ДОННТУ   Портал магистров

Королева Евгения Александровна

Факультет интеллектуальной электроэнергетики и робототехники (ФИЭР)

Кафедра электрические системы (ЭС)

Специальность Электроэнергетические системы и сети

Исследование степени надежности электрооборудования электрических сетей

Научный руководитель: к.т.н., доц. Ларина Инна Ивановна

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Актуальность темы
• Введение
• 1. Причины и характер повреждений основных элементов систем электроснабжения.
• 1.1 Воздушные линии электропередачи
• 1.2 Кабельные линии электропередачи
• 1.3 Силовые трансформаторы
• 1.4 Релейная защита и автоматика
• 2. Методы расчета показателей надежности
• 2.1 Средние вероятности состояния элемента
• 2.2 Вероятности отказового и безотказового состояния схем с последовательным соединением элементов
• 2.3 Вероятности отказового и безотказового состояния схем с параллельным соединением элементов
• Список литературы

Актуальность темы.

Актуальность данного исследования обусловлена высокой степенью износа (до 80%) фондов электроэнергетики (сети, оборудование распределения и управления), что, в свою очередь, приводит к снижению их надежности. Исследование надежности электрооборудования электрических сетей позволяет решить одну из главных задач - снабжению потребителей электрической энергией в требуемом объеме и нормативного качества. [1]

Введение.

Надежность является одним из основных ключевых показателей деятельности любой электросетевой компании. Подходы, применяемые к повышению надежности распределительных электрических сетей, нередко носят эмпирический характер, в итоге, не принося должного эффекта с учетом понесенных затрат. В исследовании рассматривается методика формирования мероприятий по повышению надежности электрических сетей. Предлагаемые расчеты позволяют сформировать различные подходы к выполнению задач по повышению надежности, начиная от реализации мероприятий по повышению элементной надежности и заканчивая рассмотрением вариантов повышения сетевой надежности, при различных уровнях автоматизации с учетом их затратной части и уровня достижимого эффекта по снижению параметра потока отказов и продолжительности отключений [2].

Современные инженерные методы создания электрических сетей и организации их эксплуатации предполагают использование количественных оценок надежности, чтобы рационально спроектировать электрические сети и создать высокоэффективную и экономичную систему эксплуатации.

Сложившиеся в теории надежности электрических систем математические методы в основном предназначены для решения задач надежности, возникающих на уровне отдельных устройств и систем локального характера, при этом без учета возможностей и характера эксплуатации. В действительности, в системах электроснабжения приходится иметь дело с большими территориально распределенными системами, при создании системы эксплуатации которых должно учитываться еще и наличие и состояние дорог, обеспеченность средствами связи и телемеханики, географическое расположение ремонтно-эксплуатационных баз и назначение ремонтных бригад [3].

Средства обеспечения надежного электроснабжения условно можно разделить на технические и организационно-технические. Рисунок 1.

Рисунок 1. – Средства обеспечения надежности электроснабжения.

1. Причины и характер повреждений основных элементов систем электроснабжения.

Работу системы электроснабжения можно представить как непрерывный обмен энергией межу системой и потребителями при невозможности ее складирования и непреднамеренных мешающих воздействиях на систему, приводящих к отказу элементов, а в некоторых случаях и системы в целом.

Взаимодействия между системой электроснабжения и внешней средой носят стохастический характер, и говорить о бесперебойной подаче электроэнергии можно только с некоторой вероятностью достижения поставленной цели. [4]

Самым ненадежным элементом СЭС являются линии электропередачи (ЛЭП) из-за их большой протяженности и влияния на них большого числа различных внешних воздействий. В городских сетях около 85 % отключений приходятся на долю ЛЭП, а в сельских сетях - 90...95 %. Отказом линии электропередачи называется всякое вынужденное отключение при ее повреждениях[5].

1.1 Воздушные линии электропередачи

Различают устойчивые повреждения воздушных линий (опоры, провода, изоляторы) и неустойчивые (самовосстанавливающиеся). Последние ликвидируются путем успешного действия устройств автоматического повторного включения (АПВ) или ручного включения[9].

