Технические науки/5.Энергетика

Д.т.н. Сазыкин В.Г., к.т.н. Кудряков А.Г.

Кубанский государственный аграрный университет, Россия

Основные положения расчета надежности электрической сети

Надежность электрической сети рассчитывается на стадиях жизненного цикла и соответствующих этим стадиям этапах видов работ.

Расчет надежности электрической сети преследует следующие цели:

- определение расчетного уровня надежности электрической сети по районам, фидерам источников питания в линиях;

- проверка выполнимости обеспечения установленных требований к электроснабжению потребителей различных категорий надежности;

- сравнительный анализ надежности вариантов схемно-конструктивного построения электрической сети;

- обоснование и проверка эффективности предлагаемых мер, направленных на повышение надежности электрической сети;

- формулирование различных оптимизационных задач, в которых показатели надежности выступают в роли целевых функций, управляемых параметров или граничных условий, в том числе таких, как оптимизация структуры электрической сети, распределение требований по надежности между показателями отдельных составляющих надежности, оптимизация систем технического обслуживания и ремонта, обеспечение регламентированных показателей режима (показателей качества электрической энергии) электрической сети.

Количественным показателем эффективности функционирования системы электроснабжения считают отношение математического ожидания отпущенной потребителю электроэнергии в реальной системе к математическому ожиданию энергии в идеальной по показателям функционирования системе. Количественная оценка эффективности функционирования является одним из конечных результатов всех расчетов надежности систем электроснабжения [1, 8].

Целью расчета надежности систем электроснабжения является количественная оценка комплексных показателей надежности относительно конкретных узлов нагрузки и разработка на основе полученных результатов мероприятий целенаправленного их изменения. Количественные характеристики комплексных показателей надежности зависят от состояний системы в каждый момент времени и спроса мощности и энергии в узлах нагрузки. Число дискретных состояний в сложной схеме исключительно велико. Поэтому на практике невозможно оценить надежность, без эффективного метода сокращения числа рассматриваемых состояний до приемлемого уровня и достижения конкретных целей [7, 10].

Под надежностью понимается свойство ЭО выполнять заданные функции в заданном объеме при определенных условиях функционирования. Отсюда следует, что:

1) надежность является внутренним свойством ЭО, заложенным при проектировании и изготовлении, которое проявляется при функционировании объекта;

2) надежность проявляется в процессе выполнения заданного объема функций, или во времени. Если нет наблюдения за ЭО в процессе его работы, то нельзя сделать и заключений о фактической его надежности;

3) надежность проявляется различно в зависимости от условий эксплуатации.

Так как надежность является сложным, комплексным свойством, то в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации она может включать в себя ряд свойств (в отдельности или в определенном сочетании):

• безотказность – непрерывное сохранение работоспособности в течение некоторого времени или некоторой наработки;

• долговечность – сохранение работоспособности до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов;

• ремонтопригодность – приспособленность к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений ЭО и устранению их последствий путем проведения ремонтов и технического обслуживания;

• устойчивоспособность – непрерывное сохранение устойчивости системы в течение некоторого времени;

• режимная управляемость – приспособленность к управлению с целью поддержания нормального режима;

• живучесть – способность противостоять крупным возмущениям, не допуская их каскадного развития с массовым нарушением питания;

• безопасность – способность не создавать ситуаций, опасных для людей и окружающей среды.

В свою очередь, надежность является элементом еще более общего свойства – качества, под которым понимается совокупность свойств, обусловливающих пригодность системы и ее продукции для удовлетворения определенных потребителей в соответствии с ее назначением.

Характер проявления всех свойств надежности наиболее полно фокусируется в причинах и характере отказов ЭО, которые в значительной степени определяют и средства обеспечения надежности. Поэтому необходимо проанализировать причины, обусловливающие отказы. Если рассматривать их с точки зрения источников происхождения [4, 5, 6, 7, 9], то они могут быть подразделены на два класса:

1) повреждения и неполадки оборудования и устройств, входящих в систему;

2) ошибочные или вынужденные действия обслуживающего персонала.

Надежность, определяемая причинами первого класса, считается аппаратной, а определяемая причинами второго класса – эксплуатационной.

Причины первого класса, в свою очередь, подразделяются на три группы. Первую группу составляют ошибки, допущенные при конструировании, определении условий и режимов эксплуатации, изготовлении, монтаже или ремонтах оборудования.

