1. ОПРЕДЕЛЕНИЯ. 1.1. Терминология

1. ОПРЕДЕЛЕНИЯ

1. 1. Терминология

При рассмотрении любого вопроса, для его однозначного понимания, следует договориться об основных терминах и определениях. В данном пособии постараемся придерживаться общепринятых терминов и определений [10-13].

По ГОСТ 27. 002-89 [10], надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

В предлагаемом пособии основное внимание уделено рассмотрению надежности систем в условиях их применения. Отметим, что задачи оптимального технического обслуживания, хранения и транспортирования элементов систем электроснабжения несколько отличаются по своей постановке, математическому описанию и методам исследования и здесь не рассматриваются.

Под объектом будем подразумевать как систему электроснабжения в целом, так и ее отдельные элементы. Любая техническая система, в том числе и СЭС, состоит из элементов. Под элементом СЭС будем понимать неделимую, в рамках решаемых задач, часть системы, связанную основным функциональным назначением СЭС. Поэтому, методологической основой объединения систем и ее элементов в понятие «объект» является общность выполнения основных функций, как отдельными элементами, так и системой в целом.

Системы электроснабжения должны выполнять три основные функции:

- производство,

- передачу

- и распределение электроэнергии.

Понятие функционирования системы (исполнения заданных функций) в теории надежности является ключевым. Особенностью СЭС является необходимость выполнения нескольких функций. Это предполагает разделение заданных функций между отдельными элементами СЭС, а, следовательно, и некоторое различное их математических описаний. Не акцентируя внимание (пока) на конкретных формулах, рассмотрим более подробно функции систем и то, как эти функции исполняются основными элементами СЭС. В конечном счете, эти функциональные взаимосвязи будут однозначно определять математическое описание (формулы и методы расчета) как отдельных элементов, так и систем в целом.

В качестве силовых элементов СЭС обычно рассматривают: генераторы, трансформаторы, линии электропередач, токоограничивающие реакторы, выключатели различных типов. Большинство из перечисленных элементов, а именно: линии электропередач, трансформаторы, реакторы, в рамках рассматриваемой задачи надежности выполняют одну единственную функцию, передачу электроэнергии потребителям. Все эти элементы можно рассматривать как двухполюсники, как некие ветви графа сети, по которой осуществляется передача электроэнергии[1]. Применение в системах электроснабжения двухцепных ЛЭП, трехобмоточных трансформаторов, автотрансформаторов, сдвоенных реакторов, трансформаторов с расщепленными обмотками не меняет существо математического описания, так как каждый из этих элементов может быть представлен вполне определенным набором двухполюсников, в соответствии с их известными схемами замещения.

Если рассматривать выключатель, прежде всего, как проводник, как ветвь эквивалентного графа сети, передающий электроэнергию от одного узла к другому, то становится понятным, что любой выключатель СЭС с точки зрения функции передачи электроэнергии должен иметь такое же математическое описание, как и любой другой из перечисленных выше элементов сети. Следует подчеркнуть, что об этой функции выключателя начинающий читатель обычно забывает. Скорее всего, это связано с тем, что в расчетах режимов сетей цепь с малым внутренним сопротивлением выключателя обычно не учитывается и о выключателе, как о проводнике подсознательно забывают. В данном случае, повреждаемость силовой цепи выключателя, как проводника вполне соизмерима с повреждаемостью линий и трансформаторов, и пренебрегать этим нельзя. Разумеется, выключатели обязаны выполнять и еще одну функцию, функцию коммутации цепей.

Все перечисленные элементы, включая генераторы и выключатели, должны, прежде всего, выполнять функцию передачи электроэнергии потребителям. Как минимально неделимые части систем, для осуществления функции передачи электроэнергии, все эти элементы должны рассматриваться как двухполюсники, способные передавать электроэнергию от одного узла к другому. В теории надежности выполнение или нарушение этой функции элементами СЭС описывается вполне определенной группой параметров, чаще всего: параметром потока отказов и средним временем восстановления.

В системах электроснабжения силовая коммутационная аппаратура выполняет две функции: передачу и распределение электроэнергии. Причем, функция передачи электроэнергии через коммутационный аппарат не заслуженно забывается, хотя и является не менее важной, чем функция коммутации электрических цепей с целью распределения электроэнергии и локализации аварий.

его надежность следует характеризовать потоком отказов внутренних повреждений и средним временем их восстановления. Способность, или не способность выключателей, включать или отключать силовые цепи рассматривается в теории надежности как, не менее важная, но другая функция, характеризуемая дополнительной группой параметров надежности, условными вероятностями отказов срабатывания во включении, или отключении цепей.

