Список сокращений

АВР – автоматический ввод резерва

АПВ – автоматическое повторное включение

АРВ – автоматическое регулирование возбуждения

АРЧМ – автоматическое регулирование частоты и мощности

АСКУЭ – автоматизированная система контроля и управления электроснабжением

АЧР – автоматическая частотная разгрузка

В – выключатель

ВР – восстановительный ремонт

ДМ – диагностические модели

ДП – диагностические параметры

ИТ – измерительный трансформатор

КЛ – кабельная линия

ЛЭП – линия электропередачи

OП – оперативное включение

ОС – отказы срабатывания

ОСАОН – система автоматического отключения нагрузки

ОТД – объект технического диагностирования

ПОН – программа обеспечения надежности

ППН – программа повышения надежности

ППР – планово-предупредительный ремонт

ПС – пропускная способность

ПЭО – программа экспериментальной отработки

РЗА – релейная защита и автоматика

РП – распределительный пункт

СД – синхронный электродвигатель

СрТД – средства технического диагностирования

СТД – системы технического диагностирования

СЭС – система электроснабжения

Т – трансформатор

ТД – техническое диагностирование

ЧР – частичный разряд

ЭСО – энергоснабжающая (энергосбытовые) организация

ЭЭС – электроэнергетическая система

Введение

Интерес к теории надежности, который сейчас проявляют инженеры, экономисты, математики, менеджеры и другие специалисты, привёл к значительному расширению исследований и росту числа публикаций, посвященных общим и специальным ее вопросам. Проблемы надежности многогранны. В них затрагиваются конструктивные, технологические, физико-химические, экономические, экологические организационные и социальные аспекты и выявляется необходимость разработки фундаментального математического аппарата, приспособленного к специфике рассматриваемых вопросов.

Основная задача обеспечения надежности электроэнергетических, систем – снабжение потребителей электроэнергией в нужном количестве и при надлежащем её качестве. Увеличение объема потребления электроэнергии, тесно связанное с качественными изменениями в характере потребителей, значительно увеличивает зависимость нормального функционирования отдельных потребителей и даже районов от надёжности электроснабжения. В результате нарушение электроснабжения ведет к значительному экономическому ущербу, в ряде случаев приближающемуся к масштабам, соизмеримым с национальным бедствием (известные аварии 2003 года в США и Канаде, авария 2003 года в Италии, в Москве, Калужской и Тульской областях в 2005 году). В отдельных энергетических системах число аварий в течение года достигает нескольких десятков, а годовой недоотпуск электроэнергии в результате аварий – нескольких миллиардов киловатт-часов. Суммарная мощность одновременно простаивающих в аварийном ремонте генераторов составляет десятки миллионов киловатт.

Возможные последствия от ненадежности становятся такими существенными, что требуется постоянное совершенствование методов прогнозирования развития, проектирования, строительства, монтажа, эксплуатации и диагностики электроэнергетических систем, позволяющих полнее учитывать надежность и наиболее экономно расходовать выделяемые на её обеспечение средства.

Известны различные технические средства, с помощью которых повышается надежность, т.е. ликвидируется или предотвращается развитие аварийных ситуаций:

релейная защита от коротких замыканий;

автоматическое повторное включение (АПВ);

автоматический ввод резерва (АВР);

автоматическое регулирование возбуждения (АРВ);

автоматическая частотная разгрузка (АЧР);

автоматическое регулирование частоты и мощности (АРЧМ);

автоматическая синхронизация генераторов;

система автоматического отключения нагрузки (САОН) и т.д.

Наряду с перечисленными техническими средствами повышения надежности большое значение приобретают и такие дорогостоящие мероприятия, как внедрение автоматизированных систем контроля и управления электроснабжением (АСКУЭ); резервирование генерирующей мощности, резервирование систем передачи и распределения электроэнергии, увеличение пропускной способности ЛЭП, трансформаторов, подстанций. Принятие решения о резервировании или дублировании энергоснабжения большого количества потребителей связано со значительными материальными затратами, что должно быть надлежащим образом обосновано. Оценив ущерб, нанесённый потребителям перерывом электроснабжения, убытки, связанные с аварийным ремонтом, а также расходы на повышение надежности, можно ставить вопрос об оптимальном уровне надёжности электроэнергетического оборудования, установок и систем.

