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 отключения, 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).

Средние значения показателей надежности элементов электрического оборудования подстанции – потока отказов и среднего времени восстановления tв, полученные на основании статистических данных энергосистем приведены на рисунке 2 [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. Сторона 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 tвi эквивалентный элемент будет иметь параметры tвэ равные:

Расчет показателей надежности подстанции Северная 110/10 кВ проводился с использованием параметров отказов относительно шин 10 кВ, т. е. для потребителей подстанции. При этом коэффициент готовности оборудования ТП Северная на расчетный период принимает значение kT = 0,9996 а коэффициент вынужденного простоя kП = 0,0004. Среднее время безотказной работы системы прогнозируется на период Tбр = 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

• 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.
• 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.

Список использованной литературы

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.