Методы оценки надежности систем энергоснабжения

Аннотация

Рассмотрен метод определения надежности типовой подстанции напряжением 110/10 кВ на примере подстанции Северная. Показано, что лимитирующими по показателям надежности элементами подстанции являются выключатели.

Ключевые слова: система электроснабжения, показатели надежности, отказы электрооборудования.

Надежность системы электроснабжения определяется надежностью ее отдельных элементов (генерирующих агрегатов, линий электропередачи, коммутационной аппаратуры, устройств защиты и автоматики и др.), схемами (степенью резервирования) и режимом (запасами статической и динамической устойчивости), а также жизнеспособностью или живучестью системы, т.е. ее способностью выдерживать системные аварии без катастрофических последствий. Применительно к системам электроснабжения нормальным следует считать режим, при котором потребители обеспечиваются электроэнергией заданного качества и количества в точном соответствии с графиком ее спроса и схемой электроснабжения, предусмотренной для условий длительной работы [1].

Однако, отказы в работе системы неизбежны даже при хорошем качестве оборудования и высоком уровне эксплуатации. Отказы происходят в силу ряда объективных причин случайного характера и, прежде всего, из-за того, что в условиях эксплуатации имеют место нагрузки, превышающие допустимые, учет которых потребовал бы неоправданно больших запасов при проектировании системы.

В соответствии с определением понятия безотказности и заданными рабочими функциями главной схемы типовой подстанции рассмотрим причины отказов для ее элементов. Согласно [2] причинами отказов силовых трансформаторов являются от- ключения, вызванные повреждениями обмоток – витковой и продольной изоляции, переключателей, перекрытиями вводов, повреждениями регулировочных устройств и смежных элементов, а также отключения, вызванные ложными действиями защиты и ошибками персонала.

Повреждение продольной изоляции происходит из-за нарушения электродинамической устойчивости обмоток и недостаточной электрической прочности витковой изоляции в начальной части обмоток, а также из-за дефектов, допущенных при изготовлении. Кроме механических процессов в обмотке происходит и тепловое старение изоляции как результат повышения температуры окружающей среды при плановых и аварийных перегрузках. Отказы высоковольтных вводов трансформатора в основном вызваны загрязнением от химических уносов, а отказы переключателей – механическим износом. Все процессы, развиваясь во времени, постепенно приводят трансформатор к такому состоянию, когда очередное внешнее воздействие, сквозное короткое замыкание или перенапряжение, вызывает механическое или электрическое повреждение изоляции, которое переходит во внутреннее короткое или витковое замыкание [2].

Статистические данные распределения причин отказов электрооборудования подстанций даны в [1]. Основными причинами трансформаторов отказов являются заводские дефекты, грозовые повреждения, неправильная эксплуатация и старение изоляции.

Основные причины отказов вакуумных выключателей: отказы привода, перекрытие изоляции, разрушение вакуумной дугогасительной камеры и сваривание контактов. Значительная часть отказов выключателей происходит при выполнении основной их функции – отключении токов короткого замыкания и в подавляющем большинстве случаев отказ сопровождается коротким замыканием в ячейке, а, следовательно, и на шинах.

Отказы разъединителей проявляются как короткие замыкания, вызванные электрическими и механическими повреждениями – отказ привода, неисправность механизма. Короткие замыкания могут происходить как из-за ошибок персонала (включение на не снятое заземление, отключение рабочего тока), так и из-за повреждения изоляции.

Отказами сборных шин является обесточивание из-за ошибок персонала, из-за электрических и механических повреждений изоляции, ошиновки и разрядников, приводящих к короткому замыканию на шинах, а также из-за ложного действия защиты шин.

Анализ статистических данных распределения причин отказов электрооборудования подстанций показывает, что самыми надежными из рассмотренного оборудования являются разъединители. Это объясняется конструктивными параметрами и условиями работы. Наименее надежными являются выключатели из-за отключения токов КЗ.

Рассмотрим метод расчета надежности энергосистемы на примере подстанции Северная напряжением 110/10 кВ (рис. 1).

