34

Глава 1. Основные понятия теории надежности в энергетике

1.1. Задачи надёжности электроснабжения

Теория надежности служит научной основой деятельности лабораторий, отделов, бюро и групп надежности на предприятиях, в проектных, научно-исследовательских и эксплуатационных организациях. Математический аппарат теории надежности основан на таких разделах современной математики, как теория вероятностей и математическая статистика, теория случайных процессов, теория массового обслуживания, математическая логика, теория графов, теория оптимизации, теория экспертных оценок, теория больших систем.

С проблемой надежности в электроэнергетике связаны следующие практические задачи [5]:

- статистическая оценка и анализ надежности действующего оборудования и установок;

- прогнозирование надежности оборудования и установок;

- техническая диагностика оборудования и установок;

- нормирование уровня надежности;

- испытания на надежность;

- расчет и анализ надежности;

- оптимизация технических решений по обеспечению надежности при проектировании, создании и эксплуатации электротехнического оборудования, установок, систем;

- экономическая оценка надежности.

Теория надежности вводит в практику инженерного исследования количественные оценки, которые позволяют:

- устанавливать требования и нормативы надежности оборудования для установок и систем;

- сравнивать различные виды оборудования, установок и систем по их надежности;

- рассчитывать надежность установок по надежности их элементов;

- оптимизировать величину необходимого резерва и структуру технических объектов;

- выявлять наименее надежные элементы оборудования, установок и систем;

- оценивать сроки службы оборудования и установок.

Проблема анализа и расчета надежности систем электроснабжения (СЭС) и электроэнергетических систем (ЭЭС) связана с решением ряда теоретических и практических задач. Для этого необходимо:

- выбрать меру надёжности;

- дать математическое описание явлений, связанных с ненадежной работой оборудования и всей установки или системы в целом;

- разработать математическую модель взаимосвязи отдельных явлений, определяющих возникновение повреждений и нарушений работы установки и ее восстановление, как случайный процесс;

- дать предложения по учету надежности в моделях принятия технических решений в проектных и эксплуатационных задачах.

Основные результаты, получаемые в процессе анализа и решения задач надежности электроснабжения, используются в таких дисциплинах, как «Электрическая часть станций и подстанций», «Переходные процессы в электроэнергетических системах», «Экономика энергетики», «Релейная защита», «АСУ и оптимизация режимов энергосистем», «Организация и управление предприятиями энергетики», и ряде других специальных дисциплин.

1.2. Понятия, термины и определения из области надежности

Фактически с момента начала исследований и практических работ в области электроэнергетики возникла необходимость в построении научно обоснованной терминологии. Она строго и однозначно должна определять систему используемых понятий, уточнить содержание отдельных терминов, учесть предысторию развития и потребности решения современных проблем на единой методической основе и отразить основные особенности больших электроэнергетических систем. Терминология современной энергетики приведена в [6]. Рассмотрим основные понятия надежности ЭЭС.

В электроэнергетике под системой понимается множество совместно действующих элементов, образующих некоторую целостность, предназначенную для выполнения определенных функций.

Энергосистема – технический объект как совокупность электростанций, приемников электрической энергии и электрических сетей, соединенных между собой и связанных общностью режима.

Под элементом понимается неделимая часть системы, предназначенная для выполнения определенных ее функций.

Термин «надежность» отражает объемное понятие, широко используемое в науке, технике, медицине, быту, так как во всех сферах накоплены определенные знания и опыт. В нормативно-технической документации [7] под надежностью понимают «свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значение всех параметров, установленных нормативно-технической документацией, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации».

