваннй.

Уплотнения мест прохода кабелей через водонепроницаемые пере­ борки и палубы. Анализ состояния переборочных сальников пока­ зывает, что основными причинами их неисправностей являются де­ фекты монтажа и отсутствие профилактического осмотра и ухода. Почти у четверти неисправных сальников были зарегистрированы потеря герметичности и осевое перемещение кабеля (что равносильно потере герметичности), вызванные тем, что личный состав не произ­ водил подтяжку гаек сальников и в необходимых случаях—доуплот- нение. У ряда сальников отсутствовал запас резьбы гайки саль­ ника для доуплотнения.

Неисправности трубных и приборных сальников аналогичны дефектам переборочных сальников. По сравнению с переборочными сальниками значительно большее количество приборных сальников, расположенных в помещениях с повышенной влажностью и темпера­ турой, потеряло герметичность.

Проведенный анализ отказов распределительных устройств, ка­ белей и элементов электромонтажа показывает, что основными при­ чинами неисправностей являются, как правило, несоответствие используемых материалов и элементов условиям их эксплуатации, а также низкое качество выполнения монтажных и сборочных работ. Эти причины могут быть устранены в процессе проектирования, монтажа и сдаточных испытаний оборудования.

132

ЧАСТЬ I I I

МЕТОДЫ РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

ГЛАВА 6

МЕТОДЫ РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ СЭС БЕЗ УЧЕТА ВОССТАНОВЛЕНИЯ

§ 20. Общее представление о задачах,

решаемых с помощью теории надежности

В гл. 3 и 4 основное внимание обращалось на решение разно­ образных практических задач надежности методами математической статистики. Для решения этих задач необходимо было иметь опре­ деленные статистические данные и некоторую статистическую модель или схему явления. В настоящей и двух последующих главах будет рассмотрено решение важных практических задач надежности мето­ дами теории вероятностей. Для их решения также необходимо рас­ полагать определенными исходными данными и некоторой логиковероятностной моделью функционирования системы.

Совершенно ясно, что результаты решения статистических за­ дач надежности (их точность, достоверность и пр.) во многом опре­ деляются качеством и количеством статистических данных, а резуль­ таты решения вероятностных задач — достоверностью исходных дан­ ных.

Рассчитать систему на надежность — это значит определить какую-либо одну или несколько количественных характеристик на­ дежности. Разнообразие практических задач приводит к необходи­ мости использовать различные характеристики надежности.

Так, в процессе проектирования сложной системы часто интере­ суются, какова будет вероятность ее безотказной работы в течение определенного интервала времени. В процессе изготовления и испы­ таний системы обычно наибольший интерес представляют всякого рода расчеты, предназначенные для статистического контроля на­ дежности. В период эксплуатации системы нас может интересовать и наибольшая готовность ее к немедленному использованию, и макси­ мальная вероятность безотказной работы в течение заданного интер­ вала времени, и минимальное среднее время обслуживания, и объем необходимого ЗИПа, и другие вопросы.

Общее представление о задачах, решаемых с помощью теории на­ дежности, можно получить из табл. 29.

133

Сложность структуры и алгоритмов функционирования совре­ менных систем приводит к тому, что использование математического аппарата теории надежности становится совершенно необходимым уже на этапе задания требований по надежности, предъявляемых

ксистеме в целом и к отдельным составным частям системы. Задание обоснованных требований по надежности, предъявляемых

ксистеме в целом, представляет весьма сложную задачу. При рас­ пределении же требований по надежности между отдельными частями системы особых трудностей не возникает. Процесс задания требований по надежности, предъявляемых к отдельным частям системы, есть процесс оптимального синтеза системы.

На первом этапе проектирования сложных систем основной за­ дачей является построение рациональной структуры и определение алгоритмов функционирования. Оба эти вопроса первоначально решаются конструкторами сложных систем на основании интуиции

134

и большого опыта практической работы. Однако, как правило, при проектировании сложных систем не удается найти однозначный ответ. Всегда существует несколько альтернативных вариантов построения системы, причем каждый из них допускает возможность существен­ ных модификаций. Таким образом, фактически выбор наиболее ра­ циональной системы производится путем перебора и последователь­ ного сравнения различных вариантов.

На этом этапе очень важной задачей является создание доста­ точно простой, по в то же время и достаточно точной математической модели реальной системы. Необходимая точность математической модели определяется частично точностью и достоверностью исход­ ных данных. Однако недостоверность исходных данных ни в коем случае не может служить основанием для отказа от проведения оце­ нок различных показателей надежности и эффективности функциони­ рования системы.

Действительно, большинство расчетов и оценок на ранних эта­ пах проектирования носит относительный характер, и, следовательно, неточность исходных данных приводит к отклонению результатов во всех сравниваемых вариантах, причем, как правило, в одну и ту же сторону. Конечно, возможны отклонения и иного вида, однако оши­ бочно отдать предпочтение не тому варианту, какому следовало бы, можно лишь в том случае, когда абсолютные значения оцениваемых показателей достаточно близки. Иначе говоря, даже допуская ошибку, мы выбираем все же вариант если и не оптимальный, то весьма близкий к нему.

