Надёжность систем электроснабжения. Учебное пособие

УДК 621.31(075.8) ББК Á27-02я73

К172

Рецензенты:

Доктор технических наук, профессор, директор ГНУ ВНИИТиН

А.Н. Зазуля

Доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «ТГТУ»

Д.Ю. Муромцев

Калинин, В.Ф.

К172 Надёжность систем электроснабжения : учебное пособие / В.Ф. Калинин, А.В. Кобелев, С.В. Кочергин. – Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2011. – 80 с. – ISBN 978-5-8265-1042-1.

Представлены общие положения надёжности; методы расчёта надёжности систем электроснабжения; факторы, влияющие на надёжность систем электроснабжения; способы и средства повышения надёжности; примеры решения задач.

Структура учебного пособия достаточно полно отражает все аспекты изучаемой дисциплины, читаемой в рамках государственного стандарта для студентов специальности 140211 «Электроснабжение» всех форм обучения.

2

ВВЕДЕНИЕ

Всвоей профессиональной деятельности инженер-энергетик сталкивается с проблемой выбора различных решений, которые могут повлиять на дальнейшее функционирование энергетической системы и это, в свою очередь, на безопасность человека и окружающей среды. В последнее время во всём мире участились аварии техногенного характера, что обусловлено большим количеством и сложностью обслуживаемого человеком оборудования. Управлять этой громоздкой системой нельзя только с помощью опыта и интуиции, важно использовать накопленные теоретические знания в области науки, называемой надёжностью.

Теория надёжности изучает методы обеспечения стабильности работы объектов (изделий, устройств, систем и т.п.) в процессе проектирования, производства, приёмки, эксплуатации и хранения; устанавливает и изучает количественные показатели надёжности, исследует связь между показателями эффективности и надёжности. Как наука, она начала формироваться в 50-е годы двадцатого века, основным кругом интересов тогдабылирадиоэлектронныесистемыи системыавтоматики.

Вдальнейшем, по мере развития и усложнения технических систем, элементы теории надёжности начали использовать применительно и к системам электроснабжения. Однако системы электроснабжения имеют специфические особенности построения и функционирования. Работа системы характеризуется непрерывным обменом энергией между генератором и потребителем при невозможности её хранения. Надёжность систем электроснабжения определяется надёжностью её отдельных элементов (генерирующих агрегатов, линий электропередачи, коммутационной аппаратуры, устройств защиты и автоматики и др.); схемы – степенью резервирования и режима (запасами статической и динамической устойчивости). Немаловажна также оценка живучести системы, т.е. способностью выдерживать системныеавариицепочного характерабезкатастрофических последствий.

Вопросы надёжности должны рассматриваться ещё на стадии проектирования. Повышение надёжности обычно связано с дополнительными затратами. Поэтому как при сравнении проектных вариантов, так и при решении эксплуатационных задач необходимо сопоставлять эффект у потребителей от повышения надёжности их электроснабжения и затраты, его обеспечивающие.

Внастоящей работе коротко излагаются основы теории и методы расчёта надёжности систем электроснабжения, а также рассматриваются факторы, влияющие на надёжность и основные пути её повышения; приведены примеры решения задач.

3

1.ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ НАДЁЖНОСТИ

1.1.ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ

КСИСТЕМАМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Современная система электроснабжения промышленного предприятия должна удовлетворять следующим основным требо-

ваниям:

−экономичности;

−надёжности;

−безопасности;

−удобства эксплуатации;

−обеспечения надлежащего качества электроэнергии (уровней напряжения, стабильности частоты и т.п.);

−необходимой гибкости, обеспечивающей возможность расширения при развитии предприятия.

Важные дополнительные требования к системам электро-

снабжения предъявляют:

−электроприёмники с резкопеременной циклически повторяющейся ударной нагрузкой;

−электроприёмники непрерывного производства, требующие бесперебойности питания при всех режимах системы электроснабжения.

Специальные требования к системам электроснабжения и электрооборудованию предъявляют электроустановки, расположенные в зонах с загрязнённой средой и в районах Крайнего Севера.

При реконструкции и проектировании системы электроснабжения учитывают многочисленные факторы, к числу которых относятся:

−потребляемая мощность;

−категориянадёжностипитанияотдельныхэлектроприёмников;

−графикинагрузоккрупных потребителей, характернагрузок;

−размещение электрических нагрузок на генеральном плане предприятия;

−число и мощность подстанций и других пунктов потребления электроэнергии;

−напряжение потребителей;

−число, расположение, мощность, напряжение и другие параметры источников питания;

−требования энергетической системы;

4

−учёт совместного питания с другими потребителями;

−требования аварийного и послеаварийного режимов;

−степень загрязнённости среды;

−требования ограничения токов короткого замыкания (КЗ);

−условия выполнения простой и надежной релейной защиты, автоматики и телемеханики и др.

Определяющими факторами, тесно связанными между собой, являются характеристика источников питания, а также мощность и категорийность потребителей электроэнергии. При построении рациональной системы электроснабжения учитывают общую энергетику рассматриваемого района, перспективный план его электрификации.

