Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Основные понятия надежности электроснабжения. Понятие отказа

Термины и определения, используемые в теории надежности, регламентированы ГОСТ 27.002-89 "Надежность в технике. Термины и определения". электроснабжение надежность магистральный сеть

Основные понятия

Надежность - свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени и в заданных пределах значения установленных эксплуатационных показателей.

Объект - техническое изделие определенного целевого назначения, рассматриваемое в периоды проектирования, производства, испытаний и эксплуатации. Объектами могут быть различные системы и их элементы.

Элемент - простейшая составная часть изделия, в задачах надежности может состоять из многих деталей.

Система - совокупность совместно действующих элементов, предназначенная для самостоятельного выполнения заданных функций.

Понятия элемента и системы трансформируются в зависимости от поставленной задачи. Например, станок, при установлении его собственной надежности рассматривается как система, состоящая из отдельных элементов - механизмов, деталей и т.п., а при изучении надежности технологической линии - как элемент.

Надежность объекта характеризуется следующими основными состояниями и событиями.

Исправность - состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией (НТД).

Работоспособность - состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения основных параметров, установленных НТД.

Основные параметры характеризуют функционирование объекта при выполнении поставленных задач.

Понятие исправность шире, чем понятие работоспособность. Работоспособный объект обязан удовлетворять лишь тем требования НТД, выполнение которых обеспечивает нормальное применение объекта по назначению. Таким образом, если объект неработоспособен, то это свидетельствует о его неисправности. С другой стороны, если объект неисправен, то это не означает, что он неработоспособен.

Предельное состояние - состояние объекта, при котором его применение по назначению недопустимо или нецелесообразно.

Применение (использование) объекта по назначению прекращается в следующих случаях: - при неустранимом нарушении безопасности;

- при неустранимом отклонении величин заданных параметров;

- при недопустимом увеличении эксплуатационных расходов.

Для некоторых объектов предельное состояние является последним в его функционировании, т.е. объект снимается с эксплуатации, для других - определенной фазой в эксплуатационном графике, требующей проведения ремонтно-восстановительных работ.

В связи с этим, объекты могут быть:

- невосстанавливаемые, для которых работоспособность в случае возникновения отказа, не подлежит восстановлению;

- восстанавливаемые, работоспособность которых может быть восстановлена, в том числе и путем замены.

К числу невосстанавливаемых объектов можно отнести, например: подшипники качения, полупроводниковые изделия, зубчатые колеса и т.п. Объекты, состоящие из многих элементов, например, станок, автомобиль, электронная аппаратура, являются восстанавливаемыми, поскольку их отказы связаны с повреждениями одного или немногих элементов, которые могут быть заменены.

В ряде случаев один и тот же объект в зависимости от особенностей, этапов эксплуатации или назначения может считаться восстанавливаемым или невосстанавливаемым.

Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.

Критерий отказа - отличительный признак или совокупность признаков, согласно которым устанавливается факт возникновения отказа.

Классификация и характеристики отказов

По типу отказы подразделяются на:

- отказы функционирования (выполнение основных функций объектом прекращается, например, поломка зубьев шестерни);

- отказы параметрические (некоторые параметры объекта изменяются в недопустимых пределах, например, потеря точности станка).

По своей природе отказы могут быть:

- случайные, обусловленные непредусмотренными перегрузками, дефектами материала, ошибками персонала или сбоями системы управления и т. п.;

- систематические, обусловленные закономерными и неизбежными явлениями, вызывающими постепенное накопление повреждений: усталость, износ, старение, коррозия и т. п.

Основные признаки классификации отказов:

- характер возникновения;

- причина возникновения;

- характер устранения;

- последствия отказов;

- дальнейшее использование объекта;

- легкость обнаружения;

- время возникновения.

Рассмотрим подробнее каждый из классификационных признаков:

Характер возникновения:

- внезапный отказ - отказ, проявляющийся в резком (мгновенном) изменении характеристик объекта;

- постепенный отказ - отказ, происходящий в результате медленного, постепенного ухудшения качества объекта.

Внезапные отказы обычно проявляются в виде механических повреждений элементов (трещины - хрупкое разрушение, пробои изоляции, обрывы и т. п.) и не сопровождаются предварительными видимыми признаками их приближения. Внезапный отказ характеризуется независимостью момента наступления от времени предыдущей работы.

Постепенные отказы - связаны с износом деталей и старением материалов.

Причина возникновения:

- конструкционный отказ, вызванный недостатками и неудачной конструкцией объекта;

- производственный отказ, связанный с ошибками при изготовлении объекта по причине несовершенства или нарушения технологии;

- эксплуатационный отказ, вызванный нарушением правил эксплуатации.

