Надёжность электрических систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Надёжность электрических систем



Введение

Проблема надёжности электрических систем относится к задачам определения и оптимизации их показателей на этапах планирования, проектирования, сооружения и эксплуатации. Надёжность - свойство объекта или технического устройства выполнять заданные функции, сохраняя во времени значение установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки. (ГОСТ 27.002-83).

Объект - предмет целевого назначения, рассматриваемый в период проектирования, производства, эксплуатации, изучения, исследования и испытания на надёжность (объектами могут быть системы и их элементы, в частности сооружения, установки, технические изделия устройства, машины, аппараты, приборы и их части, агрегаты и отдельные детали).

В технике надёжность имеет точное значение. Она может быть определена, рассчитана, оценена, измерена, испытана, распределена между отдельными частями системы, объекта, аппаратуры.

Первые серьёзные работы в области надёжности электропитающих систем были посвящены расчётам резерва. Теория надёжности применительно к энергосистемам имеет ряд особенностей и опирается на специальные дисциплины («Электрические сети», «Переходные процессы в энергосистемах», «Электрические машины», «Релейная защита и автоматика», «Теоретические основы электротехники»).

Вопросы о надёжности электропитающих систем посвящены анализу общих закономерностей, определяющих долговечность работы различных устройств и сооружений, разработкой способов предупреждения отказов на стадиях проектирования, сооружения, эксплуатации, оценивает количественно вероятность того, что характеристики объектов будут в пределах технических норм на протяжении заданного периода времени. Математический аппарат теории надёжности основан на применении таких разделов современной математики как теория случайных процессов, теория массового обслуживания, математическая логика, теория графов, теория распознания образов, теория экспертных оценок, а также теория вероятностей, математическая статистика и теория множеств.

Проблема надёжности в технике вызвала к жизни новые научные направления, такие как теория надёжности, физика отказов, техническая диагностика, статистическая теория прочности, инженерная психология, исследование операций, планирование эксперимента.

В практической деятельности инженеру-электрику приходиться принимать различные решения. Например, выбрать проектный вариант энергосистемы или её части, производить реконструкцию её сетей и станций, назначать режимы работы. В энергетике на выбор решения влияет большое количество факторов. Одни из них можно численно проанализировать и сократить область вариантов решения. Другие не имеют теоретической ясности для количественного описания. Появляется неопределённость, преодолевать её помогают знания, опыт, интуиция, качественный анализ. Появляется риск выбора некачественных, неоптимальных решений. Среди других факторов, надёжность имеет особое место, её надо учитывать всегда. Последствия от ненадёжности такие серьёзные, что требуется постоянное совершенствование методов проектирования, строительства, эксплуатации энергосистем, позволяющих полнее учитывать надёжность.

Основной задачей электропитающих систем является снабжение потребителей электроэнергией в нужном количестве и при необходимом качестве. На это влияют непредвиденные причины - отказы или аварии в энергосистемах, перебои в топливоснабжающей системе, нерегулярное поступление гидроресурсов. Известны различные средства, повышающие надёжность энергосистем: релейная защита от КЗ, АПВ, АВР, АРВ, АЧР, АРЧВ, АРМ, Кроме этого, специальные схемные и режимные мероприятия по повышению надёжности (неполнофазные режимы, плавка гололёда, дублирование генераторной мощности, увеличение пропускной способности межсистемных связей, трансформаторных подстанций, резервирование мощности) Деление потребителей на категории по надёжности и рекомендации по построению схем способствующих обеспечению структурной надёжности энергосистемы.

От надёжности электроснабжения зависят промышленность, быт, сельское хозяйство. Зависимость эта такая сильная, что её нарушение приводит к огромному материальному ущербу, имеющему масштабы национального бедствия на территории с населением десятков миллионов человек.

В энергосистемах последние несколько десятков лет наблюдается тенденция укрупнения всех элементов, увеличение, в том числе, единичных мощностей генераторов. Указанные обстоятельства привели к тому, что обеспечение надёжности энергетических систем стало ключевой проблемой современной энергетики. Связь между энергосистемой, её элементами и внешней средой носит вероятностный характер и можно говорить лишь о вероятности полного достижения энергосистемой своей цели - передачи электроэнергии потребителю. Поэтому надежность работы энергосистемы всегда включает отказ (нарушение). Неполнота надёжности энергосистемы даёт потери выходного эффекта её работы, на практике это недоотпуск энергии потребителям.