При этом главные понижающие подстанции (ГПП) на крупных предприятиях могут в некоторых случаях выполнять функции районных подстанций. Целесообразно с точки зрения экономии строить единую энергетическую сеть района, включая тяговые сети.

При реконструкции действующих и проектировании новых систем электроснабжения различных промышленных предприятий района стремятся к максимальной унификации схемных и конструкторских решений электрической части, электрооборудования и канализации электроэнергии. Подсобные устройства такие как трансформаторно-масляное хозяйство, электроремонтное хозяйство, диспетчерская связь и другие, а также крупное резервное электрооборудование выполняют общими для всех этих предприятий.

Как показал опыт эксплуатации, при реконструкции действующих и проектировании новых систем электроснабжения целесообразно проводить принцип «децентрализации» трансформирования и коммутации электроэнергии, благодаря чему:

−источники высшего напряжения (ВН) максимально приближаются к электроустановкам потребителей;

−сводятся к минимуму сетевые звенья и ступени промежуточной трансформации и коммутации;

−уменьшаются потери электроэнергии;

−повышается в целом надёжность электроснабжения. Практика эксплуатации, а также опыт, накопленный при ре-

конструкции и проектировании систем электроснабжения, позволили на основе обобщения этих данных выработать критерии в виде нормативных требований обеспечения надёжности электроснабжения электроприёмников, которые сформулированы в Правилах устройства электроустановок (ПУЭ).

5

Согласно ПУЭ все электроприёмники подразделяют на три категории с выделением в I категории особой группы электроприёмников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы для жизни людей, взрывов, пожаров и повреждения дорогостоящего основного оборудования.

Кэлектроприёмникам I категории относятся те, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный материальный ущерб, повреждение дорогостоящего основного оборудования, массовый брак продукции, расстройство сложного технологического процесса, нарушение особо важных элементов коммунального хозяйства.

Кэлектроприёмникам II категории относятся те, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности городских и сельских жителей.

Кэлектроприёмникам III категории относятся все остальные,

не попадающие под определение I и II категорий.

Для электроприёмников I категории перерыв электроснабжения может быть допущен лишь на время автоматического ввода резерва (АВР), т.е. на доли секунды; для особых непрерывных производств предусматривается технологическое резервирование или специальные устройства безаварийного останова технологического процесса, действующие при нарушении электроснабжения.

Для электроприёмников II категории допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной оперативной бригады (десятки минут, единицы часов).

Для электроприёмников III категории допустимы перерывы до одних суток. Частота перерывов в явном виде ни для одной категории приёмников не нормируется. Реальные узлы нагрузки систем электроснабжения содержат от единиц до десятков тысяч электроприёмников, поэтому имеет место множество решений по обеспечению норм ПУЭ.

1.2.ТЕРМИНОЛОГИЯ, ПРИМЕНЯЕМАЯ

ВТЕОРИИ НАДЁЖНОСТИ

Надёжность является составным свойством качества продукции. Однако она имеет ряд особенностей, что приводит к необходимости введения понятий, которые применяются для данного свойства.

6

Все термины теории надёжности рассматриваются применительно к объекту, под которым понимается предмет определённого целевого назначения. Под объектом можно понимать электротехническое изделие, техническую систему, комплект оборудования. Во всех случаях, когда нет необходимости конкретизировать предмет исследования, говорят об объекте и надёжности объекта. Если же рассматривается задача, специфичная только для определённого вида изделия, то говорят о надёжности трансформатора, изоляторов, линии электропередачи и др.

При построении теории надёжности электроснабжения различают три уровня сложности изделия: элемент, устройство, система. Но обычно используется двухпозиционная структура элемент– система.

Под системой в теории надёжности понимается совокупность совместно действующих объектов. Элементом называется часть системы. Понятие элемента и системы в расчётах надёжности относительны. Объект, считающийся системой в одном исследовании, может рассматриваться, как элемент, если изучается элемент большего масштаба. Например, если исследуется надёжность работы электрической станции, то станция представляется как система, а генераторы, выключатели, шины распределительного устройства, турбины и т.д. – отдельными элементами. Если же исследуется надёжность генератора, то отдельные его части: статор, возбудитель и другие – представляются как элементы, а сам генератор – как система.

Как известно, основной функцией системы электроснабжения является обеспечение всех потребителей электрической энергией в необходимом количестве и надлежащего качества. Поэтому применительно к системе электроснабжения наиболее обоснованным является такое определение понятия надёжности электроснабжения – это способность электрической системы снабжать присоединённых к ней потребителей электрической энергией заданного качества в любой интервал времени. При этом понятие надёжности включает в себя как бесперебойность снабжения потребителей электроэнергией, так и качество её – стабильность частоты и напряжения.

Надёжность является сложным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения состоит из сочетания свойств: безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

7

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

Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технических обслуживаний и ремонтов.

Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения его отказов, повреждений и устранению их последствий путём проведения технических обслуживаний и ремонтов.

Сохраняемость – свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способность объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и(или) транспортирования.