Характер устранения:

- устойчивый отказ;

- перемежающийся отказ (возникающий/исчезающий). последствия отказа: легкий отказ (легкоустранимый);

- средний отказ (не вызывающий отказы смежных узлов - вторичные отказы);

- тяжелый отказ (вызывающий вторичные отказы или приводящий к угрозе жизни и здоровью человека).

Дальнейшее использование объекта:

- полные отказы, исключающие возможность работы объекта до их устранения;

- частичные отказы, при которых объект может частично использоваться.

Легкость обнаружения:

- очевидные (явные) отказы;

- скрытые (неявные) отказы.

Время возникновения:

- приработочные отказы, возникающие в начальный период эксплуатации;

- отказы при нормальной эксплуатации;

- износовые отказы, вызванные необратимыми процессами износа деталей, старения материалов и пр.

Составляющие надежности

Надежность является комплексным свойством, включающим в себя в зависимости от назначения объекта или условий его эксплуатации ряд простых свойств:

- безотказность;

- долговечность;

- ремонтопригодность;

- сохраняемость.

Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторой наработки или в течение некоторого времени.

Наработка - продолжительность или объем работы объекта, измеряемая в любых неубывающих величинах (единица времени, число циклов нагружения, километры пробега и т. п.).

Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.

Ремонтопригодность - свойство объекта, заключающееся в его приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, поддержанию и восстановлению работоспособности путем проведения ремонтов и технического обслуживания.

Сохраняемость - свойство объекта непрерывно сохранять требуемые эксплуатационные показатели в течение (и после) срока хранения и транспортирования.

В зависимости от объекта надежность может определяться всеми перечисленными свойствами или частью их. Например, надежность колеса зубчатой передачи, подшипников определяется их долговечностью, а станка - долговечностью, безотказностью и ремонтопригодностью.

2. Основные показатели надежности

Показатель надежности количественно характеризует, в какой степени данному объекту присущи определенные свойства, обусловливающие надежность. Одни показатели надежности (например, технический ресурс, срок службы) могут иметь размерность, ряд других (например, вероятность безотказной работы, коэффициент готовности) являются безразмерными.

Рассмотрим показатели составляющей надежности - долговечность.

Технический ресурс - наработка объекта от начала его эксплуатации или возобновления эксплуатации после ремонта до наступления предельного состояния. Строго говоря, технический ресурс может быть регламентирован следующим образом: до среднего, капитального, от капитального до ближайшего среднего ремонта и т. п. Если регламентация отсутствует, то имеется в виду ресурс от начала эксплуатации до достижения предельного состояния после всех видов ремонтов.

Для невосстанавливаемых объектов понятия технического ресурса и наработки до отказа совпадают.

Назначенный ресурс - суммарная наработка объекта, при достижении которой эксплуатация должна быть прекращена независимо от его состояния.

Срок службы - календарная продолжительность эксплуатации (в том числе, хранение, ремонт и т. п.) от ее начала до наступления предельного состояния.

3. Задача

Определить математическое ожидание ущерба от вынужденных простоев У_в, тыс.руб/год, математическое ожидание ущерба от плановых простоев У_п, тыс.руб/год и общий ожидаемый ущерб от перерывов в электроснабжении У, тыс.руб/год, для блока линия-трансформатор с выключателем в цепи трансформатора и линии 220 кВ.

Исходные данные:

Р_max = 12 МВт;

Коэффициент ограничения нагрузки е = 1

Решение:

Поскольку в задании не приводится данных по длине линии, схеме выдачи энергии в линию источником питания, уровню напряжения на стороне НН подстанции, произведем оценку ущерба при отключении элементов выделенного фрагмента схемы.

Параметр потока отказов выделенного фрагмента схемы:

щ = щ_Q + щ_Т (2.1)

где щ_Q, щ_Т - параметры потока отказов выключателя и трансформатора, соответственно.

Определяем: для трансформатора 220 кВ щ_Т = 0,03 отказ/год;

для масляного бакового выключателя 220 кВ щ_Q = 0,05 отказ/год.

щ = 0,05 + 0,03 = 0,08 отказ/год

1. Коэффициент вынужденного простоя:



где - среднее время восстановления i-го элемента.

Определяем:

для трансформатора 220 кВ Т_ВТ = 7?10^-3лет;

для масляного бакового выключателя 220 кВ Т_ВQ = 5?10^-3лет.