Теория надёжности энергосистем основывается на вероятностно-статистической природе её поведения. В последнее время с увеличением числа системных аварий, разрабатываются методы оценки вероятности и путём их каскадного развития, обусловленных отказами автоматики и коммутационной аппаратуры, возникновение недопустимых режимов работы элементов. Так как отказ элемента при обширной зоне действия на другие элементы вызывает необходимость работы автоматических коммутационных аппаратов, которые тоже могут отказать. Возникает задача составления расчётных схем по надежности.

Для применения при анализе надёжности теории вероятности энергосистема должна быть избыточной (избыточность - дополнительные средства и возможности для выполнения энергосистемой заданных функций). Избыточность энергосистемы выступает в следующих формах:

*Резервирование (повышение надёжности дублированием элементов и функций, предоставление дополнительного времени для выполнения задачи, использование избыточной информации при управлении);

*Совершенствование конструкций и материалов, из которых сделаны элементы энергосистемы, повышение их запасов прочности, долговечности, устойчивости к неблагоприятным явлениям внешней и внутренней среды;

*Совершенствование технического обслуживания, оптимизации периодичности и глубины капитальных и профилактических ремонтов, снижение продолжительности аварийных ремонтов;

*Совершенствование систем контроля и управления процессами в электрических системах.

Проблема надёжности управления энергосистемами за последние 2-3 десятилетия резко обострилась. Это вызвано следующими причинами:

*Резким увеличением сложности энергосистем, включающих миллионы потребителей, тысячи узлов и элементов;

*Экстремальностью условий эксплуатации многих элементов энергосистем (высокие скорости, ускорение, температуры и давления, вибрации, повышенной радиации);

*Повышения требований к качеству работы (эффективность, высокие параметры энергии);

*Увеличение ответственности функций выполняемых энергосистемой, (высокой экономической и технической ценой отказа);

*Полной или частичной автоматизацией, широким применением ПЭВМ для управления, и как следствие, исключением или уменьшением непосредственного контроля человеком работы энергосистемы и её элементов.

1. Основные понятия, термины и определения надежности электрических систем

· Надёжность электрической системы (объединения) - способность выполнения электростанцией ее основной функции - бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергией требуемого (нормативного) качества и исключения ситуаций, опасных для людей и окружающей среды. Это термин комплексного характера, по функциональному признаку структурных составляющих электрической системы.

· Надёжность системы генерации - способность электростанции поддерживать требуемый баланс мощности при нормальном значении частоты.

· Надёжность основной электрической сети - способность устойчиво передавать мощность из частей энергосистемы с избытком в части с её дефицитом.

· Надёжность распределительной сети - способность этой сети поддерживать бесперебойное питание узлов нагрузки (отдельных потребителей или их групп).

· Надёжность в установившемся режиме электрической системы - способность обеспечения баланса мощности и электрической энергии при нормативном качестве электроэнергии.

· Надёжность электрической системы в переходном процессе - способность электрической системы и её отдельных структурных частей противостоять нарушением режима и обеспечивать электроснабжение потребителей.

· Уровень надёжности - определяется значением недоотпуска электроэнергии потребителям. Его причинами могут быть:

*оперативные ограничения и отключения потребителей диспетчером для ликвидации аварии или её предупреждения;

*оперативные отключения в электроустановках персоналом для спасения от повреждения оборудования и предупреждения нарушений технологического процесса в условиях резкого снижения качества электрической энергии;

*автоматические аварийные отключения питающих элементов или полное погашение питающих подстанций из-за аварийного нарушения схемы электрической системы;

*автоматическое отключение электроприёмников и установок потребителей от действия противоаварийной автоматики при аварийных режимах электрической системы или уменьшения частоты или напряжения.