В эквивалентных схемах расчета режимов электрических сетей генераторы представляются узлами с эквивалентной ЭДС и двухполюсниками с эквивалентным внутренним сопротивлением. В теории надежности генераторы представляются теми же, двумя элементами. Причем, для цепи внутреннего сопротивления генератора вводятся параметры надежности, ничем не отличающиеся от параметров других элементов, представляющих двухполюсники. В этом смысле, генератор, как элемент, осуществляющий функцию передачи электроэнергии от внутренней ЭДС к внешним выводам обмотки, ничем не отличается от линий электропередач, трансформаторов и любых других двухполюсников. Нарушение функции производства электроэнергии генератором, как потеря эго ЭДС, обычно рассматривается в контексте уточнения последствий его отказа для системы в целом. Часто такие отказы генераторов даже не связанных с нарушением электроснабжения потребителей, представляют опасность с точки зрения потери запасов статической и (или) динамической устойчивости станций. При детальном рассмотрении

Особенностью СЭС является широкое применение защитной и противоаварийной автоматики. При детализации расчетов надежности, элементы релейной защиты и автоматики (РЗиА) будем рассматривать как отдельные, специфические для СЭС элементы технических систем.

В дальнейшем, понятия элементов систем и их математические модели надежности будут уточнены более детально.

В этом параграфе, при отсутствии специальных оговорок, все приводимые ниже определения будут относиться как к системам, так и к их элементам. Если в рамках дальнейшего описания не требуется делать различий меду системами и их элементами, то будем говорить об объектах надежности.

Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Применительно к системам электроснабжения (СЭС), состоящим из восстанавливаемых элементов, обычно детально рассматривают ее безотказность и ремонтопригодность.

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.

Работоспособное состояние (работоспособность) – состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Неработоспособное состояние (неработоспособность) – состояние объекта, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Иными словами, если СЭС выполняет свои функции, она работоспособна, если не выполняет хотя бы одну из них, она не работоспособна. Состояния системы (элемента) характеризуются некоторой продолжительностью или наработкой.

Наработка – продолжительность или объем работы объекта. Наработка может быть как непрерывной величиной (продолжительность работы или календарное время в часах), так и целочисленной величиной (число рабочих циклов, включений и отключений выключателей в нормальных режимах или сверхтоков при КЗ и т. п. ).

Предельное состояние – состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Для ремонтируемых объектов выделяют два или более видов предельных состояний. Например, для двух видов предельных состояний требуется отправка объекта в текущий или капитальный ремонт, т. е. временное прекращение применения объекта по назначению. Третий вид предельного состояния предполагает окончательное прекращение применения объекта по назначению. Для элементов СЭС могут быть указаны физические параметры (электрическая и механическая прочность сопротивления изоляции, тангенс угла диэлектрических потерь, сопротивление изоляции, износ вкладышей подшипников, уровень вибраций и т. д. и т. п. ), характеризующие запасы прочности элемента. По каждому из таких параметров, в нормативно-технической документации или заводом изготовителем должно быть указано предельное состояние, характеризующее потерю запасов прочности и не возможность дальнейшего применения элемента по назначению.

Отказ – с обытие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта. Событием, противоположным отказу, является восстановление.

Восстановление – процесс перевода объекта в работоспособное состояние из неработоспособного состояния.

Отказы элементов СЭС являются следствием множества случайных причин: воздействий температуры и влажности, окружающей среды, агрессивных веществ, грозовых и коммутационных перенапряжений, механических воздействий, изменений электрических нагрузок. Под воздействием этих случайных факторов происходит изменение физических параметров, характеризующих запасы прочности элемента СЭС. В момент перехода указанных параметров через предельное состояние происходит отказ элемента. Отказы элементов СЭС, а вместе с ними и отказы самих систем, являются случайными событиями. Обычно считается [1-7], что события переходов системы (ее отдельных элементов) из одного состояния в другое, отказы и восстановления, происходят мгновенно, и характеризуются простейшими потоками отказов и восстановлений [15, 16].

Как случайный события отказы СЭС и их отдельных элементов характеризуются рядом единичных вероятностных показателей надежности, характеризующих одно из свойств, составляющих надежность объекта.

Показатели безотказности:

Вероятность безотказной работы – вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникнет.

Гамма-процентная наработка до отказа – наработка, в течение которой отказ объекта не возникнет с вероятностью , выраженной в процентах.

Средняя наработка до отказа – математическое ожидание наработки объекта до первого отказа.

Средняя наработка на отказ – отношение суммарной наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки.

Интенсивность отказов – условная плотность вероятности возникновения отказа объекта, определяемая при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не возник.

Параметр потока отказов – отношение математического ожидания числа отказов восстанавливаемого объекта за достаточно малую его наработку к значению этой наработки.

