Зубенко Геннадий Владимирович

           Впервые в мире понятие живучести было сформулировано русским адмиралом Степаном Осиповичем Макаровым - это способность судна продолжать бой, имея повреждения в различных боевых частях.

           В энергетике под живучестью понимается свойство объекта противостоять возмущениям, не допуская их каскадного развития с массовым нарушением питания потребителей [1].

Актуальность

           Экономические преобразования в Украине привели к серьезным проблемам в области обеспечения надежности и безопасности технологических объектов. В 90-е годы разрыв экономических связей между поставщиками комплектующих и изготовителями оборудования, а также предприятиями, которые его эксплуатируют, отток квалифицированных специалистов с промышленных предприятий, ухудшение производственной дисциплины привели к росту числа промышленных аварий и катастроф. Ежегодно в среднем по странам СНГ в результате аварий и катастроф погибает более 330 тыс. человек, что в 4,7 раза больше, чем это было в бывшем СССР [2].

           Износ оборудования многих промышленных предприятий и основных фондов сегодня по Украине колеблется в пределах 60 %, что считается критической точкой, после которой число аварий и катастроф может возрасти лавинообразно.

           Поэтому оценка живучести главных схем понизительных подстанций, снабжающих электроэнергией промышленные предприятия, разработка организационных и технических мероприятий для обеспечения нормируемого отраслевыми документами уровня – являются весьма актуальными задачами в настоящее время.

Цель работы

           Целью работы является разработка организационных и технических мероприятий, выполнение которых позволит обеспечить нормируемый отраслевыми документами уровень живучести главных понизительных подстанций, снабжающих электроэнергией промышленные предприятия.

Научная новизна

           В магистерской работе предложена аналитическая зависимость живучести главной понизительной подстанции от частоты появления токов короткого замыкания на шинах низшего напряжения, от надежности системы отключения вводных защитных коммутационных аппаратов и сроков их диагностики.

Планируемый практический результат

           В магистерской работе предложены нормы надежности системы защитного отключения вводных коммутационных аппаратов, при которых обеспечивается живучесть главной понизительной подстанции, снабжающей электроэнергией промышленные предприятия.

Обзор существующих исследований и разработок

           Электрическая сеть представляет собой комплекс устройств электроустановок, которые предназначены для передачи и распределения электрической энергии. Современные электрические сети по своей структуре, организации эксплуатации и принципам управления относятся к сложным техническим комплексам (системам). При принятии решений на управление такой системой важными являются оценки качества её функционирования.

           Основной задачей электрической сети является обеспечение устойчивого снабжения электрической энергией потребителей. Поэтому качество работы электрической сети, прежде всего, следует оценивать живучестью и надежностью электроснабжения потребителей, т.е. вероятностью того, что будет обеспечено непрерывное снабжение потребителей энергией требуемого качества в течении времени t.

           Общей характеристикой показателей надёжности является то, что они имеют вероятностную природу и характеризуют вероятность наступления определённого события или выполнения заданных требований.

           На практике получило применение задание пороговых значений показателей надёжности, выполняющих роль нормативных требований. Нормативные требования принимаются соглашением с соответствующими обоснованиями и зависят от достигнутого в данный момент времени технического прогресса в области используемых технологий и оборудования, уровня организации эксплуатации и других факторов, и с течением времени должны пересматриваться.

           В последнее время всё большую значимость приобретает свойство безопасности технических систем. В проблеме безопасности сложных технических комплексов следует выделить два направления. Первое из них относится к их нормальной повседневной эксплуатации. Неизбежные техногенные воздействия на человека и природную среду, а также отходы производства выдвигают ряд практических задач по охране труда и экологичности используемых технологий.

           Второе направление связано с технологическими нарушениями и получило название промышленная безопасность. Под безопасностью понимается свойство объекта не допускать ситуации, которые являются опасными для людей и окружающей среды.

