Технические науки/5. Энергетика

Доронина О.И.

Камышинский технологический институт ФГБОУ ВПО (филиал) «Волгоградский государственный технический университет», Россия

д. т. н. Шилин А.Н.

ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет»

Анализ надежности воздушных линий электропередачи

с дифференциацией влияющих факторов

При проектировании интеллектуальных электрических сетей, которые в автоматическом режиме должны выявлять наиболее аварийно опасные участки сети, а затем с целью предотвращения аварии и снижения потерь изменять характеристики и схему сети, основной проблемой является информация о надежности сетей. Особенностью определения показателей является то, что на надежность работы электрических сетей влияет большое количество различных факторов: конструкции опор, типы проводов, сроки эксплуатации, климатические условия т.д. В настоящее время для оценки надежности энергетических сетей используются показатели надежности из справочников и книг. Однако эти показатели слишком усреднены по регионам, временам года и т.д. Поэтому результаты расчета не могут достоверно отображать реальную ситуацию и соответственно обоснованно проводить мероприятия по повышению надежности энергообеспечения и снижению аварийных режимов. Одной из частных задач повышения надежности является определения оптимальной частоты установки датчиков аварийных режимов по линиям. От надежности участков линий электропередач зависит выбор мест установки и количества датчиков аварийных режимов на этих участках. Это связано с тем, что с увеличением числа датчиком увеличивается точность определения координат мест аварий, но в тоже время увеличивается стоимость системы. Для того, чтобы решить эту задачу необходимо сравнить затраты на датчики и экономический эффект от их внедрения. Очевидно, что определения достоверной информации о надежности электрических сетей необходимо внедрять автоматизированные систем учета аварий и накопления статистических данных для вычисления показателей надежности. Для технической реализации автоматизированных систем, которые будут являться частью интеллектуальных электрических сетей, необходима методика оперативной оценки показателей надежности. Сложность разработки такой методики обусловлена следующими научными проблемами [1]:

· Существующие в настоящее время аналитические методы расчета и анализа надежности технических систем с произвольными распределениями отказов, случайных параметров и восстановлений элементов обладают следующими недостатками: методы сложные и позволяют анализировать системы простой структуры; отсутствует единая математическая модель надежности функционирования систем; невозможность исследования зависимых и нестационарных процессов.

· Проблема определения показателей надежности на основе малого количества данных.

Из анализа работы электрических сетей следует, что самым ненадежным элементом сетей являются воздушные линии. Показатели надежности воздушных линий зависят от большого числа влияющих внешних факторов, особенно от гололедообразования и ветровых нагрузок. Кроме того, в последнее время часто причинами аварии является случаи вандализма, т.е. провода снимают на металлолом.

Очевидно, что дифференциация влияющих факторов позволит более точно и с меньшим количеством статистических данных определять показатели надежности и соответственно более обоснованно проводить мероприятия по повышению энергообеспечения. Тогда весь случайный процесс можно представить, как сумму случайных процессов. В тоже время многие факторы являются независимыми.

Необходимо отметить, что в энергетике не известны методы оценки надежности воздушных линий электропередачи с учетом влияния внешних факторов. В тоже время в системах автоматического управления используются методы определения интенсивности отказов первичных элементов от внешних факторов [2]. В этом источнике приведены три метода учета внешних факторов.

1. С помощью коэффициента нагрузки.

2. Метод расчетных графиков.

3. Метод поправочных коэффициентов.

В первом методе в качестве коэффициента нагрузки принимают:

· при электрической нагрузке - отношение рабочего значения электрического параметра к его номинальному значению;

· при тепловой нагрузке - отношение абсолютной разности между рабочей температурой и номинальной температурой к ее номинальному значению. За номинальную температуру обычно принимают значение 25 ̊С;

· при вибрационной нагрузке - отношение действующего ускорения к значению g=9,81 м/с².

Во втором методе используются функциональные зависимости интенсивности отказов от температуры и нагрузки. Зависимости должны быть предварительно получены в результате проведения специальных испытаний и представляются аналитически или графически.

В третьем методе используются поправочные коэффициенты для показателей надежности, а значения коэффициентов определяются внешними факторами. Из сравнительного анализа этих методов следует, что для решения предложенной задачи целесообразно использовать третий метод. При использовании этого метода интенсивности отказов первичных элементов умножаются на поправочный коэффициент, значение которого определены в зависимости от погодных условий и времени года. В качестве исходной информации целесообразно использовать карты климатических условий.

Одна линия электропередачи может проходить через зоны с различными условиями. Поэтому при наложении карт с различными факторами на карту схемы линий электропередач линии разбиваются на участки, для которых определяются параметры показателей надежности [3]. Далее эти показатели выражаются через показатель надежности без учета влияния внешних факторов и поправочные коэффициенты. После этого каждая линия представляется в виде последовательного соединения участков с различными коэффициентами, зависящими времени года и погодных условий. При таком методе используется общая топологическая схема сети, а влияние факторов учитывается соответствующими коэффициентами. В качестве примера рассмотрим воздушную линию, проходящую через зоны с различными уровнями влияния внешних факторов (рис.1.).

Рис. 1. Топологическая схема электрической сети с различными уровнями влияния внешних факторов

На рис.1 введены следующие обозначения: S₁, S₂, S₃, S₄- зоны уровней влияния внешних факторов; a₁ - координата входного узла сети; b₁ - b₁₁ - координаты потребителей; c₁ - c₁₀ координаты границ зон.

Из теории вероятностей для сложных случайных событий [1], следует, что вероятность безотказной работы линии системы с различными показателями надежности по длине определяется произведением вероятностей безотказной работы каждого из элементов в течение времени t:

(1)

где P_i(t) – вероятность безотказной работы i-го элемента.

Выразив P_i(t) через параметр потока отказов ω(t), получим выражение:

, (2)

Откуда

. (3)

Для решения поставленной задачи электрическая сеть разбивается на участки, например, в зависимости от толщины гололедной стенки, а затем для каждого отдельного участка рассчитывается надежность.

Предложенная методика позволяет получить наиболее достоверные показатели надежности и тем самым выбирать наиболее оптимальные решения при управлении энергосистемой. Из которых следует очередность проведения мероприятий: ремонт и модернизация системы, введение дополнительных резервных сетей и устройств. С помощью этой методики могут определятся координаты установки датчиков аварийных режимов информационно-измерительных систем мониторинга воздушных линий.

Литература:

1. Половко, А.М. Основы теории надежности/ А.М. Половко, С.В. Гуров. – 2-е изд., перераб. И доп. – СПб.: БХВ-Петербург, 2008. – 704с.

2. Глазунов, Л. П. Основы теории надежности автоматических систем управления: учеб. пособие для вузов / Л. П. Глазунов, В. П. Грабовецкий, О. В. Щербаков. – Л. : Энергоатомиздат, 1984. – 208 с.

3. Шилин, А.Н. Оперативная оценка надёжности в интеллектуальных электроэнергетических системах / Шилин А.Н., Доронина О.И. // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2012. - № 11. - C. 58-61.