Во многих случаях достаточно даже проведения чисто параме­ трических расчетов, когда некоторые параметры, входящие в выра­ жение характеристики надежности системы, неизвестны и все рас­ четы проводятся для целой области возможных их значений. Обычно при проведении параметрических расчетов в широкой зоне может получиться так, что один из вариантов системы оказывается наиболее целесообразным при одних значениях параметров, а другой — при других. Подобная информация очень важна, так как она показывает рациональную область применения того или иного варианта построе­ ния системы.

Современные автоматизированные судовые электроэнергети­ ческие системы относятся к категории сложных систем, что обуслов­ лено не только и не столько многочисленностью элементов, сколько их сложностью; сложностью функциональных и логических связей между элементами и частями системы; многорежимностью системы; возможностью восстанавливаемых и невосстанавливаемых отказов у одних и тех же элементов в зависимости от характера самого отказа; последействием, выражающимся в необходимости отключения ряда исправных элементов при ремонте отказавших, и пр.

Действительно, при решении вопросов надежности СЭС в ка­ честве элементов системы выступают такие сложные технические устройства, как турбо- и дизель-генераторы, различные преобра­ зователи, системы автоматического регулирования напряжения и частоты вращения, автоматические синхронизаторы и переключа-

135

телн питания, различные аппараты коммутации, защиты, регулиро­ вания и т. д. По существу, эти «элементы» являются сложными тех­ ническими системами, состоящими из большого числа более простых элементов. Поэтому СЭС — это система систем.

Для большей ясности дальнейшего изложения обратимся к ка­ кой-нибудь конкретной СЭС. Удобно рассмотреть, например, элек­ троэнергетическую систему атомного ледокола «Ленин» (рис. 41), описание которой приводится в статье Н. А. Агафонова [1].

Рис. 41. Принципиальная схема генерирования и распределения электроэнергии атомного ледокола «Ленин».

Особенностью большинства потребителей электроэнергии атомной парогенераторной установки (АПГУ) являются чрезвычайно жесткие требования по обеспечению бесперебойности снабжения электро­ энергией. Так, электроприводы насосов системы охлаждения главной энергетической установки (ГЭУ) ни при каких условиях не должны оставаться без питания (потребители неотключаемой нагрузки), а электроприводы аварийных насосов (АЦН) должны автоматически запускаться при остановке главных циркуляционных насосов первого контура (ГЦН). Группа потребителей АПГУ является наиболее мощ­ ной и составляет более 43% от установленной мощности всех потреби­ телей электроэнергии ледокола.

Электроэнергетическая система ледокола включает две основные электростанции (носовую и кормовую) и одну аварийную. В ка­ честве основного рода тока принят переменный трехфазный ток на­

136

параллельно на каждой станции). На стоянке при неработающей АПГУ достаточно одного турбогенератора, получающего пар от

Электроэнергия от турбогенератора к потребителям распреде­ ляется по фидерам, причем крупные и наиболее ответственные по­ требители питаются непосредственно от главных распределитель­ ных щитов, а остальные—через вторичные и групповые распреде­

тельного щита АРЩ.

Принцип построения схемы питания неотключаемых потребите­ лей заключается в том, что система автоматического переключения должна всегда обеспечивать кроме электроэнергии" питающего источ­ ника еще одно напряжение—резервное. Обычно резервным явля­ ется напряжение от второго ГРЩ.

Из рассмотренного примера СЭС атомного ледокола «Ленин» видно, что, действительно, судовая электроэнергетическая система представляет собой совокупность электрических машин, распреде­ лительных и регулирующих устройств, кабелей и потребителей, предназначенную для непрерывного генерирования и бесперебой­ ного распределения электроэнергии в нужном количестве и заданного качества судовым потребителям различного назначения, призван­ ным обеспечить длительную и надежную работу главной энергети­ ческой установки и судна в целом.

СЭС является многоцелевой системой. Как правило, СЭС призвана решать одновременно несколько самостоятельных задач различной важности (при работе ее в заданном режиме) либо целый ряд разно­ временных задач (при работе ее в различных эксплуатационных и аварийных режимах).

В принципе СЭС—восстанавливаемая система. Однако иногда возникают и такие отказы, которые в условиях автономного плава­ ния не могут быть устранены обслуживающим персоналом. Следует отметить еще одну характерную деталь, связанную с ремонтом эле­ ментов электроэнергетической системы. Из соображений безопасности ремонт производится, как правило, при снятом напряжении сети. Поэтому фактический отказ того или иного элемента СЭС приводит

137

к вынужденному отказу ряда исправных элементов системы иа период восстановления отказавшего. При этом иногда из действия выклю­ чаются элементы-, обеспечивающие резервное питание, что, есте­ ственно, снижает общую надежность системы.

Для применения математических методов исследования надеж­ ности СЭС необходимым начальным шагом является построение упро­ щенной схемы, или модели, функционирования системы. Без этого этапа никакое количественное исследование надежности невозможно.

