ДонНТУ   Портал магистров
   

РЕФЕРАТ ПО ТЕМЕ ВЫПУСКНОЙ РАБОТЫ

Содержание

1. Актуальность проблемы

Проанализировав статистические данные за период с 1985 г. по 2012 г. о выходе из строя трансформаторных подстанций 110/10 кВ, которые эксплуатируются в Донбасской энергосистеме, выяснилось, что в большинстве случаев подстанции выходят из строя по следующим причинам:

  1. Случайное появление короткого замыкания (КЗ) на отходящей линии, отказ в срабатывании выключателя КРУ, отказ в срабатывании вводного выключателя 10 кВ, через которые прошел сквозной аварийный ток, а вводной выключатель 110 кВ не чувствителен к КЗ, которое случайно появляется на отходящей линии;
  2. Случайное появление КЗ в присоединениях к шинам фидерных КРУ, отказ в срабатывании вводного выключателя 10 кВ, отказ в срабатывании вводного выключателя 110 кВ, через которые прошел сквозной аварийный ток, а максимальная токовая защита (МТЗ) коммутационного аппарата на линии 110 кВ не чувствительна к КЗ, которое случайно появляется в присоединениях к шинам фидерных КРУ;
  3. Случайное появление КЗ в трансформаторе 110/10 кВ; отказ в срабатывании вводного выключателя 110 кВ, отказ в срабатывании МТЗ коммутационного аппарата на линии 110 кВ, через которые прошел сквозной аварийный ток.

Задача состоит в том, а через сколько времени необходимо проводить диагностику системы отключения защитных коммутационных аппаратов, чтобы вероятность совпадения в пространстве и времени трех случайных событий была величиной маловероятная, т.е.

При соблюдении этого условия возгораний изоляции на подстанции не будет.

2. Цель работы

Определить оптимальные с точки зрения пожарной безопасности сроки диагностики систем отключения защитных коммутационных аппаратов трансформаторной подстанции. Для этого необходимо решить следующие задачи:

  1. Получить зависимости вероятности выхода из строя в течении времени t подстанции 110/10 кВ от частоты появления КЗ на отходящей линии, в присоединениях к шинам 10 кВ или в трансформаторе подстанции, надежности систем отключения вводных выключателей 10 кВ и 110 кВ и сроков их диагностики;
  2. Определить среднее время до первого выхода из строя трансформаторной подстанции и дисперсию времени между авариями.

3. Научная новизна работы

На основе регулярных однородных марковских процессов с дискретным числом состояний и непрерывным временем разработана математическая модель, объясняющая процесс выхода из строя трансформаторной подстанции 110/10 кВ в течении времени t, отличающаяся от известной тем, что учитывается не только частота появления опасных событий, но и их длительность.

4. Практическая ценность работы

Разработана методика расчетов, с помощью которой можно определять оптимальные с точки зрения безопасности сроки диагностики системы отключения выключателей, при которых вероятность возгорания изоляции на трансформаторной подстанции есть величина маловероятная.

5. Обзор нормативных документов в области пожарной безопасности

Согласно [1] вероятность пожаров в узле нагрузки в течение года должна быть не выше, чем H = 1·10-6. Это означает, что если бы в течении 1 года под наблюдением находилось N = 1000000 трансформаторных подстанций, то допускался бы один пожар (n = 1) за этот период времени.

Вероятность пожаров в течении года при H·t < 0.1 можно определить с помощью формулы:

Значит, для решения вопроса обеспечения пожарной безопасности трансформаторных подстанций при их эксплуатации необходимо получить зависимость: вероятности возгорания изоляции на подстанции в течении года от частоты появления КЗ на отходящей линии, в присоединениях к шинам 10 кВ или в трансформаторе и длительности его существования, надежности системы отключения вводных выключателей 10 кВ и 110 кВ, а также интервалов времени между диагностиками систем отключения выключателей θ1, θ2 и θ3 (рис. 1).

Схема электроснабжения трансформаторной подстанции 110/10 кВ

Рисунок 1 – Схема электроснабжения трансформаторной подстанции 110/10 кВ

С помощью полученной зависимости можно будет выбирать такие интервалы времени между диагностиками систем отключения выключателей θ1, θ2 и θ3, при которых вероятность пожаров будет допустимой по нормативным документам [1].

6. Разработка математической модели, описывающей процессы выхода из строя трансформаторной подстанции

Введем некоторые понятия. Безопасным будем понимать такое состояние системы отключения выключателя, при котором в любой момент времени она готова отключить КЗ, которое возникло в зоне действия ее релейной защиты, а опасным – такое, при котором в случае появления КЗ на защищаемом элементе происходит отказ в системе срабатывании защитного коммутационного аппарата. Опасное состояние системы отключения выявляются в результате ее диагностики: релейной защиты, привода выключателя, контактной системы, дугогасительной камеры и т.д.