Эти ошибки и скрытые дефекты обычно проявляются в начальный период эксплуатации, который называют периодом приработки. Для него в результате указанных ошибок, а также невозможности учета всех скрытых дефектов из-за их неопределенности или недостаточности информации характерен некоторый пик частоты отказов.

Вторая группа причин вызвана износом и приводит к постепенному утрачиванию ЭО ряда функциональных свойств. Этот процесс закономерен в том отношении, что с увеличением времени работы или даже хранения, опасность утраты этих свойств возрастает. Этот результат, закономерный в указанном смысле постепенных изменений, проявляется внезапно. Таким образом, процесс износа происходит под влиянием постоянно действующих факторов, имеющих и случайный, и детерминированный характер. Однако естественное завершение процесса износа имеет случайный характер. Этот период называется периодом старения.

Время между периодами приработки и старения называется периодом нормальной работы ЭО. В это время в наибольшей степени проявляются причины третьей группы. К ним относятся непредвиденные и непредсказуемые воздействия, обычно физического характера, не связанные с периодом предшествующей работы.

Эти внезапные по своей природе воздействия даже при отсутствии у ЭО видимых ухудшений функциональных свойств приводят к отказам, которые обычно имеют быстротечный характер – грозы, падение деревьев, попадание животных на электроустановки, гололедные явления, порывы ветра и т. д.

Отмеченные три группы причин отказов приводят к необратимым изменениям свойств ЭО. Но есть и такие причины, которые не вызывая необратимых изменений в физической структуре элемента, проявляются в большинстве случаев кратковременно и только во время своего появления могут нарушать временно работоспособность элемента или системы. Такие временные или самоустраняющиеся отказы являются сбоями.

Причины второго класса отказов также могут быть подразделены на две группы. Первую из них составляют причины, обусловленные низкой квалификацией эксплуатационного и ремонтного персонала, недостаточностью опыта. Вторую группу составляют причины, обусловленные масштабностью и сложностью устройств и схем, с которыми приходится работать обслуживающему персоналу.

Однако какие бы виды отказов и виды причин, их вызвавшие, не рассматривались, их неизменно объединяет общий признак – случайность возникновения даже при постепенном накоплении физических изменений. Он позволяет трактовать отказ элемента или системы как случайное событие. Это положение является определяющим при выборе математического аппарата, который применяется при изучении и моделировании различных закономерностей отказов системы.

Так как надежность определяется совокупностью ряда свойств, то для количественной характеристики свойства вводится несколько показателей. Таким образом, количественно надежность в общем случае характеризуется совокупностью показателей. Если показатель надежности относится к одному из свойств, определяющих надежность, то такой показатель является единичным, если же он относится к нескольким, – то комплексным.

Расчет надежности электрической сети представляет собой процедуру последовательного поэтапного уточнения оценок показателей надежности по мере получения и накопления более полной и достоверной информации о факторах, определяющих надежность.

Расчет надежности включает:

- идентификацию части электрической сети, подлежащей расчету;

- выбор метода расчета, адекватного особенностям электрической сети, наличию необходимой информации и исходных данных для расчета;

- составление расчетных моделей для выбранных показателей надежности;

- получение и предварительную обработку исходных данных для расчета;

- вычисление значений показателей надежности электрической сети;

- оформление, представление и защиту результатов расчета.

Идентификация электрической сети для расчета надежности включает получение и анализ следующей информации об электрической сети, условиях эксплуатации и факторах, определяющих надежность:

- назначение электрической сети;

- критерии качества функционирования, отказов и предельных состояний, возможные последствия отказов электрической сети;

- структура электрической сети, состав, взаимодействие и уровни нагрузки входящих в нее элементов, возможность перестройки структуры или алгоритмов функционирования электрической сети при отказах отдельных ее элементов;

- наличие, виды и способы резервирования, используемые в электрической сети;

- типовая модель эксплуатации электрической сети, устанавливающая перечень возможных режимов эксплуатации и выполняемых при этом функций, правила и частоту чередования режимов, продолжительность пребывания электрической сети в каждом режиме и соответствующие наработки, номенклатуру и параметры нагрузок и внешних воздействий на электрическую сеть в каждом режиме;

- планируемая система технического обслуживания и ремонта электрической сети, характеризуемая видами, периодичностью, организационными уровнями, способами выполнения, техническим оснащением и материально-техническим обеспечением работ по ТОР [11].

Полнота идентификации электрической сети на рассматриваемом этапе расчета надежности определяет выбор соответствующего метода расчета, обеспечивающего приемлемую на данном этапе точность при отсутствии или невозможности получения части необходимой информации.