Очевидно также, что полный учет всех факторов, влияющих па надежность СЗС, невозможен, да это практически и не требуется. Задача состоит лишь в том, чтобы выявить зависимость надежности системы от важнейших, решающих факторов, для того чтобы в даль­ нейшем, целенаправленно влияя на эти факторы, добиться макси­ мальной надежности СЭС. Модель явления должна выбираться с уче­ том конкретной задачи научного исследования. Она должна быть по возможности простой и вместе с тем достаточно гибкой, чтобы отразить влияние на надежность системы основных факторов.

При разработке соответствующей модели явления прежде всего следует решить главный вопрос: какие связи между элементами си­ стемы взять за основу — функциональные пли логические.

Для достижения оптимальной эффективности всей системы необ­ ходимо добиваться рациональных соотношений между ее параме­ трами, что является сложной инженерной задачей. Поэтому всякая модель, позволяющая давать объективные оценки степени эффектив­ ности тех или иных мероприятий, связанных с введением избыточ­ ности, будет весьма полезна при проектировании СЭС. Широкие

( возможности для построения таких моделей может дать аппарат алгебры логики, с помощью которого удается достаточно просто описать множество возможных состояний X системы и разбить это множество на два непересекающихся подмножества: работоспособ­ ных состояний R и неработоспособных состояний Q.

Итак, будем строить модель функционирования СЭС на базе более простых, логических связей. Считая, что каждый элемент

!системы может находиться только в двух несовместных состояниях:

J 38

Из (6.1) видно, что каждая координата вектора состояний си­ стемы Н„, характеризует состояние ее конкретных элементов (в дан­ ный момент времени), что можно специально подчеркнуть, записав двоичную функцию т)/; = xakk как случайную функцию времени, за­

Отсюда следует, что и вектор состояний системы является случай­ ной функцией времени Нт (t), принимающей значения из счетного множества X = {*"*}.

Используя логические связи, существующие между элементами системы, можно разделить это множество на подмножества R и Q, удовлетворяющие условиям (6.3):

ееработоспособности. Построенную таким способом модель СЭС,

структура и особенности которой описываются средствами мате­ матической логики, а количественная оценка надежности произво­

§ 21. Методы расчета надежности СЭС

последовательно-параллельной структуры

Проблема обеспечения надежности СЭС чрезвычайно много­ гранна и охватывает все стадии «жизни» системы, начиная от ее проек­ тирования и кончая эксплуатацией. В настоящее время назрела необходимость связать исследование вопросов надежности СЭС с ее проектированием, чтобы иметь возможность уже на этом этапе исполь­ зовать результаты расчетов надежности. Отсутствие соответствующих расчетов приводит на практике к появлению недостаточно обоснован­ ных решений, в результате чего последующие усилия, предприни­ маемые для устранения обнаруженных недостатков, оказываются, как правило, дорогостоящими и малоэффективными.

139

Можно назвать целый ряд технических вопросов, которые при проектировании СЭС до сих пор решаются лишь на основании логи­ ческих рассуждений и приобретенного опыта, а не с помощью рас­ четов надежности. К ним относятся выбор числа и определение про­ пускной способности различных перемычек в системе генерирования и распределения электроэнергии, обоснование мест установки неко­ торых коммутационных аппаратов, выбор рационального варианта схемы распределения электроэнергии, определение эффективности восстановления и резервирования ряда элементов системы, обосно­ вание целесообразных режимов использования элементов СЭС и другие аналогичные задачи, которые нужно решать на базе коли­ чественных оценок и апробированных расчетов надежности системы. Разнообразие практических задач приводит к необходимости исполь­ зовать различные методы расчета надежности СЭС.

Начнем изучение данного вопроса с рассмотрения самых простых задач, связанных с расчетом структурной надежности системы при последовательно-параллельном соединении ее элементов.

Все элементы СЭС (генераторы, преобразователи, щиты, кабели, коммутационные и защитные аппараты, электродвигатели и пр.)

означает одновременно исправное (работоспособное) состояние k-ro элемента системы, a x'k — неисправное его состояние (отказ).

Логическая взаимосвязь между элементами СЭС, участвующими в обеспечении поставленной задачи, может быть выражена знаками конъюнкции и дизъюнкции.

Пусть для СЭС, принципиальная схема которой изображена на рис. 42,а, необходимо оценить надежность обеспечения питания ответ­ ственных потребителей, подключенных к распределительному щиту РЩ1. Поставленную задачу можно выполнить с помощью различ­ ных комбинаций элементов системы. В самом деле, указанные потре­ бители получат питание, если будут исправны генератор П , глав­ ный распределительный щит ГРЩ1, кабель К1 и распределительный щит РЩ1 или если будут исправны генератор Г2, ГРЩ2, кабель 1(2

V и РЩ1.

Для того чтобы рассчитать надежность СЭС, нужно прежде всего описать условия работоспособности системы. Это описание может

б) графически (с помощью так называемой структурной схемы системы);

в) формализованно (например, с помощью функций алгебры логики).

Словесное описание условий работоспособности системы явля­ ется наиболее распространенным и простым, но, как правило, весьма неэкономным (громоздким), плохо обозримым и недостаточно четким.

140