           Высока также вероятность террористических актов и военных конфликтов против объектов электроэнергетики. Во всех указанных случаях речь идёт о живучести технического объекта (системы) в "широком" смысле – способности объекта полностью или в ограниченном объёме выполнять свои функции при воздействиях, не предусмотренных условиями нормальной эксплуатации, а при полной или частичной утрате работоспособности – восстанавливать её за допустимое время. Показатели живучести имеют вероятностный характер и отражают риск возникновения чрезвычайной ситуации, оценки времени восстановления и другие [10].

           Рисунок 1 - Схема главной понизительной подстанции (ГПП)

           Под живучестью узла нагрузки понимается способность его потребителей и их автоматических средств защиты противостоять возмущением, которые могут привести к аварийному его отключению.

           Автоматическое включение резерва (АВР) является одним из основных способов обеспечения живучести узла нагрузки. Восстановление электроснабжения узла нагрузки должно иметь место не только при повреждении основного источника питания или исчезновения напряжения на питающей стороне, но и в случаях, когда отключение источника питания происходит вследствие ложной или неселективной работы релейной защиты, самопроизвольного отключения выключателя, ошибочных действий обслуживающего персонала при проведении ремонтных или наладочных работ, а также при повреждении изоляции в цепях оперативного тока, приводящих к отключению выключателя.

           Высокая технико – экономическая эффективность и простота схем АВР обусловили их широкое применение в энергосистемах и сетях промышленных предприятий.

           Устройства АВР должны обеспечивать однократное действие, что необходимо для предотвращения многократного включения резервного источника питания на не устранившееся короткое замыкание.

           Включение резервного источника питания от АВР должно производится только после отключения выключателя рабочего элемента со стороны шин потребителя для исключения подачи напряжения на поврежденный элемент. Поэтому обычно пуск АВР выполняется от вспомогательных контактов в приводе выключателя.

           Для того, чтобы обеспечить действие АВР в тех случаях, когда напряжение на шинах у потребителя исчезло, а выключатель рабочего источника питания остался включенным, АВР должно дополняться защитой минимального напряжения на шинах потребителя и действующей на отключение выключателя рабочего источника питания [4].

           Живучесть электроэнергетической системы (ЭЭС) зависит от ее структуры, конфигурации, надежности электрооборудования, средств релейной защиты и противоаварийной автоматики, а также от квалификации обслуживающего персонала, запаса устойчивости, резерва активной мощности и т.д. [5].

           При КЗ в элементах сети и отказе в срабатывании ряда защитных коммутационных аппаратов (ЗКА), через которые протекал сквозной аварийный ток, происходят так называемые цепочечные аварии [6].

           Цепочечные аварии наблюдались в 25 ЭЭС бывшего СССР. За 5 лет зафиксировано 75 цепочечных аварий. В 81 % случаев цепочечные аварии происходили из-за повреждений в сети и отказов в функционировании ряда защитных коммутационных аппаратов [7]. На цепочечные аварии приходится 90 % ущерба потребителям электрической энергии [8].

           Под глубиной цепочечной аварии понимается уровень расстройства функционирования установок энергосистемы при авариях и нарушениях в работе.

           Показателем живучести схемы электроснабжения промышленного предприятия может служить частота появления системных цепочечных аварий с различной глубиной нарушения электроснабжения [8].

           Формула для определения частоты появления цепочечных аварий, которые могут происходить при КЗ в защищаемом элементе сети и отказе в срабатывании ряда защитных коммутационных аппаратов, через которые прошел сквозной аварийный ток, имеет вид [9]:

,

      - параметр потока отказов в срабатывании і-того защитного коммутационного аппарата. Здесь индекс s указывает на то, что учитывается поток отказов в срабатывании і-того защитного коммутационного аппарата;

      - интервал времени между профилактическими осмотрами системы отключения і-того защитного коммутационного аппарата вместе с его релейной защитой или системы АВР;

     m – число защитных коммутационных аппаратов, через которые прошел сквозной аварийный ток, при этом действие их основной релейной защиты обязательно или число секционных коммутационных аппаратов с АВР, отказавших во включении;

     n – число единиц электрооборудования, получающих электроэнергию от данного узла нагрузки.