К_В = 5?10^-3?0,05 + 7?10^-3?0,03 = 0,46?10^-3

2. Среднее время восстановления:

3. Средняя частота плановых простоев:

Определяем среднюю частоту плановых простоев для элементов схемы:

для трансформатора 220 кВ щ_пТ = 0,9 простой/год;

для масляного бакового выключателя 220 кВ щ_пQ = 0,14 простой/год.

щ_п = щ_пmax = щ_пТ = 0,9 простой/год

4. Коэффициент планового простоя:

где коэффициент, принимаемый равным для n ? 3

средняя продолжительность простоев в плановых ремонтах элементов сети.

Элементы в сумме располагаются в порядке убывания . Слагаемые, для которых , в сумму не включаются (их количество обозначено m).

Определяем:

для трансформатора 220 кВ Т_пТ = 3,2?10^-3лет = Т_п2;

для масляного бакового выключателя 220 кВ Т_пQ = 11?10^-3лет = Т_п1.

Получаем:

2

5. Коэффициент готовности:

6. Вероятность безотказной работы в течение года:

7. Математическое ожидание ущерба от вынужденных простоев:

где максимальная мощность потребителя, МВт;

удельная стоимость компенсации от ущерба от аварийных ограничений;

коэффициент ограничения нагрузки, (полное отключение).

В расчетах экономической эффективности стоимость ущерба от аварийных до её официального установления Правительством России рекомендуется оценивать исходя из зарубежного опыта компенсации ущерба потребителям в размере 1,5 - 4 долл./кВт?ч. Эти данные являются усредненными и могут использоваться для ориентировочной оценки ущерба на случай аварийных перерывов (ограничений) электроснабжения в сети общего пользования с разным составом потребителей. Принимаем , тогда:

8. Математическое ожидание ущерба от плановых простоев:

удельная стоимость компенсации от ущерба от плановых ограничений.

Принимаем , тогда:

9. Общий ожидаемый ущерб от перерывов в электроснабжении:

У = У_п + У_в (2.6)

У = 2,422 + 2,321 = 4,743

4. Задание

Произвести сравнительный анализ схем городских сетей петлевой и магистральной

Как известно, городские распределительные сети выполняются по одной из следующих схем: радиальной, магистральной или смешанной.

1) Радиальные схемы подразделяются на одноступенчатые и двухступенчатые. Одноступенчатые схемы применяются при непосредственном питании трансформаторных подстанций от основного источника питания (электростанции или ГПП). В двухступенчатых схемах используются промежуточные распределительные пункты (РП). Некоторым недостатком радиальных схем является усложнение и удорожание резервирования при необходимости по условиям бесперебойности подачи питания от другого источника в случае выхода из работы основного питающего пункта. В этом случае резервирование подстанций может быть более удобно и экономично выполнено за счет магистральных схем.

2) Магистральные схемы подразделяются на одиночные магистрали с односторонним и двусторонним питанием, кольцевые магистрали и схемы с несколькими (двумя и более) параллельными (сквозными) магистралями в различных вариантах.

Простые магистральные схемы (одиночные и кольцевые) применяются обычно для подстанций малой мощности с потребителями, не требующими высокой степени бесперебойности электроснабжения.

Одиночные магистральные схемы без разъединителей на входе и выходе магистрали применяются главным образом на ответвлениях от воздушных линий. При ответвлениях от кабельных линий эта схема применяется для неответственных подстанций мощностью, как правило, не выше 400 кВА, если не предусмотрена возможность резервирования по низкому напряжению.

Более сложные магистральные схемы с несколькими параллельными сквозными магистралями могут быть применены для потребителей любой категории.

В больших городах с крупными сосредоточенными нагрузками для распределения электроэнергии в сетях 6-10 кВ на первых ступенях - от центра питания (ГПП, ТЭЦ, ЦРП) до распределительных пунктов (РП), при кабельной системе применяются в основном радиальные схемы.

На энергоемких объектах целесообразно также применение мощных шинных магистралей 6-35 кВ используемых одновременно и в качестве поперечных связей между источниками питания (ТЭЦ - ГПП или ГПП1 - ГПП2). Преимущества этой системы: экономия кабелей, надежность, большая перегрузочная способность, а также возможность расширения схемы и исправления повреждений без перерыва электроснабжения потребителей.