Осредненный параметр потока отказов – отношение математического ожидания числа отказов восстанавливаемого объекта за конечную наработку к значению этой наработки.

Все показатели безотказности (как приводимые ниже другие показатели надежности) определены как вероятностные характеристики. Их статистические аналоги определяют методами математической статистики.

Ремонтопригодность – свойство элементов системы, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта. Для элементов СЭС [11, 12] предусматривается несколько видов ремонтно-восстановительных работ:

- плановый текущий ремонт;

- плановый капитальный ремонт;

- межремонтные профилактические испытания;

- плановая замена элемента СЭС на новый с аналогичными или лучшими техническими характеристиками;

- аварийный ремонт.

Плановые ремонты и профилактические испытания электрооборудования выполняются по наперед заданным ремонтным циклам [11, 12] с целью поддержания элементов СЭС или их отдельных узлов и деталей в работоспособном состоянии. Текущий ремонт предусматривает ограниченный объем работ, с разборкой отдельных узлов и деталей, их восстановлением или заменой. Объем работ, и технологические приемы их выполнения в зависимости от вида электроустановки, оговаривается нормативно-технической документацией или заводскими инструкциями. Главной характеристикой текущего ремонта является частичное восстановление свойств надежности объекта. Текущие ремонты, с не полным восстановлением, в рамках поставленной задачи анализа структурной надежности, учитывать не целесообразно. Действительно, текущие ремонты, как правило, направлены на устранение некой неисправности (например, закоксовавшейся смазки подшипников в электродвигателе), которая еще не привела к потере работоспособности, к отказу, и в рамках поставленной задачи себя еще не проявила. В отличие от текущего, объем капитального ремонта предусматривает полное восстановление надежности объекта и, в этом смысле, практически не отличается от замены элемента СЭС новым.

Межремонтные профилактические испытания направлены на диагностирование текущего технического состояния электроустановок или его прогнозирование на ближайшее время эксплуатации. Выбор объема, норм, методов и средств профилактических испытаний, алгоритмы принятия решений по результатам испытаний рассматриваются в других разделах теории надежности и здесь не приводятся.

Объем аварийного ремонта зависит от количества повреждений, полученных электроустановкой, а его продолжительность является случайной величиной.

Таким образом, в рамках задач структурной надежности обычно рассматриваются: аварийные ремонты, плановые капитальные ремонты и замены электрооборудования. Причем, с точки зрения эффекта повышения надежности, плановые капитальные ремонты и замены электрооборудования отождествляются. Остальными видами технического обслуживания обычно пренебрегают.

Восстановление – процесс перевода объекта в работоспособное состояние из неработоспособного состояния [10]. В рамках задач структурной надежности СЭС обычно рассматриваются лишь те виды ремонтно-восстановительных работ, которые предусматривают полное восстановление работоспособного состояния, то есть плановые капитальные ремонты или замены и аварийные ремонты отдельных элементов СЭС.

Показатели ремонтопригодности:

Вероятность восстановления – вероятность того, что время восстановления работоспособного состояния объекта не превысит заданное значение.

Среднее время восстановления – математическое ожидание времени восстановления работоспособного состояния объекта после отказа.

Интенсивность восстановления –условная плотность вероятности восстановления работоспособного состояния объекта, определенная для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента восстановление не было завершено.

Средняя трудоемкость восстановления – математическое ожидание трудоемкости восстановления объекта после отказа.

Затраты времени и труда на проведение технического обслуживания и ремонтов с учетом конструктивных особенностей объекта, его технического состояния и условий эксплуатации характеризуются оперативными показателями ремонтопригодности.

Комплексные показатели надежности характеризуют одновременно несколько свойств надежности. Как будет показано далее, перечисленные ниже показатели восстанавливаемых объектов характеризуют не только безотказность, но и их ремонтопригодность.

Коэффициент готовности – вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение объекта по назначению не предусматривается.

Коэффициент оперативной готовности – вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение объекта по назначению не предусматривается, и, начиная с этого момента, будет работать безотказно в течение заданного интервала времени.

Резервирование является одним из основных способов повышения надежности сложных систем.

Резервирование – способ обеспечения надежности объекта за счет использования дополнительных средств и (или) возможностей, избыточных по отношению к минимально необходимым для выполнения требуемых функций.

Основной элемент - элемент объекта, необходимый для выполнения требуемых функций без использования резерва.

Резервный элемент – элемент, предназначенный для выполнения функций основного элемента в случае отказа последнего.

Кратность резерва – отношение числа резервных элементов к числу резервируемых ими элементов, выраженное несокращенной дробью.

Дублирование – резервирование с кратностью резерва один к одному.