           Данная формула справедлива при выполнении условия: интервалы времени между появлениями КЗ в элементе сети и интервалы времени между отказами в срабатывании защитных коммутационных аппаратов не противоречат экспоненциальным функциям распределения вероятности с параметрами соответственно , и, кроме этого, соблюдается условие:

.

           В том случае, если это условие не соблюдается, на кафедре электроснабжения промышленных предприятий и городов ДонНТУ разработаны математические модели в виде систем линейных дифференциальных уравнений. Они позволяют прогнозировать вероятность появления цепочечных (каскадных) аварий практически любой "глубины", которые наблюдаются в энергосистемах и сетях промышленных предприятий.

           Разработан принцип построения схем замещения для оценки сложных аварийных ситуаций, а также методика сбора и обработки необходимой статистической информации.

           При выводе формулы для определения частоты появления цепочечных аварий были приняты следующие допущения: устройства защиты могут выходить из строя только тогда, когда они находятся в режиме ожидания. Если к моменту возникновения повреждения в сети, на которое должна реагировать релейная защита, она находилась в исправном состоянии, то маловероятно, чтобы защита вышла из строя, находясь в режиме тревоги.

           Отказы в схемах РЗ и приводе выключателя выявляются и устраняются только в результате профилактических проверок. Предполагается, что проверки РЗ и привода выключателя абсолютно надежные.

           Под отказом в срабатывании защитного коммутационного аппарата будем понимать тот из них, который приводит к отказу в отключении поврежденного элемента сети при КЗ в зоне действия его релейной защиты [3].

           В том случае, если сроки профилактики систем отключения защитных коммутационных аппаратов будут одинаковы (т.е. , ), тогда формула для определения частоты появления цепочечных аварий примет вид:

.

           Вероятность появления каскадной аварии Q(t) в течение времени t можно определить следующим образом:

.

           Пример 1. Рассмотрим схему электроснабжения секций шин I и II на рис. 1.

           Рисунок 1 – Схема электроснабжения

           Исходные данные:

   .

           Необходимо определить вероятность аварийного отключения секций шин I и II в течение года при КЗ в одном из элементов сети, получающих электроэнергию от секций шин I, т.е. вероятность появление цепочечной аварии.

           Решение. При КЗ в одном из j () элементов (рис.1) срабатывают релейные защиты коммутационных аппаратов 14, 13, 12 и одного из коммутационных аппаратов (1 – 4), отходящих от секций шин I линий.

           Секции I и II отключатся коммутационным аппаратом 14, при этом не сработают ближайший к месту КЗ коммутационный аппарат, через который протекал сквозной аварийный ток, и коммутационные аппараты 12 и 13.

           Так как сроки профилактики систем отключения защитных коммутационных аппаратов одинаковы, то формула для определения частоты появления цепочечных аварий при m = 3 примет вид:

           Вычислим вероятность появления цепочечной (каскадной) аварии в течении 1 года, т.е. аварийного отключения секций шин I и II при КЗ в одном из j элементов сети, получающих электроэнергию от секции I. Поскольку H_t << 0,1, получаем:

           Пример 2. Рассмотрим схему узла сети без АВР и с АВР на секционном выключателе (СВ) – рис.2, а и б.

           Исходные данные:

           – параметр потока отказов в срабатывании защитного коммутационного аппарата;

           – параметр потока отказов типа «обрыв цепи» вводного выключателя;

           – параметр потока КЗ и линии;

           – параметр потока отказов в срабатывании (включении) секционного выключателя 6 (при исчезновении напряжения на секции шин из-за отказов типа "обрыв" в элементе "4" либо из-за КЗ в элементе "5") и его отключении;

           , , – параметры потока КЗ на отходящих от секции шин линиях;

           год – интервал времени между проверками системы отключения защитных коммутационных аппаратов.

           Необходимо оценить живучесть узла нагрузки (секции шин) в схемах на рис.2, а и б, а также эффективность АВР.

           Решение. В первом варианте (рис.2, а) секция шин будет обесточена:

           а) при КЗ на отходящей от нее линии и отказе в срабатывании соответствующего защитного коммутационного аппарата (ее отключит защита коммутационного аппарата 4).