Основными причинами повреждения воздушных линий (ВЛ) являются: грозовое перекрытие изоляции; пережог проводов; повреждение опор и проводов автотранспортом и другими механизмами; дефекты изготовления опор и проводов, изоляторов; падение деревьев; перекрытие изоляции птицами; несоответствие опор, проводов, изоляторов природно-климатическим зонам страны; перекрытие воздушных промежутков на строительные и сельскохозяйственные машины; неправильный монтаж опор и проводов; несоблюдение сроков ремонта и замены оборудования. Внешние воздействия приводят к перекрытию изоляции, разрушению изоляторов, обрыву проводов, падению опор.

Вибрация, «пляска» и обрыв проводов, разрушение опор или их частей сопровождаются одно- и многофазными короткими замыканиями. Отмечается зависимость параметра потока отказов воздушных линий от времени года и срока эксплуатации, при этом возрастание параметра потока отказов при неблагоприятной погоде весьма значительно.

1.2 Кабельные линии электропередачи

Основной причиной повреждений кабельных линий (KЛ) является нарушение их механической прочности строительными машинами и механизмами при земляных работах. По этой причине в городских электросетях происходят 60...70 % всех повреждений КД. Другими причинами старение межфазной и поясной изоляции, электрическая и химическая коррозия покрытия, перегрузка кабеля, попадание влаги в кабель, нарушение изоляции грызунами[6].

Повреждаемость KЛ зависит от способа прокладки KЛ (в земле, блоках, трубах, тоннелях), разности горизонтальных уровней участка КЛ (при больших перепадах происходит стекание масла и осушение изоляции), агрессивности окружающей среды, величины блуждающих токов и наличия защиты от них, интенсивности ведения строительных работ в зоне прокладки KЛ, срока эксплуатации, режима работы.

Электрические пробои чаще происходят не на целом кабеле, а в местах установки соединительных муфт, на концевых воронках, вертикальных участках кабеля.

1.3 Силовые трансформаторы

Этот вид оборудования повреждается значительно реже, чем линии электропередачи, однако его отказ ведет к более тяжким последствиям и восстановление работоспособности требует длительного времени.

Основные причины повреждения силовых трансформаторов: повреждение изоляции обмоток трансформатора из-за дефектов конструкции и изготовления, а также от воздействия внешних перенапряжений в сети и токов короткого замыкания; повреждение переключателей (в основном регулируемых под нагрузкой), обусловленное конструктивными и технологическими; повреждение вводов, в основном при воздействии внешних перенапряжений в сети (перекрытие внешней или внутренней изоляции, механические повреждения, некачественные контактные соединения)[7].

Ремонт трансформаторов больших габаритов производится на месте. Он требует, как правило, выемки керна трансформатора, применения подъемных механизмов и может длиться несколько суток.

Ремонт трансформаторов малых габаритов на напряжение 6-20 кВ производится централизованно в мастерских предприятий электрических сетей.

Основные способы повышения надежности эксплуатации трансформаторов:

- тщательная приемка в эксплуатацию с выполнением контрольных испытаний;

- периодические осмотры и проверки в процессе эксплуатации с соблюдением требуемых сроков и объема испытаний;

- соблюдение режимов работы трансформаторов, не допускающих значительной перегрузки в течение длительного времени;

- установка в сети средств снижения мощности коротких замыканий (реакторов) и величины перенапряжений (разрядников)[8].

1.4 Релейная защита и автоматика

Отказами устройств релейной защиты и автоматики (РЗА) являются: отказы в срабатывании при наличии требования (команды) на срабатывание; ложные срабатывания при отсутствии требования (команды) на срабатывание; срабатывания при несоответствии командного импульса, т.е. неселективные срабатывания.

Причиной этих отказов являются повреждения элементов (резисторов, диодов, транзисторов, тиристоров, конденсаторов, реле), из которых состоят схемы РЗА.

Для резисторов и полупроводниковых приборов характерен отказ типа «обрыв» (до 90 %), для конденсаторов - типа «короткое замыкание» (до 80 %).

Пайки, печатный монтаж из-за плохого их выполнения имеют до 95 % отказов типа «обрыв».

