Теоретичні відомості

Визначення поняття надійності в техніці і в енергетиці за останній час зазнали значних змін. Це пояснюється розвитком дослідницької думки в області надійності і прагненням задовольнити вимогам формальної логіки.

У збірнику рекомендованих термінів надійність пояснюється як властивість об'єкта виконувати задані функції в заданому обсязі за певних умов функціонування. Це визначення базується на визначенні надійності в ГОСТ 13377-75. Під об'єктом розуміється предмет певного призначення, що розглядається в періоди проектування, виробництва, експлуатації, досліджень та випробувань на надійність, а саме визначення надійності розкривається через перерахування суттєвих ознак предмета надійності.

У ГОСТ 27.002-83, введеному в заміну ГОСТ 13377-75, надійність визначається в більш вузькому сенсі - як «властивість об'єкта зберігати в часі у встановлених межах значення всіх параметрів, що характеризують здатність виконувати необхідні функції, у заданих режимах і умовах застосування, технічного  обслуговування, ремонтів, зберігання і транспортування». Визначення надійності об'єкта як властивості об'єкта з перерахуванням істотних ознак цієї властивості, що характеризують виконання заданих функцій, зближує поняття «надійність» з поняттям «працездатність». У той же час втрата здатності виконувати задані функції не може вважатися втратою надійності. Згідно ГОСТ 27.002-83 і збірки рекомендованих термінів втратою працездатності є відмова. Не можна ж вважати, що після кожного відмови об'єкт втрачає властивість надійності, а після відновлення знову його знаходить.

Встановити факт надійності як властивості можна тільки в данний момент або в конкретний період часу в минулому за умови, якщо інформація про об'єкт зафіксована в пам'яті (людини або ЕОМ) або в документах, що відносяться до конкретного реального досвіду експлуатації або випробувань. Якщо розглядається проект об'єкта або не випробуваний ще перший примірник або прогнозується функціонування об'єкта, то надійність виступає не як властивість об'єкта, а як впевненість в тому, що об'єкт певного класу виконає задані функції при певних обставинах.

Якщо розглядається сукупність об'єктів даного класу, то надійність розуміють як явище, пов'язане з функціонування створених і проектованих об'єктів і полягає в невизначеності ступеня виконання заданих функцій. Останнє визначення поняття «надійність» через спосіб винекнення предмета думки і попереднє визначення через найближчий рід і видову відмінність розкривають неоднозначність поняття «надійність об'єкта» в ГОСТ 27.002-83, де під об'єктом розуміють і сам реально діючий об'єкт, і його проект (модель), і клас (сукупність) об'єктів даного виду.

Клас об'єктів може включати в себе один або декілька об'єктів, що володіють певними ознаками. Згідно теорії класифікації суттєві ознаки об'єкта є образом класу і підставою для ідентифікації об'єкта. При прогнозуванні або розрахунку надійності об'єктів будь-якого класу створюються математичні моделі, що визначають образ класу і відповідають уявленням дослідників про надійність об'єктів цього класу. Помилкові уявлення ведуть до спотворення образу класу і до грубих принциповим помилок.

Впевненість у відтворюваності властивості надійності в кожному з об'єктів класу заснована на припущенні про одноманітність їх структури і підтверджується досвідом практики при перевірці однорідності вибірок спостережень. Невпевненість у відтворюваності властивості надійності в кожному об'єкті класу обумовлена ​​припущенням про випадковість реалізації набору елементів і неможливістю підтвердження надійності кожного елемента реального об'єкта.

