7.2. Средства обеспечения надежности

7.2.1. Надежность элементов

Создание объекта (системы электроснабжения), выполняющего заданные функции, обычно начинается с анализа существенных процессов, которые должны протекать в его элементах (например, потоки мощности в элементах электрической сети), а затем подбора элементов, которые обеспечат протекание этих процессов (например, сечение и материал проводов ЛЭП, по которым передаются эти мощности, конструкции гирлянд изоляторов, опор и т.д.). Очевидно, от количества и качества элементов будут зависеть работоспособность объекта, его способность выдерживать возможные возмущения, перегрузки, т.е. надежность.

Обычно системы электроснабжения рассчитываются и строятся под определенные заданные нагрузки на их элементы (токовые, напряжения, механические и т.д.). Можно предположить, что если действительные нагрузки не будут превышать расчетные (номинальные), то элементы отработают срок своей жизни без отказов. Реально же на элемент эпизодически действуют различные возмущения, превышающие номинальные, проявляются скрытые дефекты проекта, изготовления, монтажа, в результате чего происходят отказы элемента до истечения срока его жизни. Для уменьшения этого влияния обычно увеличивают прочность элемента, закладывая определенные запасы, которые могут реализоваться путем использования более прочных материалов, за счет конструктивных усовершенствований элемента и т.п.

Таким образом, создание запаса прочности элементов является одним из средств повышения надежности систем электроснабжения.

7.2.2. Структуризация и резервирование

Надежность объекта-системы определяется не только прочностью конструкций материалов, из которого изготовлены элементы, но и тем, как вообще структурированы элементы системы. Та же электрическая сеть может быть построена по кольцеобразной, радиальной или смешанной схеме. И во всех этих вариантах сети даже при одинаковых запасах прочности в элементах надежность ее будет различной. Это следует из известного положения, что структура объекта во многом обусловливает его свойства. Следовательно, определенным образом направленная структуризация объекта (системы) при его создании также является средством обеспечения надежности.

Если созданием запаса прочности обеспечивается повышение надежности за счет избыточности внутри элементов системы, то возможно повышение надежности системы электроснабжения и за счет создания внешней избыточности – резервирования.

Резервирование (лат. reservo – сберегаю, сохраняю) – повышение надежности системы введением дополнительных элементов и функциональных возможностей сверх минимально необходимых для нормального выполнения системой заданных функций. Различают следующие его виды.

Структурное резервирование – метод повышения надежности системы, предусматривающий использование избыточных элементов, входящих в физическую структуру системы (например, установка дополнительных трансформаторов на подстанциях; сооружение избыточных цепей ЛЭП, когда пропускная способность первоначальных цепей еще не исчерпана; установка дополнительных – резервных – генераторов в системе и т.д.).

Временное резервирование – метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование избыточного времени, выделенного для выполнения объектом его заданных функций. Например, резервный генератор в системе по своему прямому назначению используется очень небольшую часть общего времени, а остальную часть времени находится в состоянии ожидания отказов работающих генераторов. Этот резерв времени может быть использован для повышения надежности в соседней системе, связанной с первой, когда тот же резервный генератор будет включен для замещения отказавшего здесь генератора.

Информационное резервирование – метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование избыточной информации сверх минимально необходимой для выполнения заданных функций. Например, если при отказе и отключении какого-либо элемента электрической сети оставшиеся элементы перегружаются и требуется их срочная разгрузка, то по информации об отключении элемента сети производится отключение части нагрузки, исходя из возможной максимальной загрузки сети. Если же информацию об отключении элемента сети дополнить еще и информацией о доаварийной загрузке сети, то после отказа элемента можно отключить нагрузку в меньшем размере, в соответствии с реальной, а не предполагаемой максимальной загрузкой сети.

Функциональное резервирование – метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование способности элементов выполнять дополнительные функции вместо основных или наряду с ними. Например, межсистемная ЛЭП, предназначенная для транспорта электроэнергии из одной системы в другую, может выполнять и другие функции – взаиморезервирование генераторов в этих системах, реализацию эффекта совмещения максимумов нагрузок систем и т.д. Трансформаторы на отдельных подстанциях помимо своего основного назначения могут быть использованы и для осуществления плавки гололеда током на проводах и тросах воздушных линий с целью повышения их надежности.

Нагрузочное резервирование – метод повышения надежности объекта, предусматривающий способности его элементов воспринимать дополнительные нагрузки сверх номинальных. Как правило, здесь временное повышение степени использования (увеличения объема выполняемых функций) осуществляется за счет более быстрого срабатывания ресурса объекта. Например, при отказе одного трансформатора допускается временная перегрузка второго, которая приводит к более быстрому срабатыванию его ресурса.

В зависимости от схемы использования резервного элемента в системе различают:

 общее резервирование, при котором резервируется объект в целом;

 раздельное резервирование, при котором резервируются отдельные элементы системы или их группы;

 скользящее резервирование (резервирование замещением), при котором группа основных элементов системы резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой отказавший основной элемент в данной группе (например, передвижной резервный трансформатор на предприятии электрических сетей, привозимый на подстанцию на время ремонта основного трансформатора).

В зависимости от режима использования резервного элемента различают:

 нагруженный резерв, когда резервный элемент находится в том же режиме загрузки, что и основной;

 облегченный резерв, когда резервный элемент находится в менее нагруженном режиме, чем основной;

 включенный резерв (в энергетической практике часто называемый "горячим"), когда резервный элемент готов в любое время взять на себя функции резервного элемента;

 невключенный резерв (в энергетической практике часто называемый "холодным"), когда требуется определенное время для ввода резервного элемента в работу.

Для характеристики степени резервирования используется понятие кратность резервирования как отношение числа резервных элементов к числу резервируемых элементов объекта.

Часто под кратностью резервирования, например в электрических сетях, понимается отношение пропускной способности сети после отключения основных элементов к пропускной способности этих элементов. В тех случаях, когда кратность резервирования равна единице, говорят, что имеет место дублирование.