Основным источником отказов реле является контактная система, а причиной отказов - разрегулировка контактов, их сваривание, образование на их поверхности непроводящих пленок из-за коррозии, загрязнения, эрозии.

Для маломощных реле характерны отказы из-за ложных срабатываний под действием вибрационных и ударных нагрузок[10].

2. Методы расчета показателей надежности.

2.1 Средние вероятности состояния элемента

В расчетах надежности систем электроснабжения, так же как в любых других, возникает противоречивая ситуация: с одной стороны – желание иметь точную модель, наиболее адекватно описывающую процессы отказов и восстановлений, с другой – простота расчетов и обеспеченность расчетной модели исходными данными.

Наиболее широкое распространение получили методы расчета надежности, которые исходят из предположения, что система состоит из самостоятельных в смысле надежности элементов. В этих методах отказом элемента считается выход его параметров за пределы допустимых технических норм. Предполагается, что при отказе элемент отключается коммутационными устройствами от остальной части системы[11].

Эти методы расчета не учитывают функциональные зависимости между параметрами режимов отдельных элементов системы электроснабжения, что является их несомненным недостатком. Однако принимая во внимание отсутствие необходимых исходных данных, простоту расчетов и возможность получения количественных оценок надежности для современных сложных систем, на данном этапе развития теории надежности применение таких методов вполне оправдано.

Обычно при расчете показателей надежности по средним знаниям вероятностей состояний элементов используются следующие статистические данные:

1. Параметр потока отказов W, т. е. среднее количество отказов в единицу времени (обычно в год), отнесенное к одному элементу (для простейшего потока отказов W = L). Для линий электропередачи параметр потока отказов обычно относится к 1 км линии [1/(км?г.)].

2. Среднее время восстановления (замены, аварийного ремонта) t в , ч/одно восстановление.

3. Параметр потока преднамеренных отключений элемента Ln, 1/г.

4. Средняя продолжительность одного преднамеренного отключения элемента (в основном для профилактических и капитальных ремонтов оборудования) t пр, ч/одно отключение.

Ненадежность элемента (средняя вероятность отказового состояния) определяется средней вероятностью его суммарного просто вследствие вынужденного отключения из-за повреждений и преднамеренных отключений для профилактики [12]

Вероятность вынужденного простоя

Вероятность преднамеренного отключения

Средняя вероятность отказового состояния (суммарная)

Вероятность рабочего состояния (коэффициент готовности) определяется по формуле

где t 0– время безотказной работы элемента.

Если времена tв, tпр, tр измеряются в годах, то

Приведенные показатели надежности могут характеризовать и систему в целом. Для большей части задач, связанных с технико-экономической оценкой надежности систем электроснабжения, нет необходимости рассматривать показатели надежности на коротких интервалах времени. Поэтому можно не учитывать начальные состояния элементов. К тому же применение для этих целей методов теории массового обслуживания (марковских процессов) встречает большие затруднения вычислительного характера, если система имеет большое число восстанавливаемых элементов и произвольную схему коммутации. Поэтому при расчетах показателей надежности в интервалах времени, равных сезону, году, можно использовать более простые вероятностные модели, основанные на средних значениях вероятностей состояния элементов[11].

2.2 Вероятности отказового и безотказового состояния схем с последовательном соединением элементов

Если расчетная схема по надежности состоит из n последовательно соединенных элементов, то она будет в рабочем состоянии тогда, когда все n элементов будут в рабочем состоянии. Сложное событие – работа всех элементов схемы получается в результате совмещения событий – работы каждого элемента. Применяя теорему умножения вероятностей независимых событий, получаем вероятность рабочего состояния такой схемы:

Вероятность отказового состояния определяется как вероятность события противоположного рабочему состоянию

В практических расчетах обычно используют другой метод определения вероятностей отказовых состояний элементов. В этом способе вероятность отказа схемы определяется как вероятность отказа хотя бы одного элемента. Вероятность этого события определяется с использованием формулы для вероятностей суммы совместных событий:

Для элементов электрических систем характерными являются соотношения, при которых qi << 1. Поэтому при определении вероятности отказового состояния системы из n последовательно соединенных элементов вторым, третьим и т. д. слагаемыми правой части последнего равенства можно пренебречь, как числами более высокого порядка малости. Поэтому в практических расчетах используют формулу