Надёжность электрической системы является комплексным показателем, определяющим её свойства длительно сохранять во времени и устойчиво воспроизводить в процессе эксплуатации свои рабочие характеристики и параметры. Надёжность электрической системы обеспечивается такими свойствами как безотказность, долговечность, ремонтопригодность, устойчивость, управляемость, живучесть, безопасность, качество.

*безотказность электрической системы (сети) - её свойство непрерывно сохранять работоспособность в течение заданного интервала времени;

*работоспособность электрической системы (сети) - выполнение ею функций с заданными параметрами электрической энергии;

*долговечность электрической системы (сети) - сохранения ею работоспособности до предельного состояния (т.е. снижения качества передаваемой энергии, эффективности её транспорта, снижение безопасности эксплуатации);

*управляемость электрической системы (сети) - приспособленность её к управлению с целью поддержания в ней установившегося режима работы;

*ремонтопригодность электрической системы (сети) - приспособленность к предупреждению и обнаружению причин отказа (события, заключающегося в нарушении работоспособности) отдельных элементов и их устранения;

*безопасность электрической системы (сети) - возможность не создавать в ней ситуаций опасных для людей и окружающей среды;

*живучесть электрической системы - свойство системы противостоять возмущениям, не допуская их каскадного развития с массовым нарушением питания потребителей;

*качество электрической системы (сети) - совокупность свойств, определяющих степень пригодности системы по назначению.

Кроме этого электрическим системам и их элементам как объектам (системам) для исследования надёжности присущи, в полной или частичной мере, следующие свойства:

*старение - процесс постепенного изменения параметров, вызываемый действием различных факторов, независимых от режима работы объекта;

*износ - процесс постепенного изменения параметров, вызываемых действием факторов, наличие которых зависит от режима работы объекта;

*резервирование - способ повышения надёжности объекта путём включения дополнительных элементов при проектировании или в процессе эксплуатации, а также за счёт использования избыточной информации или избыточного времени;

*гибкость - приспособленность объекта к сохранению работоспособности путём обеспечения различных режимов работы;

*готовность - способность обеспечить функционирование объекта в произвольный момент времени;

*оперативная готовность - способность объекта обеспечить исправное состояние в произвольный момент времени и проработать безотказно заданное время;

*срок службы - календарная продолжительность эксплуатации объекта от её начала или возобновления после ремонта до наступления предельного состояния;

*восстанавливаемость - свойство объекта после отказа устранить повреждение;

*невостанавливаемость - свойство объекта однократного использования, срок службы которого до первого отказа.

Применительно к перечисленным свойствам электрической системы, как объекта изучения надёжности под показателем надёжности понимается количественная характеристика одного или нескольких её свойств.

В технике при исследовании надёжности, понятие системы рассматривается как совокупность элементов взаимодействующих между собой в процессе выполнения заданных функций. Для электрической системы - это производство, передача и распределение электрической энергии.

· Элементы системы - законченные устройства, способные выполнять локальные функции в системе. Для электрической системы - это генераторы, трансформаторы, линии, выключатели, или генерирующие источники, системообразующие сети, распределительные сети. Любой элемент, в свою очередь, может рассматриваться как система. (Пример, выключатель). Рассматривая свойства и характеристики элементов и систем, при изучении их надёжности считают их предметами определённого целевого назначения - объектами.

Деление системы на элементы зависит от характера рассмотрения (функциональное, конструктивное, схемное, оперативное и т.д.), точности исследования, наличия статистических данных, масштабности объекта в целом.

2. Состояние и события при изучении надёжности электрической системы, типы отказов

*Работоспособность системы (элемента) - состояние, при котором значение её параметров находятся в пределах, установленных документацией.

*Неработоспособность системы (элемента) - состояние, при котором значение хотя бы одного параметра находится не в пределах нормы.

*Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособности системы (элемента) т.е. переходе её из исправного состояния в неисправное.

*Отказ электрической системы - событие, приводящее к недоотпуску электроэнергии потребителям (всем или части, соответственно полный или частичный отказ) при прекращении или ограничении электроснабжения. Отказом электрической системы также следует считать снижение частоты или напряжения ниже допустимых значений по действующим нормам.