Говорячи про надійність класу об'єктів, можна мати на увазі і певну їх сукупність - (наприклад, повітряні вимикачі серії ВВБ-220 випуску 1977 р.), і групу об'єктів, реальних чи проектованих, з певною структурою і складом елементів (наприклад, спрощені підстанції 110 кВ без вимикачів на стороні вищої напруги). Структура та взаємодія елементів об'єкта визначають його модель надійності. Модель надійності об'єкта після введення чисельних оцінок надійності елементів стає способом об'єкта щодо надійності. У моделях надійності широко використовуються поняття «елемент» і «система». Об'єкт, надійність якого розглядається незалежно від надійності його частин, а тільки в залежності від його функціональної ролі і місця в системі або установці, називається елементом. Сукупність взаємопов'язаних елементів або об'єктів, призначених для виконання певного кола завдань, що має єдине управління функціонуванням і розвитком, вони опиняються системою.

Система, призначена для виробництва, перетворення, передачі і розподілу електричної енергії, називається електроенергетичною системою. Сукупність елементів або об'єктів електроенергетичної системи, що виконує частину її функцій, називається електроенергетичної установкою. Установками є: електричні станції, підстанції, лінії електро передачі, електричні мережі та системи електропостачання районів, міст та окремих споживачів. Обладнання електроенергетичних установок і систем - це, з одного боку, елемент відповідної системи або підсистеми, а з іншого - виріб, тобто об'єкт, надійність якого розглядається незалежно від його ролі в системі, але у відповідності з технічними умовами і ГОСТ на продукцію даного типу. Виробами є всі машини, апарати, їх деталі та інше обладнання, яке постачається заводами - виробниками.

Згідно ГОСТ 27.002-83 надійність - це складна властивість, яке включає в себе безвідмовність, довговічність, ремонтопридатність та зберігаємість. Надійність електроенергетичних установок і систем також є комплексною властивістю, яка включає в себе безвідмовність, довговічність, ремонтопридатність, зберігаємість, стійкопридатність, режимну керованість, живучість та безпеку.

Це стан працездатний (працездатність), непрацездатний, робочий, резервний, аварійного і попереджувального ремонту, аварійного простою, залежного простою, нормального, аварійного та післяаварійного режиму. Там же визначаються події, що характеризують надійність: відмова працездатності (відмова), відмова функціонування, відмова спрацювання, зайве спрацьовування, помилкове спрацювання, аварія, локалізація відмови функціонування і відновлення. Часткова відмова працездатності переводить об'єкт в стан часткової працездатності, а часткова відмова функціонування приводить об'єкт в частково робочий стан. Тільки повні відмови призводять до непрацездатності чи неробочого стану.

Визначення поняття зберігаємості як властивості зберігати працездатність принциповим невірне, тому що зберігаємість - це властивість об'єкта зберігати значення показників безвідмовності, довговічності і ремонтопридатності протягом і після зберігання та (або) транспортування, що і зазначено в ГОСТ 27.002-83.

Стійкість - здатність об'єкта переходити від одного усталеного режиму до іншого при різних збуреннях. Властивість системи безупинно зберігати стійкість протягом деякого інтервалу часу називається стійкоздатністю. Властивість об'єкта забезпечувати включення, відключення і зміну режиму роботи елементів по заданому алгоритму називається режимною керованістю.

Електростанція є складною електроенергетичною установкою, що складається з окремих елементів, об'єднаних в підсистеми і взаємозв'язаних в технологічному процесі. Весь технологічний процес підпорядкований основній меті - виробництву електроенергії і тепла для электро- і теплопостачань споживачів. Від надійності функціонування окремих елементів, підсистем і електростанції в цілому залежить досягнення основної мети.

Під надійністю розуміють властивість об'єкта виконувати задані функції, зберігаючи в часі встановлені експлуатаційні показники в заданих межах, відповідні заданим режимам і умовам використання. Надійність є комплексною властивістю.

При розгляді об'єктів електроенергетики в поняття надійності включають: безвідмовність, довговічність, ремонтопридатність, зберігаємість, режимну керованість, стійкоздатність, живучість і безпеку. Залежно від призначення об'єкту і умов його експлуатації розглядається окремі властивості надійності.