Состояние любого объекта описывается множеством параметров x = (x₁, x₂, … , x_n), которые могут принимать определенные значения и изменяться во времени – x_i(t). Например, давление в котле, расход топлива, напряжение, нагрузка, экономичность и т.п. Надлежащее выполнение объектом своих функций возможно при условии, что все его параметры принимают значения, находящиеся в определенной многомерной области, изменяющейся во времени. В этом случае объект находится в работоспособном состоянии, которое рассматривается как работоспособность. Если значения параметров объекта х_факт оказываются за границей допустимой области (x_min – x_max), то в границах временных интервалов t₁ – t₂ и t₃ – t₄ объект переходит в неработоспособное состояние (рис.1.1).

Рис.1.1. Иллюстрация работоспособных и неработоспособных состояний объекта энергетики

К неработоспособным состояниям следует отнести так называемое предельное состояние. Это состояние объекта, при котором, его дальнейшее применение по назначению недопустимо или нецелесообразно либо восстановление его исправного или работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно. При достижении предельного состояния дальнейшая эксплуатация ЭЭС должна быть прекращена по причинам:

- неустранимого нарушения требований безопасности;

- неустранимого ухода заданных параметров и характеристик за установленные пределы;

- неустранимого снижения эффективности эксплуатации ниже допустимой;

- необходимости проведения капитальных ремонтов.

Признаки предельного состояния устанавливается нормативно-технической документацией.

Переход из одного состояния в другое называется событием.

Работоспособное состояние (работоспособность) – состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующие способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации. Если же значение хотя бы одного заданного параметра не соответствует установленным требованиям, то объект находится в неработоспособном состоянии.

Неисправное состояние – состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативно- технической или конструкторской документации.

Событие, заключающееся в нарушении исправного состояния системы или её частей вследствие различных воздействий и в переходе её в неисправное состояние, называют повреждением.

Безопасность – свойство объекта не допускать ситуаций опасных для людей и окружающей среды.

Управляемость – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению выхода значений параметров за допустимую область и возврату их в эту область средствами управления.

Маневренность – свойство объекта изменять значения своих режимных параметров в соответствии с заданной скоростью и в заданном диапазоне (например, скорость набора или снижения нагрузки, восстановления номинального напряжения и т.п.) при определенных условиях его эксплуатации.

Надёжность обладает комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения состоит из сочетаний свойств: безотказности, долговечности, ремонтопригодности, и сохраняемости.

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки. Это одно из основных свойств, составляющих надежность. Для количественной характеристики надежности сложных систем в качестве показателей безотказности используют: вероятность безотказной работы, среднюю наработку до отказа, среднюю наработку на отказ, среднюю наработку между отказами, интенсивность отказов, параметр потока отказов.

Противоположный безотказности термин отказ – событие, заключающееся в том, что объект перешел границу допустимой области значений его параметров из работоспособного состояния в неработоспособное и неспособен выполнять заданные функции независимо от причины этого перехода. При этом отказы классифицируются на:

полные, при которых функционирование объекта невозможно;

частичные, когда за допустимые пределы выходит один или нескольких параметров и, в зависимости от изменения его соответствующей функции возможно частичное функционирование объекта;

катастрофические, отказы, при которых происходит – внезапный полный отказ (пробой изоляции, короткое замыкание и т.д.);

внезапные, когда происходит резкое, скачкообразное изменение одного или нескольких параметров, определяющих функционирование объекта в нормальных условиях;

случайные – отказы, возникающие в фазе нормальной эксплуатации объекта в результате взаимодействия большого числа независящих друг от друга факторов;

постепенные, характеризующиеся постепенным изменением одного или нескольких заданных параметров;

параметрические, когда определяющий параметр (температура, ток срабатывания реле, сопротивление) непрерывно изменяясь во времени, достигает предельных значений, после чего система перестает выполнять заданные функции;

деградационные – постепенные частичные отказы, обусловленные естественными процессами старения, коррозии и усталости при соблюдении всех установленных правил и норм проектирования, изготовления и эксплуатации;

связанные со старением – отказы в конце периода эксплуатации в результате усталости, износа, старения материала;