В теории надёжности различают три характерных типа отказов, внутренне присущих техническим устройствам:

*отказы приработочные - происходящие вследствие несовершенной технологии изготовления, эти отказы могут быть исключены путём «отбраковки» при испытании или наладке устройства;

*отказы износовые - (постепенные), вызываемые износом отдельных частей устройства или их старением, могут предотвращаться путём периодической; замены элементов.

*отказы внезапные (случайные) - обусловленные случайным сочетанием многих внешних факторов, и преобладающие на промежутке нормальной эксплуатации устройства.

Характерными внезапными отказами в электрической системе являются отказы типа «короткое замыкание» и «обрыв». Внезапные отказы происходят под действием релейной защиты, различают также отказы устойчивые и неустойчивые. (Пояснить). Наблюдаются отказы, выявляемые персоналом по показаниям контрольно-измерительных приборов и периодическим осмотрам оборудования.

Отличительный признак или группа признаков, по которым устанавливается факт отказа - критерии отказа.

Считаем, что система начала работать в момент времени t=0, находясь в работоспособном состоянии. Допустим, что система отключается только вследствие отказа. Обозначит Т - время до отказа. Это время - функция случайных отклонений технологических условий изготовления элементов, условий монтажа, наладки, эксплуатации и случайной величины. Отключение системы может быть для технического обслуживания, ремонта из-за циклического графика работы, аварии в других объектах. Продолжительность работы системы в этой ситуации - наработка, а случайная величина, т.е. длительность работы без отказа - наработка до отказа. Наработка до отказа может измеряться временем (в большинстве случаев) или числом включений (срабатываний, циклов). Для систем без отключений (кроме отказов), наработка до отказа совпадает со временем безотказной работы. электрический ремонтопригодность замыкание

*Восстанавливаемость системы - событие, заключающееся в её переходе из неработающего состояние в работающее. Это свойство системы (объекта) позволяющее в случае отказа устранить повреждение, получить значения параметров, удовлетворяющие требованиям её функционирования. Соответственно имеют место восстанавливаемые системы (объекты). К таким системам относятся и электрические системы, а также большинство их элементов, в которых производится восстановление после отказа.

*Невосстанавливаемые системы (объекты) - это системы, восстановление которых после отказа - невозможно или нецелесообразно. Невосстанавливаемость - свойство объекта однократного использования, который не поддаётся восстановлению в случае отказа.

3. Технологические особенности обеспечения надёжности в электрических системах

Свойства электрических систем, влияющих на надёжность их работы:

*непрерывность и жёсткая связь во времени процессов производства, распределения и потребления электрической энергии;

*вероятностный характер формирования энергетических и тепловых нагрузок, определяемых условиями функционирования энергопотребляющих отраслей промышленности и изменением климатических факторов;

*зависимость структуры располагаемых энергоресурсов от складывающейся топливной конъюнктуры, работы транспортных систем, обеспечения гидроресурсами;

*быстрота протекания аварийных процессов;

*решающее влияние степени надёжности электроснабжения на работу всех отраслей хозяйства, социальных структур и условий жизни населения;

*высокие требования к системе управления энергосистемой;

*ограниченность резервов генерирующей мощности;

*чувствительность энергосистемы к внезапным отклонениям частоты;

*наличие в сетях 110-330 кВ большого количества выключателей, отключающая способность которых не соответствует уровням токов КЗ в энергосистеме, это приводит к секционированию сетей этих напряжений (для ЕЭС);

*влияние понижения напряжения в распределительных сетях (дефицит реактивной мощности).

4. Схемы соединения энергосистем и их надёжность

Надёжность схемы соединения проверяются по следующим условиям:

*обеспечение коэффициента запаса статической устойчивости по нормальному и послеаварийному режиму;

*обеспечение динамической устойчивости;

*ограничение величины тока короткого замыкания;

*обеспечение распределения мощностей в послеаварийных и ремонтных режимах;

*обеспечение правильной работы устройств релейной защиты и системной автоматики;

*возможность дальнейшего развития электрической сети без коренных её изменений.

По мере развития сети высокого напряжения энергосистемы изменяются и значения более низких ступеней напряжения. Эти сети превращаются в распределительные и их схемы меняются.