Рисунок 1  – Схема напряжения подстанции напряжением 110/10 кВ:

1 – воздушная линия 110 кВ;

2 – шини 110 кВ; 3 – силовой трансформатор; 4 – токопровод;

5 – разъединитель; 6 – вакуумный выключатель; 7 – шини КРУ-10 кВ.

Средние значения показателей надежности элементов электрического оборудования подстанции – потока отказов λ и среднего времени восстановления t_в,полученные на основании статистических данных энергосистем сведены в табл. 1 [3].

Исследуемая система электроснабжения представляет собой последовательное соединение подсистем 110 кВ и 10 кВ. В общем случае, когда имеется n последоваельно соединенных элементов, система отказывает в тех случаях, когда отказывает любой из элементов.

С торона низкого напряжения системы представляет собой параллельное соединение двух цепей, состоящих из последовательно соединенных восстанавливаемых элементов. Параллельное соединение в отношении надежности восстанавливаемых элементов означает, что при отказе одного из элементов система продолжает выполнять свои функции. В целях упрощения расчета можно принять допущение, заключающееся в замене ряда последовательных элементов одним эквивалентным. Для n элементов с параметрами λ_i и t_вi эквивалентный элемент будет иметь параметры λ_э и t_вэ равные:

Расчет показателей надежности подстанции Северная 110/10 кВ проводился с использованием параметров отказов относительно шин 10 кВ, т.е. для потребителей подстанции. Результаты расчетов показали, что интенсивность отказов и время восстановления системы на временной период в 1 год составляют, соответственно, λ_э = 0,129 год^-1, t_вэ = 28,7 ч. При этом коэффициент готовности оборудования ТП Северная на расчетный период принимает значение k_T = 0,9996 а коэффициент вынужденного простоя k_П = 0,0004. Среднее время безотказной работы системы прогнозируется на период T_бр = 7,78 лет.

Внесенные в отраслевой стандарт Минэнерго России и рекомендованные к применению типовые схемы подстанций, обладают высокими расчетными параметрами надежности [4–5]. Применение данных схем является оправданным решением и не требует технико-экономических обоснований. Отклонения от типовых схем должны обосновываться экономией материальных затрат с непременным условием: изменения в схеме не должны снижать надежность электроснабжения потребителей и требований правил охраны труда и промышленной безопасности.

Выводы

1) В результате расчета надежности понизительной подстанции Северная получены основные показатели безотказной работы. На их основании можно сделать вывод, что надежность типовой подстанции данного типа достаточно высока и перерывы в электроснабжении потребителей маловероятны.

2) Анализ статистических данных распределения причин отказов электрооборудования подстанций установил наиболее характерные причины отказов исследуемого оборудования [6–7]. Показано, что самыми надежными из рассмотренного оборудования являются разъединители, что объясняется хорошими конструктивными параметрами и условиями работы. Наименее надежными элементами подстанций являются выключатели.

Литература

1. Конюхова Е. А., Киреева Э. А. Надежность электроснабжения промышленных предприятий. – М.: НТФ Энергопрогресс, 2001. – 92с.
   
2. Игошин Н.В. Инвестиции. Организация управления и финансирования: Учебник для вузов. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2009.
   
3. Зимин А.И. Инвестиции: вопросы и ответы. – М.: Юриспруденция, 2008.
   
4. Воропай Н.И., Ефимов Д.Н., Курбацкий В.Г. и др. Интеллектуальные технологии противоаварийного управления электроэнергетическими системами // Электро. – 2014. – №1.
   
5. Дмитриев С.А., Хальясмаа А.И., Кокин С.Е. Формирование системы оценки технического состояния оборудования подстанций на основе методов нечеткой логики // Электро. – 2014. – №3.
   
6. Пикин Д.Г. Анализ статистики аварий и отказов в электрических сетях напряжением 6 кВ энергосети г. Мурманска // В сб. тр. I Межд. конф. Прикладные исследования и технологии. – М.: МТИ ВТУ, 2014. – С. 38–41.
   
7. Святковский С.И. Когнитивное моделирование как метод прогнозирования эффективности развития энергетических систем // В сб. тр. I Межд. конф. Прикладные исследования и технологии. – М.: МТИ ВТУ, 2014. – С. 46–49.