независимые, то есть не обусловленные отказами других элементов (отказ подшипника при повышенном искрении коллектора машины постоянного тока);

зависимые, обусловленные отказом других элементов (отказ обмотки при разрегулировании токового реле);

каскадные, последовательные отказы двух и более элементов, при которых отказ последующего элемента является следствием предыдущего;

сбои – самоустраняющиеся отказы, приводящие к кратковременному нарушению работоспособности;

перемежающиеся – многократно возникающие, сбои одного того же характера;

приработочные, обусловленные недостаточным качеством изделия, проявляющиеся в начальной фазе его эксплуатации;

конструкционные, возникающие в результате нарушения установленных правил или норм конструирования объекта;

производственные, возникающие в результате нарушения процесса изготовления или ремонта объекта;

эксплуатационные, возникающие в результате нарушения установленных правил или условий эксплуатации объекта;

явные – отказы, которые обнаруживается сразу после их появления, без применений измерительных приборов;

неявные (скрытые) – отказы, которые не имеют внешних признаков проявления и могут быть обнаружены только с помощью измерительных приборов или средствами технической диагностики;

систематические – в результате известной взаимосвязи влияющих факторов к определённому моменту времени;

рыночные, возникающие в результате срыва плановых или договорных обязательств субъектов электроэнергетического рынка.

В качестве примера на рис. 1.2. показаны типичные случаи параметрических и катастрофических отказов. Характеристика изменения определяющего параметра П1 соответствует простейшему параметрическому отказу, а П2 – катастрофическому отказу. Характеристика П3, также соответствующая параметрическому отказу, типична для случаев, когда определяющий параметр имеет заметную периодическую составляющую, возникающую, например, из-за периодического изменения температуры, нагрузки. В этом случае после возникшего отказа возможен возврат характеристики в допустимые границы, а затем он вновь может возникнуть (перемежающийся отказ). Характеристика изменения параметра П4 кроме участков, соответствующих его плавному изменению, содержит скачок. Здесь имеет место комбинация параметрического и катастрофического отказов. Характер отказа зависит здесь от того, какое именно изменение (плавное или скачкообразное) привело к выходу параметра за допустимые границы.

Долговечность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

В отличие от безотказности долговечность характеризуется продолжительностью работы объекта по суммарной наработке, прерываемой периодами для восстановления его работоспособности плановыми ремонтами и при техническом обслуживании.

Рис. 1.2. Параметрические, катастрофические и перемежающиеся отказы

В качестве количественных показателей долговечности используют: ресурс, гамма-процентный ресурс, средний ресурс, срок службы, гамма-процентный срок службы.

Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов (повреждений), к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путём проведения технического обслуживания и ремонтов.

Количественными показателями ремонтопригодности являются: время восстановления, среднее время восстановления, вероятность восстановления.

Восстанавливаемый 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.

Наработка – продолжительность или объём работы объекта.

Наработка до отказа – наработка объекта от начала эксплуатации до возникновения первого отказа.

Технический ресурс (ресурс) – наработка объекта от начала его эксплуатации или её возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние.

Срок службы – календарная продолжительность от начала эксплуатации объекта или её возобновление после ремонта до перехода в предельное состояние.

Сохраняемость – свойство объекта сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и (или) транспортировки.

Для количественной характеристики сохраняемости применяют следующие показатели: назначенный срок хранения, средний срок сохранямости, гамма-процентный срок сохраняемости.

Средний срок сохраняемости — это математическое ожидание срока сохраняемости.

Гамма-процентный срок сохраняемости – это срок сохраняемости, достигаемый объектом с заданной вероятностью , выраженной в процентах.

Показатель надежности – количественная характеристика одного или нескольких свойств, составляющих надёжность объекта.

Нормирование надежности – установление номенклатуры и количественных значений показателей надежности элементов структуры объекта.

Оценка надежности – вычисление значений показателей надежности по результатам испытаний или эксплуатации.