Електроенергетична система (ЕЕС) є сукупністю взаємозв'язаних електричних станцій, мереж, підстанцій і споживачів, об'єднаних загальним процесом виробництва, перетворення, передачі, розподілу і споживання енергії. Стосовно ЕЕС в цілому розглядають такі властивості надійності, як безвідмовність, режимна керованість, стійкоздатність і живучість.

Надійність електростанції як об'єкту ЕЕС включає властивості, які враховуються в повному об'ємі або частково на стадіях проектування і експлуатації електростанцій. До них відносяться: безвідмовність, довговічність, ремонтопридатність, живучість і безпека .

Безвідмовність - властивість об'єкта безперервно зберігати працездатність протягом деякого часу або деякого напрацювання. Під працездатністю розуміють стан об'єкта, при якому він здатний виконувати задані функції, зберігаючи свої задані експлуатаційні параметри. Під напрацюванням розуміють тривалість або об'єм роботи.

Довговічність - властивість об'єкта зберігати працездатність до настання граничного стану при встановленій системі технічного обслуговування і ремонтів. Граничний стан визначається наносом або витратою моторесурса устаткування, величина якого приймається на стадії проектування і виготовлення. Граничний стан обумовлює припинення експлуатації об'єкту з міркувань економічності, безпеки і ін.

Ремонтопридатність - властивість об'єкту, що полягає в пристосованості до попередження і виявлення причин виникнення відмов, пошкоджень і усуненні їх наслідків шляхом проведення технічного обслуговування і ремонтів. На першій стадії виступає необхідність попередження відмов устаткування, тобто діагностика його стану і своєчасний профілактичний ремонт. Якщо відмова відбулася, то пошкоджене устаткування повинне бути відремонтоване або замінене резервним в найкоротші терміни. Для цього на електростанціях складаються графіки планових ремонтів устаткування і проводяться роботи по відновленню устаткування, що відмовило.

Живучість - властивість об'єкту протистояти обуренням, не допускаючи їх каскадного розвитку з масовим порушенням електропостачання споживачів. Властивість живучості електростанції виявляється при виникненні короткого замикання на лініях зв'язку з ЕЕС або на шинах розподільних пристроїв електростанції і в системі власних потреб.

Безпека - властивість об'єкту не допускати ситуацій, небезпечних для життя людей і навколишнього середовища. В даний час крім традиційних заходів щодо техніки безпеки передбачається біологічний захист обслуговуючого персоналу від дій високої напруги і радіації (на АЕО). На теплових електростанціях всього більшого значення набуває боротьба із забрудненням атмосфери продуктами спалювання палива.

Властивості надійності розкриваються через випадкові події, які можуть відбутися на електростанції. До них відносяться відмови і відновлення.

Відмова електроустановки - подія, що приводить до порушення її працездатності.

Відмова електроустановки від виконання заданих функцій наступає в результаті відмов устаткування, суміжних установок, протиаварійної автоматики, а також при нерозрахункових зовнішніх діях, виникненні незапланованого попиту на електроенергію, неприпустимій зміні параметрів режиму. За наявності резервних елементів і можливості заміни устаткування, що відмовило, а також ремонту без припинення роботи - надійність установки визначатиметься не тільки частотою відмов, але і часом відновлення основних і резервних елементів.

Відновлення також є подією, що полягає в підвищенні рівня працездатності електроустановки або відносного рівня її функціонування.

Відновлення функціонування електроустановки здійснюється засобами релейного захисту і протиаварійної автоматики, оперативними перемиканнями виконуються черговим персоналом або диспетчером энергосистемы, проведенням аварійно-відновних ремонтів.

Аналіз надійності схем електричних з'єднань електростанцій включає: представлення схеми у вигляді моделі, математичний опис моделі і розрахунок.

Математичний опис моделі може бути представлене у вигляді диференціальних, інтегральних рівнянь алгебри, імовірнісних поліномів або функцій алгебри логіки.