Концентрация и централизация промышленности, производства и распределения электроэнергии привели к созданию структурно сложных технических систем, под которыми в данной работе понимаются производственно-технологические комплексы крупных промышленных предприятий и системы их электроснабжения, обладающие достаточно высокими показателями надежности функционирования. К методам оценки показателей надежности электроснабжения таких потребителей предъявляются повышенные требования, и уделяется большое внимание исследователей, проектировщиков, эксплуатационного персонала [1,2]. Особенно остро эта проблема встает в связи с переходом к рыночным условиям, когда резко усложняются задачи обеспечения надежности функционирования и развития. В этих условиях:

- проявляются коммерческие требования к режиму и ограничения на его изменение, что снижает надежность и управляемость системы электроснабжения;

- разделяются интересы по поддержанию надежности и получению прибыли;

- возникает проблема экономичного и надежного электроснабжения субабонентов;

- образуются субъекты, существенно влияющие на надежность и не отвечающие за ее обеспечение (торговые операторы);

- происходит постоянное давление рынка, с целью экономии издержек, стремления к снижению всех видов резервов и запасов, полноте использования энергетического оборудования и пропускной способности сети;

- увеличивается количество «узких мест» в системе передачи электроэнергии, вследствие изменения распределения и направления потоков мощности, что стимулируется свободной торговлей электроэнергией.

В [3] установлены основные положения защиты потребителей от не предусмотренных законодательством нарушений электроснабжения со стороны рынка при проявлении различных видов его неустойчивости. В соответствии с концепцией обеспечения надежности в электроэнергетике она не может быть абсолютной и должна рассматриваться как некоторый конечный комплексный ресурс. Требования или запросы потребителей по обеспечению того или иного уровня надежности формируют спрос на этот ресурс. При этом потребители сами выбирают необходимый уровень надежности из предоставляемого «меню» с соответствующей ценой. Это позволит избежать перекрестного субсидирования за счёт перераспределения оплаты в соответствии с выбранными уровнями надежности. Следует отметить, что качество принимаемых решений в значительной степени зависит от полноты, точности и своевременности берущейся за основу информации. Она никогда не бывает абсолютно точной и достаточной даже только по той причине, что для принятия решения, ориентированного на будущее, возможно использование лишь ограниченного объема ретроспективных данных и учет только настоящего состояния контролируемого объекта. Даже при полном отсутствии ретроспективной информации об условиях функционирования высоконадежных структурно сложных систем в экстремальных ситуациях очевидна ценность сравнительных расчётов, так как они дают возможность получить данные для дальнейшего взаимодействия с энергоснабжающими организациями [1,2].

Истоки развития теории надежности можно отнести ко времени второй мировой войны. Известно, что первые формальные расчеты надежности были сделаны в ходе попыток найти объяснение плохого качества немецких реактивных снарядов ФАУ-1 и ФАУ-2. Эти снаряды строились из большого количества деталей, каждая из которых считалась надёжной. Фундаментальный вывод о том, что надёжность системы, в которой выход из строя любого элемента приводит к отказу всей системы, определяется показателями надежности всех (независимых) элементов и поэтому может оказаться много ниже самого низкого из этих показателей был получен только после этого эксперимента. Сегодня этот простой результат хорошо известен, а в то время это было открытием.

После войны первые систематические попытки изучения надежности были сделаны в электронной, ядерной и космической промышленности, где от систем, сложность которых постоянно увеличивалась, требовалась и высокая надёжность. Чтобы обобщить полученные частные результаты, была разработана общая теория надёжности. В первых работах анализировалось время работы объекта до первого отказа, поэтому теория надёжности неремонтируемых объектов развивалась особенно быстро, а теория восстановления – несколько медленнее.

В 1959 г. – Академия коммунального хозяйства опубликовала брошюру Р.Я. Федосенко «Методы расчёта надёжности электроснабжения потребителей городских электросетей», которая явилась практически первым пособием по надежности в электроэнергетике. Вопросы оценки последствий, наносимых потребителю нарушениями электроснабжения, отражены в книге Н.С. Афонина «Надёжность электроснабжения промышленных предприятий», изданной также в 1959 г. Последующие работы Н.С. Афонина и Ш.Ч. Чокина показали, что надёжность – категория экономическая. Поэтому для принятия решений необходимо анализировать экономические потери потребителей. Но это чрезвычайно трудоемко. В отдельные периоды времени были даже попытки замкнуться только рамками энергосистемы, отказаться от анализа последствий ненадежного электроснабжения у потребителя. Но жизнь показала, что такой подход не дает решения многих проблем (в частности, проблем управления режимами электропотребления) и комплексный, системный анализ технико-экономических последствий нарушений нормальной работы потребителей при плановых или внезапных нарушениях электроснабжения просто необходим.