Для объектов, являющихся потенциальным источником опасности, к которым следует относить и электроэнергетические объекты, важным понятием является также такое понятие как «безопасность». Кроме этого, для таких объектов вводятся понятия «устойчивость» и «живучесть», которые так же как и безопасность хотя и не входят в общее понятие надёжности, но требуют их учёта при проектировании и эксплуатации.

С позиций теории надёжности объект может находиться в исправном состоянии, неисправном, работоспособном и неработоспособном.

Исправное состояние – это состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической документации (НТД). Если же хотя бы по одному из требований изделие не соответствует НТД, то считается, что оно находится в неисправном состоянии.

Работоспособное состояние – состояние объекта, при кото-

ром он способен выполнять (или выполняет) заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных технической документацией. Состояние объекта, при котором значение хотя бы одного заданного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям, установленным НТД, называется неработоспособным.

Понятие «исправное состояние» шире, чем понятие «работоспособное состояние». Работоспособный объект в отличие от неисправного удовлетворяет лишь тем требованиям НТД, которые обеспечивают его нормальное функционирование.

8

При этом он может не удовлетворять, например, требованиям, относящимся к внешнему виду изделия. Работоспособный объект может быть неисправным, однако его повреждения при этом не настолько существенны, чтобы могли препятствовать функционированию объекта.

Объект переходит в неработоспособное состояние после события, которое называется отказом. Понятие отказа занимает одно из центральных мест в теории надёжности, поскольку теория надёжности – это наука, изучающая закономерности отказов технических устройств.

Отказы относятся к малоизученным явлениям. Указанная ситуация объясняется прежде всего тем, что время возникновения отказа зависит от большого числа случайных факторов, его трудно рассчитать и ещё труднее измерить. Наблюдая за внешними проявлениями отказов в электроэнергетических системах можно видеть, что они приводят к различным последствиям – полному прекращению подачи электроэнергии, ухудшению её параметров, временному прекращению работы системы электроснабжения с последующим её восстановлением («сбои») и т.п.

Время восстановления отказов и время работы объекта между отказами представляют собой случайные явления, что объясняется изменением условий эксплуатации, режимами работы технологических систем, принятой системой обслуживания и ремонта электроустановок и другими факторами.

При изучении закономерностей отказов наибольший интерес представляет изучение места и времени возникновения отказа и в особенности, промежутка времени восстановления работоспособного состояния объекта.

Случайный характер процессов, характеризующих надёжность, позволяет заключить, что математическим аппаратом теории надёжности могут быть теория вероятностей и математическая статистика. При этом следует иметь в виду, что теория надёжности является самостоятельной наукой, а не отдельным разделом теории вероятностей. Она является технической, а не математической дисциплиной, и круг решаемых ею задач не ограничивается теорией вероятностей.

Отказы можно разделить: по характеру процесса появления – на внезапные и постепенные; по связи с другими отказами – на зависимые и независимые; по физической картине процесса – на катастрофические и параметрические; по степени влияния на работоспособность – на полные и частичные.

9

Внезапный отказ характеризуется скачкообразным изменением параметров под воздействием многих случайных факторов, связанных с дефектами элементов, с нарушениями режимов и условий работы, с ошибками обслуживающего персонала и т.п. При постепенном изменении параметров в результате старения узлов и материалов происходит постепенный отказ.

Отказ какого-либо узла относится к независимым отказам, если он не является следствием отказа других узлов.

Отказы типа пробоя изоляции, короткого замыкания относятся к катастрофическим отказам, которые приводят к полному нарушению работоспособности.

Параметрические отказы являются частичными отказами и выражаются в ухудшении качества функционирования изделия.

Кроме того, отказы подразделяются на конструкционные, производственные и эксплуатационные отказы.

В зависимости от условий применения электротехнические изделия могут быть восстанавливаемыми и невосстанавливаемыми.

Восстанавливаемый объект – это объект, для которого в рассматриваемой ситуации проведение восстановления работоспособного состояния предусмотрено в нормативно-технической и(или) конструкторской документации. Невосстанавливаемый объект не подлежит восстановлению в рассматриваемой ситуации. Следует отметить, что в зависимости от условий рассмотрения один и тот же объект может быть отнесён к тому или иному виду.

Большая часть элементов систем электроснабжения, в особенности элементов силового типа (генераторы, трансформаторы, линии электропередачи, коммутационная аппаратура, компенсирующие устройства и т.д.), относится к восстанавливаемым после отказа элементам.

1.3. ПОКАЗАТЕЛИ НАДЁЖНОСТИ СЭС

Показателем надёжности назовём величину, характеризующую одно или несколько свойств, составляющих надёжность изделия. Если показатели характеризуют одно из свойств надёжности, то они называются единичными. Различают единичные показатели безотказности, ремонтопригодности, долговечности и сохраняемости. Если показатель характеризует одновременно два (или более) свойств надёжности, то он называется комплексным. Наиболее часто комплексные показатели надёжности используются для количественной оценки безотказности и ремонтопригодности.

Рассмотрим показатели надёжности, рекомендуемые нормативными документами.

10