Таблица 1. Сравнительный анализ схем распределительных сетей

Наименование схемы	Характеристика схемы
а) Радиальные схемы
Рисунок 3.1.	Для обособленно расположенных трансформаторных подстанций при отсутствии значительных нагрузок I категории и возможности быстрого ремонта поврежденной линии. Потребители I категории могут резервироваться через перемычку низкого напряжения от соседней подстанции.
Рисунок 3.2.	Для небольших обособленных потребителей при наличии нагрузок I категории. В нормальном режиме работает один кабель, а второй включается при отсоединении первого для ремонта или испытании.
Рисунок 3.3.	Для крупных обособленных пунктов потребления и объектов с нагрузками I и II категорий (подстанции более 2-3 МВА). Каждая линия рассчитывается на полную нагрузку потребителей I категории. В нормальном режиме линии работают раздельно, каждая на свою секцию, а при выходе из работы одной линии, вторая принимает на себя нагрузку I категории.
Рисунок 3.4.	Модификация второй схемы (рис.3.2) для линий средней мощности. При наличии двух РП сокращается количество ячеек на питающем пункте. Автоматическое включение резерва на РП восполняет тот недостаток схемы, что при повреждении одной линии кратковременно прекращается питание во второй неповрежденной линии.
Рисунок 3.5.	Применяется для мощных РП (8000 - 10000 кВА). Каждая питающая линия рассчитана на 60% общей нагрузки РП. Загрузка линий в нормальном режиме показана на схеме.
а) Радиальные схемы (продолжение)
Рисунок 3.6	Применяется для РП небольшой мощности. Рабочее питание обеспечивается от источника I и.п. Второй источник (II и.п) - маломощный, неэкономичный или удаленный. - служит для резервирования питания.
Рисунок 3.7.	При отключении любой линии подстанция переключается на питание от общей резервной магистрали (показана пунктиром).
Рисунок 3.8.	Применяется для крупных объектов при значительном числе одно- и двухтрансформаторных подстанций малой мощности и рассредоточенном расположении их на генплане.
б) Магистральные схемы
Рисунок 3.9.	Применяется преимущественно при воздушных магистралях или при легкодоступной для ремонта кабельной трассе (например, прокладка в канале). Допускается для неответственных потребителей: жилые поселки, склады и т.п. - в тех случаях, когда допустим перерыв электроснабжения на время отключения поврежденного участка.
Рисунок 3.10.	Применяется для нагрузок III и II категорий, когда допускается перерыв в электроснабжении на время отыскания и отключения поврежденного участка магистрали. К одной магистрали присоединяется до пяти подстанций мощностью до 1000 кВА каждая.
Рисунок 3.11.	Применяется для нагрузок III и II категорий, когда допускается перерыв электроснабжения на время отключения поврежденного участка кольца. К одному кольцу присоединяется до пяти подстанций мощностью до 630 кВА каждая. В нормальном режиме кольцо размыкается примерно посередине с целью снижения токов короткого замыкания и упрощения релейной защиты.
Рисунок 3.12.	Применяется для нагрузок I категории при питании от двухтрансформаторных ГПП без сборных шин. Схема автоматически обеспечивает 100-процентное резервирование питание в линиях и в трансформаторах.
Рисунок 3.13.	Применяется в случае необходимости обеспечения аварийного питания от независимого источника. В нормальном режиме потребители получают питание, как правило, от одного (основного) источника.
Рисунок 3.14	Применяется: 1) при необходимости питания от двух независимых источников при значительных нагрузках I категории; 2) при расположении группы потребителей между двумя источниками питания, когда встречное питание дает экономическое преимущество по сравнению со схемами одностороннего питания, независимо от требований бесперебойности.
Рисунок 3.15	Мощные магистрали с двусторонним питанием. Применяются на крупных энергоемких объектах для обеспечения бесперебойного электроснабжения ТП и РП. Схема обладает повышенной перегрузочной способностью; отличается небольшим расходом цветного металла и простотой увеличения пропускной способности.



Список используемых источников

1. Файбисович, Д.Л. Справочник по проектированию электрических сетей [Текст] / И.Г. Карапетян, Д.Л. Файбисович, И.М. Шапиро. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2006;

2. Гук, Ю.Б. Теория надежности в электроэнергетике: Учебное пособие для ВУЗов. [Текст] / Ю.Б. Гук. - Л.: Энергия, 1990. - 204 с.;

3. Китушкин, В.Г. Надежность электроэнергетических систем. Часть 1. теоретические основы: Учебное пособие [Текст] / В.Г. Китушкин. - Новосибирск: Изд-во НГТУ. - 2003. - 256 с.;

4. Шапиро, И.М. Двухцепные воздушные линии: эффективность и область применения [Текст] // Энергетическое строительство. - 1992. - №11. - с. 25-32.

Размещено на Allbest.ru

...