Всі реальні події і явища мають як детермінований, так і випадковий характер. Математичні моделі можуть бути детермінованими або стохастичними. Стохастичність може бути істотною або незначною. У теорії надійності стохастичність істотна, тому прикладні завдання надійності є імовірнісними. Основними методами кількісного аналізу надійності об'єктів енергетики служать теорія ймовірності і математична статистика.

Залежно від характеру завдань і початкових даних може бути використаний той або інший математичний апарат для розрахунку надійності схем електричних з'єднань електростанцій і інших електроустановок.

Якщо є стаціонарні значення показників надійності елементів схем у вигляді математичних очікувань за умови незмінного режиму роботи електростанції і з урахуванням того, що потік відмов її елементів простий і час відновлення підкоряється експоненціальному закону розподілу, оцінка надійності може бути вирішена на рівні випадкових подій із застосуванням основних теорем теорії ймовірності.

За тих же умов, але при зміні стану електростанції використовується математичний апарат Марківських випадкових процесів .

У загальному випадку, коли не обмежені характеристики випадкового процесу зміни стану досліджуваної системи, визначення показників надійності здійснюється з використанням методу статистичних випробувань.

При вирішенні завдань по надійності, наприклад, при виборі варіанту схеми електричних з'єднань електростанції з урахуванням надійності, необхідні чисельні показники надійності. Вибір технічних рішень проводиться або шляхом зіставлення отриманих показників з нормативними або заданими, або шляхом порівняння їх між собою і відбору надійнішого варіанту, або шляхом використання цих показників в техніко-економічних розрахунках.

Під показником надійності розуміють кількісну характеристику властивостей, що визначають надійність об'єкту. У теорії надійності використовуються наступні показники надійності.

Імовірність відмови – ймовірності того, що при заданій тривалості роботи елементу можливе настання відмови .

Статистично ймовірності відмови визначається відношенням елементів m(t), що відмовили до моменту t, до первинної кількості елементів М(0) що знаходяться під спостереженням:

Інтенсивність відмов - ймовірності того, що елемент, що працював безвідмовно до моменту t, відмовить у відрізку (t+Δt) за умови, що Δt достатньо мале:

Т - випадковий інтервал часу до першої відмови.

Статистично інтенсивність відмов визначається як відношення числа елементів m(t, Δt), що відмовили в інтервалі t, t+Δt, до елементів M(t), справних до моменту t:

Параметр потоку відмов - межа відношення ймовірності відмови елементу в інтервалі часу або напрацювання Δt безпосередньо після даного моменту t до тривалості цього інтервалу при його необмеженому зменшенні

Статистично параметр потоку відмов визначається відношенням числа елементів m що відмовили, в інтервалі (t,t+Δt) до елементів, що знаходяться під спостереженням M(t), за умови, що всі елементи, що вийшли з ладу, замінюються працездатними.

Ймовірність відновлення в заданий час - ймовірність того, що час відновлення елементу не перевищить заданого

де p - випадковий інтервал часу від початку до закінчення відновлення.

Статистично G (t) визначається як відношення числа випадків m(t) коли відновлення елементу тривав менше інтервалу t, до загального числа спостережуваних випадків відновлення M(о)

Середній час відновлення - математичне очікування часу відновлення елементу

Статистично А визначається як сумарний час відновлення, спостережуваний в M випадках відновлення, віднесений до кількості цих випадків

Коефіцієнт готовності - ймовірність того, що елемент виявиться працездатним в довільний момент часу, коли буде потрібно його застосування. Визначається як відношення часу безвідмовної роботи Т до суми часів безвідмовної роботи і відновлення

Коефіцієнт вимушеного простою визначається як відношення часу відновлення до суми часів безвідмовної роботи і відновлення

Середній недовідпуск електроенергії - математичне очікування кількості електроенергії, недовідпущеної споживачеві за певний період часу.