Источниками информации для идентификации электрической сети служит конструкторская, технологическая, эксплуатационная и ремонтная документация электрической сети, соответствующая данному этапу расчета надежности.

Исходя из наличия и возможности получения исходной информации, в соответствии с ГОСТ 27.301-95 [3] используется физический метод расчета, основанный на применении математических моделей, описывающих физические процессы, приводящие к отказам элементов электрической сети (достижению элементами предельного состояния), и вычислении показателей надежности по известным параметрам нагрузки электрической сети, характеристикам используемого в электрической сети электрооборудования с учетом особенностей конструкции.

Физические методы применяют для расчета безотказности, долговечности и сохраняемости элементов электрической сети, для которых известны механизмы их деградации под влиянием различных внешних и внутренних факторов, приводящие к отказам (предельным состояниям) в процессе эксплуатации. Методы основаны на описании соответствующих процессов деградации с помощью адекватных математических моделей, позволяющих вычислять ПН с учетом конструкции, технологии изготовления, режимов и условий работы элементов электрической сети по справочным материалам. В общем случае указанные модели при одном ведущем процессе деградации могут быть представлены моделью выбросов некоторого случайного процесса за пределы границ допустимой области его существования, причем границы этой области могут быть также случайными и коррелированными с указанным процессом – моделью непревышения.

При наличии нескольких независимых процессов деградации, каждый из которых порождает свое распределение ресурса (наработки до отказа), результирующее распределение ресурса (наработки элемента электрической сети до отказа) находятся с использованием модели «слабейшего звена» – распределения минимума независимых случайных величин.

Компоненты моделей непревышения могут иметь различную физическую природу и, соответственно, описываться разными видами распределений случайных величин и случайных процессов, а также могут быть в моделях накопления повреждений. Этим обусловлено большое разнообразие применяемых на практике моделей непревышения, причем лишь в относительно редких случаях эти модели допускают прямое аналитическое решение. Поэтому основным методом расчета надежности по моделям непревышения является статистическое моделирование, включающее синтез формальной модели и алгоритма формирования последовательности случайных событий, происходящих в процессе работы электрической сети (отказов, восстановлений, переключений на резерв, начала и конца технического обслуживания), и расчета ПН элементов электрической сети.

Задача обеспечения надежности системы электроснабжения включает в себя целый комплекс технических, экономических и организационных мероприятий, направленных на сокращение ущерба от нарушения нормального режима работы потребителей электроэнергии, таких как:

- выбор критериев и количественных характеристик надежности;

- испытания на надежность и прогнозирование надежности действующего оборудования;

- выбор оптимальной структуры проектируемых и реконструируемых схем по критерию надежности;

- обеспечение заданных технических и эксплуатационных характеристик работы потребителей;

- разработка наиболее рациональной, с точки зрения обеспечения надежности, программы эксплуатации системы (обоснование режимов профилактических работ, норм запасных элементов и методов отыскания неисправностей).

Для решения перечисленных задач необходимы количественные характеристики надежности, полученные методами теории вероятности и математической статистики [2, 3, 9, 10].

Литература:

1. Волков Н. Г. Надежность электроснабжения. – Томский политех. ун-т. – Томск, 2003.

2. ГОСТ 27.003-90 Надежность в технике. Состав и общие правила задания требований по надежности. – М.: Издательство стандартов, 2002.

3. ГОСТ 27.301-95 Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения. – М.: Издательство стандартов, 2002.

4. ГОСТ 27.310-95 Надежность в технике. Анализ видов, последствий и критичности отказов. Основные положения. – М.: Издательство стандартов, 2005.

5. Жалилов Р.Б. Об особенностях применения комплексного метода для оценки надежности электроснабжения потребителей // Промышленная энергетика. – 2007, № 11.

6. Киселева С. Анализ надежности как элемент планирования электрических распределительных сетей // Электротехнический рынок. – 2008, № 3 (21).

7. Кучеров Ю.Н., Нечаев В.В. Концепция обеспечения надежности как основа гармонизации экономического и нормативного управления в электроэнергетике. // Энергетик. – 2005, № 2.

8. Основные положения стратегии развития Единой национальной электрической сети на десятилетний период. – М.: ОАО «ФСК ЕЭС». – 2003.

9. Савоськин Н. Е. Надежность электрических систем. – Пенза: Пенз. государств. ун-т. – 2004.

10. Шеметов А. Н. Надежность электроснабжения. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», 2006.

11. Ящура А. И. Система технического обслуживания и ремонта энергетического оборудования: справочник. – М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2005.