Обозначим через ζk(t) процесс изменения состояния элемента (КЗ, отказ основной защиты, отказ резервной защиты), k = 1, 2, 3. Случайный процесс ζ1(t), ζ2(t) изменения состояния коммутационных аппаратов 1, 2 (2, 3; 3, 4) с течением времени может принимать два значения: 0 – система отключения выключателя находится в работоспособном состоянии; 1 – система отключения находится в отказавшем состоянии. Случайный интервал времени между появлениями КЗ на отходящей линии, в присоединениях к шинам 10 кВ или в трансформаторе и длительностью его существования будем характеризовать процессом ζ3(t).

Вероятность переходов из безопасного состояния в опасное за промежуток времени Δt равна λkΔt+0(t), где 0(t) означает, что вероятность появления более одного опасного состояния в интервале t+Δt является величиной маловероятной по сравнению с Δt. Вероятность переходов из опасного состояния в безопасное за время Δt равна μkΔt+0(t). Параметр λk характеризует интенсивность или скорость, с которой безопасные промежутки времени сменяются опасными, а μk – частоту или скорость смены опасных промежутков времени на безопасные [2].

Выход из строя подстанции (возгорание изоляции) наступит в момент, когда все три процесса ζk(t) будут находиться в состоянии 1, т.е. когда ζ1(t)=ζ2(t)=ζ3(t)=1.

Случайное время до первого пожара обозначим через τ(0). Выразим значение среднего времени до первого пожара через параметры процессов θ1, θ2 и θ3.

Совокупность указанных процессов рассмотрим как регулярный однородный марковский процесс с восемью дискретными состояниями и непрерывным временем. Поведение во времени такой системы полностью определяется матрицей переходов Р, которая в нашем случае имеет вид:

Среднее время до первого выхода из строя трансформаторной подстанции найдем из системы уравнений [3]:

где N=1-Q, Q - фундаментальная матрица, которая получается из матрицы переходов с помощью исключения поглощающего состояния (последней строки и последнего столбца).

Вероятность возгорания изоляции трансформаторной подстанции в течение времени t найдем, пользуясь общей системой уравнений для регулярного однородного дискретного марковского процесса с поглощающим состоянием и непрерывным временем [5]:

где – вектор-строка; – вектор-строка; , I – единичная матрица.

Дисперсия времени до первого возгорания изоляции трансформаторной подстанции [4], т.е. до первого перехода в поглощающее состояние:

где .

7. Оценка пожарной безопасности трансформаторных подстанций и разработка рекомендаций для ее повышения

Пожарная безопасность трансформаторных подстанций должна обеспечиваться на уровне требований ГОСТ 12.1.004.91 [4]. Для схемы (рис. 1), изобразим дерево формирования пожара подстанции (рис. 2) и схему минимальных сечений (рис. 3).

Дерево формирования событий, совпадение которых приводит к возгоранию изоляции (пожар) и выходу из строя подстанции

Рисунок 2 – Дерево формирования событий, совпадение которых приводит к возгоранию изоляции (пожар) и выходу из строя подстанции

где – произошло КЗ; – произошел отказ в системе отключения i-того выключателя.

Схема минимальных сечений

Рисунок 3 – Схема минимальных сечений

Заключение

Полученная в магистерской работе расчетная формула и схемы минимальных сечений позволяют оценить пожарную безопасность трансформаторной подстанции любого класса напряжения и выбирать оптимальные с точки зрения безопасности сроки диагностики систем отключения защитных коммутационных аппаратов.

Список источников

  1. Ковалев А.П. Оценка пожарной безопасности передвижных трансформаторных подстанций 110/35/6 кВ / А.П. Ковалев, А.В. Шевченко, И.В. Белоусенко // Промышленная энергетика. – 1991. – №6. – С. 28-31.
  2. Тихонов В.И. Марковские процессы / В.И. Тихонов, М.А. Миронов. – М.: Советское радио, 1977. – 488 с.
  3. Кемени Дж. Конечные цепи Маркова / Дж. Кемени, Дж. Сиел – М.: Наука, 1970. – 272 с.
  4. ГОСТ 12.1.004-91 ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования. – М.: Изд-во стандартов, 1991.
  5. Гнеденко Б.В. Математические методы в теории надежности / Б.В. Гнеденко, Ю.К. Беляев, А.Д. Соловьев – М.: Наука, 1965. – 524 с.
  6. Кельберт М.Я. Вероятность и статистика в примерах и задачах. Том 2. Марковские цепи как отправная точка теории случайных процессов и их приложения / М.Я. Кельберт, Ю.М. Сухов – М.: МЦНМО, 2009. – 586 с.
  7. Чжун Кай-лай Однородные цепи Маркова / Чжун Кай-лай Перев. с англ. – М.: Мир, 1964. – 426 с.
  8. Ковалев А.П. О проблемах оценки безопасности электротехнических объектов / А.П. Ковалев // Электричество. – 1991. – № 8. – С. 50-55.
  9. Лобанова И.С. Оценка пожарной безопасности передвижных подстанций – Автореферат [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://masters.donntu.ru/2008....