При розрахунку надійності схем електричних з'єднань електроустановок схема розглядається як абстрактна структура незалежно від її фізичних властивостей, але що володіє загальними закономірностями :

структура має вхід і вихід (вхід структури вибирається таким, щоб його надійність була значно вища за надійність даної схеми, вихід - розрахункова точка схеми), показники надійності структури визначаються на виході; відмови елементів розглядаються як незалежні події; елементи структури знаходяться тільки в двох станах - працездатному і непрацездатному; потоки відмов і відновлень розглядаються як прості потоки подій.

Приведемо основні формули при розрахунку надійності послідовного, паралельного і змішаного з'єднання елементів структури.

Послідовним з'єднанням в понятті надійності називається така структура, відмова якої наступає при виході з ладу хоч би одного елементу, тобто послідовна структура працездатна, якщо всі її елементи працездатні.

Якщо потік відмов є ординарним, стаціонарним на окремих відрізках часу і без наслідків (простий потік), то число відмов на цих інтервалах часу t розподілене за законом Пуассона, і показники надійності можуть визначатися по наступних формулах.

Параметр потоку відмов рівний інтенсивності потоковідмов

Результуючий параметр потоку відмов структури

Ймовірність появи до відмов на інтервалі часу t

Ймовірність безвідмовної роботи

Середній час безвідмовної роботи

Середній час відновлення

Паралельним з'єднанням в сенсі надійності називається така структура, відмова якої наступає у разі відмови всіх елементів, що входять в структуру.

Паралельну структуру називають також резервованою структурою, оскільки вона містить більше елементів, чим це необхідно для її нормального функціонування. При відмові одного або декількох елементів в структурі функціонують елементи, що залишилися в роботі.

Приведені далі формули для визначення показників надійності паралельної структури отримані для високонадійних структур, для яких дотримується умова

тобто мінімальний час нормальної роботи структури значно більше сумарного часу відновлення елементів структури.

Параметр потоку відмов структури, що складається з двох сполучених паралельно елементів 1 і 2

або

Середній час відновлення структури

Для структури, що складається з n сполучених паралельно елементів, параметр потоку відмов визначають по формулі:

або

Середньо час відновлення структури

Змішаним з'єднанням елементів називається така структура, яка є поєднанням послідовно і паралельно сполучених елементів. Розрахунок показників надійності таких структур здійснюється поетапним еквівалентуванням. У структурі виділяють ділянки з послідовним і паралельним з'єднаннями і обчислюють показники надійності для цих ділянок. Потім замінює ділянки еквівалентними їм по надійності елементами. У отриманій структурі з еквівалентних елементів знов виділяють послідовні і паралельні з'єднання і проводять нові еквівалентування. Цей процес закінчується тоді, коли початкова розрахункова схема буде замінена одним елементом. Реальні схеми електричних з'єднань не завжди є поєднанням послідовних і паралельних з'єднань елементів. Існують і складніші структури, в яких елементи сполучені таким чином, що її подальше еквівалентування неможливе.

Для розрахунку показників надійності таких структур застосовується метод мінімальних перетинів. Існують деякі групи елементів, одночасна відмова яких приводить до розриву всіх шляхів, зв'язуючий вхід і вихід структури. Сукупність елементів, відмова яких приводить до відмови структури, в теорії надійності називається перетином. Якщо визначити всі перетини, що містяться в досліджуваній структурі, і обчислити їх надійність, то можна визначити результуючі показники надійності всієї структури. Серед множини перетині складних структур є такі, які утворені мінімальним набором елементів звані мінімальними перетинами, тобто мінімальними перетинами називають такі перетини, які при видаленні з них будь-якого елементу перестають бути перетинами.

Проведені в теорії надійності дослідження показують, що надійність послідовно сполучених мінімальних перетинів структури визначає нижню межу її надійності. Для використання методу мінімальних перетинів необхідно дотримувати умови:

.