Одно из основных свойств схемы энергосистемы - жёсткость её узловых точек. Она характеризуется для точки величиной прироста нагрузки, при котором величина или фаза напряжения в ней изменяется. Чем больше этот прирост, тем больше жёсткость энергосистемы в этой точке. Прирост активной мощности нагрузки (Р_н) приводит к изменению фазы напряжения, т. к. приток мощности из смежных узловых точек может возникнуть лишь при сдвиге фазного угла напряжения в сторону отставания. Прирост реактивной мощности нагрузки (Q_н) приводит к изменению величины напряжения т. к. приток реактивной мощности от смежных точек возникает при пониженном напряжении в данной точке.

Жёсткость узлов точки есть функция от относительности сопротивления, связывающего эту точку с другими. Чем ближе точка к шинам бесконечной мощности, тем она жёстче.

Сеть высокого напряжения энергосистемы, определяющая жёсткость энергосистемы, должна быть достаточно развитой, резервированной и связывать основные части энергосистемы и узлы с большими нагрузками.

Наилучшие с точки зрения надёжности, это замкнутые схемы электрических сетей, опирающиеся на несколько источников питания. Сети должны быть рассчитаны на поддержание значений напряжения во всех узлах при отключении любой линии сети, это предъявляет повышенные требования к головным участкам сети. Замкнутые сети имеют большие токи КЗ, поэтому в нормальном режиме допускается их разомкнутая работа, но с обеспечением АВР.

5. Надёжность работы объединенной энергосистемы

Повышение надёжности работы энергосистемы достигается их объединением. При этом увеличивается резерв мощности. Запас статической устойчивости должен быть в каждой энергосистеме. При отсутствии недостаточной мощности, этот запас должен обеспечиваться аварийной автоматической разгрузкой. Асинхронный режим двух энергосистем опасен из-за режима качаний, при которых увеличиваются токи и обмен мощностями по межсистемным связям.

Когда асинхронный режим нежелателен, при его появлении следует разрывать межсистемные связи. При увеличении мощности энергосистем и увеличение межсистемных связей растут токи КЗ, что становится опасным для выключателей и аппаратуры установленных в первые периоды развития энергосистем.

6. Устройства управления режимом энергосистемы, влияющие на её надёжность

Автоматическое управление энергосистемой в режиме нормальных и аварийных процессов происходит с помощью автоматических систем и устройств, поддерживающих параметры режима в допустимых пределах, помогающие избегать аварийных нарушений или ограничивающих развитие аварии. К ним относятся:

*системы АРЧ и АРЧМ ограничивающих перетоки реактивной мощности по межсистемным связям энергосистем;

*устройства АРН трансформаторов;

*АРВ синхронных машин с форсировкой возбуждения;

*различные устройства релейной защиты, отключающие повреждённые элементы энергосистемы и устройства АПВ, восстанавливающие схему при неустойчивых КЗ;

*устройства АВР;

*системы и устройства противоаварийной автоматики, предотвращающие нарушение устойчивости, ликвидирующие асинхронный режим и аварийные отклонения частоты и напряжения;

*устройства, обеспечивающие после устранения аварийных нарушений автоматическое обратное включение потребителей;

*устройства технологической автоматики электростанций и сетей, обеспечивающие устранение опасных для оборудования нарушений технологического процесса или его отключения для предотвращения повреждений.

7. Структурная и функциональная надёжность электрических систем

Выделение в надёжности электрических систем составляющих: структурной и функциональной позволяет упростить методы её анализа и точнее наметить мероприятия по изменению её уровня.

Структурная надёжность - обусловлена составом элементов электрических систем, их связями, пропускными способностями без учёта их функций в системе (особенно важна в проектировании).

Функциональная надёжность - основана на анализе режимов, их ограничений, пропускной способности при изменении структуры электрической системы (особенно важна в эксплуатации).

Показатели структурной надёжности определяются для узлов нагрузки (вероятность безотказной работы, вероятность отказа, параметр потока отказов, наработка до отказа с заданной вероятностью её максимума, недоотпуска энергии, ущерб). Для оценки структурной надёжности используются вероятностные модели, основанные на средних вероятностных состояниях элементов - вынужденного простоя, потока отказов.