           Используя формулу для определения частоты появления цепочечных аварий и исходные данные, найдем параметр потока аварийных отключений рассматриваемой секции шин:

           б) при отказе типа "обрыв цепи" в элементе 4 или типа "короткое замыкание" в элементе 5.

           В этом случае параметр потока аварийного отключения секции шин будет равен:

           Следовательно, интенсивность ее аварийного отключения равна:

           Во втором варианте (рис.2, б) с использованием АВР на секционном выключателе 6 (в нормальном состоянии он отключен) секция шин обесточится, если произойдет отказ типа "обрыв цепи" в элементе 4 либо типа "короткое замыкание" в элементе 5, а система включения АВР будет находится в отказавшем состоянии. В этом случае параметр потока аварийных отключений H₃ секции шин будет равен:

           При наличии АВР на секционном выключателе параметр потока аварийных отключений будет равен:

           Таким образом, применение АВР на секционном выключателе 6 позволяет повысить живучесть узла нагрузки (секции шин) в K = H/H₄ = 0,054629/0,0006556 = 83,3 раза.

Заключение

           Используя теорию однородных Марковских процессов с дискретным числом состояний и непрерывности времени была получена система линейных дифференциальных уравнений для оценки живучести схем главных понизительных подстанций.

           Получена аналитическая зависимость живучести главной понизительной подстанции 110/6 кВ, снабжающей электроэнергией рассматриваемых потребителей, от частоты и длительности появления токов короткого замыкания на шинах низкого напряжения, надежности систем отключения вводных защитных коммутационных аппаратов и сроков их диагностики.

           Предложена норма надежности систем защитного отключения вводных комплектных распределительных устройств и сроки их диагностики, при котором обеспечивается нормируемый уровень живучести узла нагрузки H = 1*10^-6 год^-1.

Список литературы

1. Надежность систем энергетики. Терминология. М.:Наука, 1980.-вып.95.-44с.

2. Белоусенко И.В., Ковалев А.П., Муха В.П. Прогнозирование безопасности предприятий // Безопасность труда в промышленности. – 1995 - №10 – с. 53-55.

3. Эндрени Дж. Моделирование при расчетах надежности в электроэнергетических системах: Пер. С англ./ Под ред. Ю.И. Руденко – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 336 с.

4. Ермилов А.А. Основы электроснабжения промышленных предприятий. Изд. 3-е, переработанное и доп. М.: Энергия, 1976. – 368 с.

5. Руденко Ю.Н., Ушаков И.А. Надежность систем энергетики. М.: Наука,1986. – 276 с.

6. Китушин В.Г. Определение характеристик отказов системы при цепочечном развитии аварий. – Изв. АНСССР. Энергетика и транспорт, 1977, №3. с. 20-30.

7. Гук Ю.Б. Теория надежности в электроэнергетике: Учеб. Пособие для вузов. – Л.: Энергоатомиздат, 1990. – 208 с.

8. Гук Ю.Б. Анализ надежности электроэнергетических установок – Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1998. – 224 с.

9. Ковалев А.П., Чурсинов В.И., Якимишина В.В. Оценка вероятности появления цепочных аварий в энергосистемах. Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ, 2004 – Вип.. 3/2004 (26) – с. 106-107.

10. В.А. Скопинцев, В.И. Чемоданов, М.И. Чичинский Оценка надежности работы электрической сети (http://www.oaoesp.ru/file/b2b72409/pub4.doc).

11. Лекции по надежности (http://www.nadegnost.narod.ru/begining.html).

12. Ковалев А.П., Чурсинов В.И., Якимишина В.В. Оценка вероятности появления цепочечных аварий в энергосистемах (http://www.uran.donetsk.ua/~masters/2005/eltf/soloduhina/library/621.htm).

          В настоящее время, май, 2006 г. магистерская работа на тему: "Эценка живучести главных схем понизительных подстанций 110\6 кВ снабжающих электроэнергией промышленные предприятия" находится в стадии разработки. Подробные материалы работы можно получить у автора.