В современной теории надёжности, относящейся к системам электроэнергетики, хорошо разработаны общие математические методы и построены «универсальные» математические модели [4]. Но конкретные области приложений, конкретные энергетические объекты при исследовании их надёжности требуют не только владения теоретическими методами и моделями, но и творческой их переработки, приспособления к особенностям этих объектов и, как следствие, создания новых методов и моделей. Данное учебное пособие наряду с изложением общетеоретических вопросов значительное внимание уделяет использованию методов надежности в реальных задачах исследования, проектирования и эксплуатации с учётом специфики рассматриваемых объектов электроэнергетики разных иерархических и временных уровней.

Книга состоит из четырех глав и пяти приложений. Каждая из глав посвящена исследованию конкретного вопроса, связанного с методами повышения и обеспечения надежности электроэнергетических систем. В приложениях приведены: примерное содержание программы и методики испытаний на надежность; планы контрольных испытаний на надежность с необходимыми таблицами и графическим материалом для расчётов надежности.

Первая глава посвящена анализу задач исследования надежности современных электроэнергетических систем (ЭЭС), даны сведения из теории случайных событий и математической статистики; основные понятия, термины и определения из теории надежности; законы распределения случайных величин, а также количественные показатели надежности, функциональные зависимости и числовые характеристики, используемые в расчётах надежности ЭЭС.

Во второй главе приведены состав и порядок обработки информации, последовательность проверки однородности статистического материала и гипотез о законах распределения случайных величин; методы контроля показателей надежности, требования к методам их контроля; правила разработки и оформления программы и методик испытаний на надежность.

В третьей главе рассмотрены модели отказов электроустановок с восстановлением, с профилактикой, с восстановлением и профилактикой; методы расчёта надежности электроустановок.

Четвертая глава посвящена вопросам диагностики электрооборудования электроэнергетических систем. Несмотря на наличие большого числа теоретических работ, эффективность методов технического диагностирования в повышении качества эксплуатации изделий еще остается крайне низкой, особенно при поиске дефектов. Известно, что ежегодные затраты на ремонт машин и оборудования в России и странах СНГ достигают многих триллионов рублей, до 30% всех эксплуатируемых машин ЭЭС находится в неработоспособном состоянии в связи с их ремонтом

Эффективность восстановления тем выше, чем меньше время вос­становления при удовлетворении заданным показателям его качест­ва. Опыт эксплуатации сложных технических, систем показывает, что при отсутствии специальных средств диагностирования основную долю времени восстановления составляет время, затрачиваемое на поиск дефекта(ов). Эта доля часто составляет 70—80% от общего вре­мени восстановления.

Задача поиска дефектов или некоторые вопросы, связанные с ней, возникают на всех этапах жизненного цикла объекта диагностирования (ОД), а именно:

• разработка и изготовление ОД с элементами приспособленно­сти к решению задачи поиска дефектов;

• сборка и обкатка (испытания) ОД в целях оценки их качества и в том числе надежности;

• приемочные испытания ОД;

• техническое обслуживание, определение объема планируемых профилактических операций по фактическому техническому состоянию;

• предремонтное диагностирование с целью поиска дефектов;

• приемочные испытания и контроль отремонтированных объ­ектов;

• своевременное переключение на резерв, т.е. оперативное управ­ление техническим состоянием.

В четвертой главе данного пособия приведены основные термины и определения контроля, диагностирования и прогнозирования электроустановок, основные задачи развития технического диагностирования электрооборудования ЭЭС; в качестве практического примера дана методика диагностирования синхронных электродвигателей магистральных насосов с оценкой фактического технического состояния и определения возможности продления срока службы; даны основные положения технического диагностирования электрооборудования ЭЭС.

В учебном пособии большое количество примеров, основанных на конкретном практическом материале, взятом из электроэнергетической отрасли, которыми могут воспользоваться инженеры, работающие и в других отраслях техники.