Допущения: отказы элементов независимы, исключаются отказы от общих факторов (ураган, гололёд);

время безотказной работы много больше времени восстановления.

8. Показатели качества энергии, влияющие на надёжность

Существенное влияние на надёжность оказывает снижение показателей качества электроэнергии.

*Понижение напряжения в распределительных сетях из-за местных дефицитов реактивной мощности, которые приводят к уменьшению пропускной способности сети, когда она ограничена предельными токовыми нагрузками. Уменьшение напряжения в основных сетях, пропускная способность которых определяется условиями устойчивости и приводит к уменьшению пределов передаваемой мощности по электрическим связям.

*При работе с пониженной частотой из-за общего дефицита мощности в электрической системе «резерв по частоте» уменьшается по мере её приближению к аварийному значению. Здесь работа АЧР может быть вызвана небольшим дефицитом мощности.

*Требование к надёжности электроснабжения устанавливаются ПУЭ в соответствии с категорией приёмников, определяемой степенью их ответственности с учётом резервирования,

*Количественными показателями, характеризующими уровень надёжности электроснабжения потребителей и узлов нагрузки, могут быть средние и максимальные значения частоты и продолжительность перерыва электроснабжения.

9. Трудности обеспечения надёжности электрической системы

Причины:

*увеличение количества взаимосвязанных объектов и размеров территории их размещения;

*рост мощности электростанций;

*повышение единичной мощности агрегатов (опасно по устойчивости);

*ввод АЭС;

*переход к более высоким ступеням напряжения системообразующей сети;

*усложнение схемы основной сети и её режимов;

*увеличение максимальной мощности, передаваемой по межсистемным ЛЭП;

*увеличение обменной мощности и повышение энергетической взаимосвязи параллельных систем;

*увеличение «связности» отдельных элементов электрической системы, их влияние при аварии друг на друга;

*усложнение характера и длительности электромеханических процессов.



Литература

1. Данилов, И.А. Общая электротехника 2-е изд., испр. и доп. учебное пособие для бакалавров / И.А. Данилов. - Люберцы: Юрайт, 2016. - 673 c.

2. Ермуратский, П. Электротехника и электроника / П. Ермуратский, Г. Лычкина. - М.: ДМК, 2015. - 416 c.

3. Ермуратский, П.В. Электротехника и электроника / П.В. Ермуратский, Г.П. Лычкина, Ю.Б. Минкин. - М.: ДМК Пресс, 2013. - 416 c.

4. Жаворонков, М.А. Электротехника и электроника: Учебное пособие для студ. высш. проф. образования / М.А. Жаворонков, А.В. Кузин. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 400 c.

5. Иванов, И.И. Электротехника. 4-е изд. / И.И. Иванов, Г.И. Соловьев. - СПб.: Лань, 2006. - 496 c.

6. Иванов, И.И. Электротехника: Уч.пособие. 5-е изд., стер. / И.И. Иванов, Г.И. Соловьев. - СПб.: Лань, 2008. - 496 c.

7. Иванов, И.И. Электротехника. 6-е изд., стер / И.И. Иванов, Г.И. Соловьев. - СПб.: Лань, 2009. - 496 c.

8. Иванов, И.И. Электротехника и основы электроники: учебник. 7-е изд., пер. и доп. / И.И. Иванов, Г.И. Соловьев, В.Я. Фролов. - СПб.: Лань, 2012. - 736 c.

9. Иванов, И.И. Электротехника и основы электроники: Учебник. 8-е изд., стер / И.И. Иванов, Г.И. Соловьев, В.Я. Фролов. - СПб.: Лань, 2016. - 736 c.

10. Иньков, Ю.М. Электротехника и электроника: Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Б.И. Петленко, Ю.М. Иньков, А.В. Крашенинников. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 368 c.

11. Колистратов, М.В. Электротехника и электроника: электротехника на оборудовании National Instruments: Лабораторный практикум / М.В. Колистратов, Л.А. Шапошникова; Под ред. Л.А. Шамаро. - М.: ИД МИСиС, 2012. - 79 c.

Размещено на Allbest.ru

...