Период приработки (приработка) – начальный период наработки объекта, в течение которого имеет место устойчивая тенденция к уменьшению потока отказов (интенсивности отказов), обусловленная устранением скрытых дефектов.

В последнее время особое место стало занимать понятие живучесть, которое представляет активную реакцию объекта при его противостоянии возмущениям за счет рационально организованной структуры управления и целесообразных режимов функционирования, что позволяет противостоять этим возмущениям не допуская их каскадного развития, ограничивая глубину (тяжесть) отказа с возможностью массового нарушения режима электроснабжения потребителей.

Решение проблем надежности связано с большим и быстро увеличивающимся объемом информации, имеющей прямое или косвенное отношение к ним. В этой связи становится необходимой разработка целого ряда программ исследования, обеспечения и повышения надежности элементов, объектов, систем.

Программа обеспечения надежности (ПОН) – документ, устанавливающий комплекс взаимосвязанных организационно-технических требований и мероприятий, подлежащих проведению на определенных стадиях жизненного цикла объектов (создание, серийное производство, эксплуатация) и направленных на выполнение заданных в документации на изделие требований по надежности.

Программа повышения надежности (ППН) – документ, определяющий перечень работ по повышению надежности изделий, находящихся в эксплуатации.

Программа экспериментальной отработки (ПЭО) – документ, определяющий цели и задачи, порядок проведения и необходимый объем испытаний, а также регламентирующий порядок подтверждения основных эксплуатационных характеристик изделия [1].

При оценке надежности электроснабжения необходимо рассматривать устойчивость ЭЭС.

Устойчивость энергосистем – способность сохранять синхронизм между электростанциями, или, другими словами, возвращаться к установившемуся режиму после различного рода возмущений [8].

Связь – последовательность элементов, соединяющих две части энергосистемы. Данная последовательность может включать в себя кроме линий электропередачи трансформаторы, системы (секции) шин, коммутационные аппараты, рассматриваемые как сетевые элементы.

Сечение – совокупность таких сетевых элементов одной или нескольких связей, отключение которых приводит к полному разделению энергосистемы на две изолированные части.

Применяется также понятие «частичное сечение» как совокупность сетевых элементов (часть сечения), отключение которых к делению энергосистемы на две изолированные части не приводит.

Исходя из требований к устойчивости схемы энергосистемы подразделяются на нормальные, когда все сетевые элементы, определяющие устойчивость, находятся в работе, и ремонтные, отличающиеся от нормальной тем, что из-за отключенного состояния одного или нескольких элементов электрической сети (а при эксплуатации - также из-за отключенного состояния устройств противоаварийной автоматики) уменьшен максимально допустимый переток в каком-либо сечении.

Различают установившиеся и переходные режимы энергосистем.

К установившимся относятся режимы, которые характеризуются неизменными параметрами. Медленные изменения режима, связанные с внутрисуточными изменениями электропотребления и генерации, нерегулярными колебаниями мощностей, передаваемых по связям, работой устройств регулирования частоты и активной мощности и т. п., рассматриваются как последовательность установившихся режимов.

К переходным относятся режимы от начального возмущения до окончания вызванных им электромеханических процессов (с учетом первичного регулирования частоты энергосистемы).

При эксплуатации исходя из требований к устойчивости энергосистем перетоки мощности в сечениях в установившихся режимах подразделяются следующим образом:

нормальные (наибольший допустимый переток называется максимально допустимым);

вынужденные (наибольший допустимый переток называется аварийно допустимым).

Вынужденные перетоки допускаются для предотвращения или уменьшения ограничений потребителей, потери гидроресурсов, при необходимости строгой экономии отдельных видов энергоресурсов, неблагоприятном наложении плановых и аварийных ремонтов основного оборудования электростанций и сети, а также в режимах минимума нагрузки при невозможности уменьшения перетока из-за недостаточной маневренности АЭС.