МЕТОДЫ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ

Аннотация

Сардалов Р. Б., Логинова Е. Ю. Методы оценки надежности систем энергоснабжения.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

Cистема 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 λ и среднего времени восстановления t_в,полученные на основании статистических данных энергосистем сведены в табл. 1 [3].

Талица 1. Показатели надежности оборудования подстанции Северная 110/10 кВ

Наименование оборудование	λ, год-1	tв, ч
Выключатель ВГТ-110II-40/2500 У1	0,016	5
Кабельная линия 10 кВ	0,0125	12
Трансформатор ТДТН-16000/110.	0,03	95
Разъединитель РДЗ-110/1000–УХЛ1	0,001	6
Вакуумный выключатель ВВ/TEL-10	0,009	20
Шинопровод, шины КРУ-63	0,03	7

Исследуемая система электроснабжения представляет собой последовательное соединение подсистем 110 кВ и 10 кВ. В общем случае, когда имеется n последовательно 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 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. – 92 с.

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.

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.