Нагруженный резерв – резерв, который содержит один или несколько резервных элементов, находящихся в режиме основного элемента.

Ненагруженный резерв – резерв, который содержит один или несколько резервных элементов, находящихся в ненагруженном режиме до начала выполнения ими функций основного элемента.

Резервирование замещением – резервирование, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного элемента.

Скользящее резервирование – резервирование замещением, при котором группа основных элементов резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой из отказавших элементов данной группы.

Следует уточнить, что нагруженный резерв экономически более целесообразен для элементов, допускающих аварийные перегрузки. При этом суммарная дополнительная мощность резерва может быть снижена на величину допустимой аварийной перегрузки. Поэтому практически все элементы сетей, ЛЭП и трансформаторы работают в нагруженном резерве. Электротехнологическое оборудование как правило не допускают аварийных перегрузок и применение для них нагруженного резерва не эффективно, даже вредно, из-за снижения технологической эффективности при низких коэффициентах загрузки. Поэтому для ответственных технологических установок применяют скользящее ненагруженное резервирование замещением. Причем под резервным элементом подразумевается не только сама технологическая установка, но и питающее ее ответвление сети.

В дальнейшем, необходимо четко различать:

ü требования к надежности, предъявляемые к СЭС потребителями электроэнергии;

ü фактическую надежность, которую обеспечивает существующая или проектируемая СЭС.

Требования, предъявляемые к надежности СЭС, потребителями электроэнергии регламентируются ПУЭ [12].

В отношении обеспечения надежности электроснабжения электроприемники разделяются на следующие три категории.

1. Электроприемники первой категории - электроприемники, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, угрозу для безопасности государства, значительный материальный ущерб, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства, объектов связи и телевидения.

Из состава электроприемников первой категории выделяется особая группа электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов и пожаров.

2. Электроприемники второй категории - электроприемники, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей.

3. Электроприемники третьей категории - все остальные электроприемники, не подпадающие под определения первой и второй категорий.

Электроприемники первой категории в нормальных режимах должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, и перерыв их электроснабжения при нарушении электроснабжения от одного из источников питания может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания.

Для электроснабжения особой группы электроприемников первой категории должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего источника питания.

В качестве третьего независимого источника питания для особой группы электроприемников и в качестве второго независимого источника питания для остальных электроприемников первой категории могут быть использованы местные электростанции, электростанции энергосистем (в частности, шины генераторного напряжения), предназначенные для этих целей агрегаты бесперебойного питания, аккумуляторные батареи и т. п.

Если резервированием электроснабжения нельзя обеспечить непрерывность технологического процесса или если резервирование электроснабжения экономически нецелесообразно, должно быть осуществлено технологическое резервирование, например, путем установки взаимно резервирующих технологических агрегатов, специальных устройств безаварийного останова технологического процесса, действующих при нарушении электроснабжения.

Электроснабжение электроприемников первой категории с особо сложным непрерывным технологическим процессом, требующим длительного времени на восстановление нормального режима, при наличии технико-экономических обоснований рекомендуется осуществлять от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, к которым предъявляются дополнительные требования, определяемые особенностями технологического процесса.

Электроприемники второй категории в нормальных режимах должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания.

Для электроприемников второй категории при нарушении электроснабжения от одного из источников питания допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной оперативной бригады.

Для электроприемников третьей категории электроснабжение может выполняться от одного источника питания при условии, что перерывы электроснабжения, необходимые для ремонта или замены поврежденного элемента системы электроснабжения, не превышают 1 суток.

Перечисленные рекомендации ПУЭ относятся лишь к требованиям, которые электроприемники предъявляют к СЭС. Далеко не факт, что реально существующая система электроснабжения полностью удовлетворяет указанным требованиям. Например, строительство системы может вестись в несколько стадий, существенно растянутых во времени. И на первых стадиях строительства перечисленные рекомендации ПУЭ могут не удовлетворятся, или удовлетворятся не в полной мере. В течение времени эксплуатации, возможны режимы СЭС, в которых указанные выше требования ПУЭ не удовлетворяются вовсе.

Более того, обеспечение заданных требований ПУЭ может быть осуществлено самыми различными, практически равноценными, вариантами построения СЭС. Именно с этой точки зрения, численная оценка показателей надежности СЭС, как инструмент объективного сравнения вариантов, представляет наибольший интерес, как с точки зрения нормальных, так и ремонтных (плановых или послеаварийных) режимов работы СЭС.

[1] В электрических расчетах сетей, их элементы могут рассматриваться как четырехполюсники, или еще более сложно, в зависимости от цели расчета. В данном случае, достаточно рассматривать элементы сети, как ветви графа с двумя узлами.