Погрешность расчета при этом не превосходит величины

Если схема последовательно соединенных элементов по надежности соответствует принципиальной электрической схеме соединения элементов, то учитывая, что в реальных условиях профилактический ремонт элементов последовательной цепи производится одновременно, вероятность простоя цепи следует определять по формуле

где г/п.нб — наибольшая из вероятностей преднамеренного отключения цепи из п элементов. [11]

При последовательном соединении элементов в логической схеме надежности вероятности безотказной работы элементов перемножаются, поэтому при экспоненциальном законе распределения вероятность безотказной работы схемы:

Если рассматривается интервал времени, равный 1 году (/ = 1), то

отсюда

т.е. при последовательном соединении параметры потоков отказов складываются.

Следовательно, чем большее число элементов п соединено последовательно в логической схеме надежности, тем больше значение параметра потока отказов системы и тем меньше вероятность ее надежной работы.

Среднее время между отказами, или время наработки на отказ, для такой схемы из п элементов равно[15].

Для схемы из двух последовательно соединенных элементов с одинаковыми параметрами потока отказов, при о =

т.е. с увеличением числа элементов время рабочего состояния системы уменьшается.

Если известны вероятность вынужденного простоя и параметр потока отказов сос, можно определить среднее время одного восстановления (аварийного ремонта) системы в долях года:

2.3 Вероятности отказового и безотказового состояния схем с параллельным соединением элементов

Рассмотрим схему, состоящую из n параллельно включенных элементов при условии независимости отказов каждого элемента и пропускной способности каждого, достаточной для обеспечения всей мощности, необходимой потребителю. Такая система будет в рабочем состоянии при условии работы хотя бы одного элемента.

Вероятность рабочего состояния схемы определяется с использованием формулы для суммы вероятностей совместных независимых событий – работы каждого элемента

Определение вероятности работы системы с использованием этой формулы весьма трудоемка, т. к. необходимо вычислить и сложить (2n – 1) слагаемых. В результате следует учитывать все слагаемые, т. к. их значения близки к единице. Поэтому вероятность надежной работы системы более просто определить по вероятностям отказового состояния элементов. Система будет в отказовом состоянии при условии, если все элементы откажут. Вероятность отказового состояния определяется с использованием формулы для произведения (совмещения) независимых событий – отказов каждого элемента системы: [11]

Вероятность рабочего состояния такой системы определяется как вероятность противоположного события (отказа системы)

Рассмотрим методику определения вероятности отказового состояния системы, состоящей из n параллельно соединенных элементов с учетом преднамеренных отключений отдельных элементов. Причем, одновременно преднамеренно может быть отключено не более одного элемента и во время аварийного восстановления преднамеренные отключения не производятся. Для определения вероятности отказового состояния такой системы целесообразно рассмотреть, помимо вероятности сложного события – отказов всех элементов, также и вероятность n гипотез, в каждой из которых рассматривается вероятность отказа системы при преднамеренном отключении одного элемента. Так как гипотезы независимы вследствие независимости элементов, то вероятность отказового состояния системы определяется как сумма вероятностей отказовых состояний при каждой гипотезе.

При определении вероятностей отказовых состояний при каждой гипотезе введен понижающий коэффициент Кпj < 1, учитывающий уменьшение вероятности наложения аварии оставшейся части схемы на преднамеренное отключение j-го элемента. Обычно продолжительность преднамеренного отключения элементов электрических систем относительно невелика, поэтому при определении вероятности аварийного отказа оставшейся части схемы за это время необходимо учитывать начальные состояния элементов и моделировать процессы отказов и восстановлений марковским процессом. Оставшуюся часть схемы целесообразно при каждой гипотезе представлять как один эквивалентный элемент со свойствами простейшего потока отказов и восстановлений[11].

С усложнением взаимосвязей между элементами расчетную схему по надежности без применения особых приемов невозможно свести к схеме с последовательно-параллельным или параллельно-последовательным соединением элементов. Например, для схемы типа «мостик» или схемы с большим числом поперечных связей правила преобразования последовательно-параллельных или параллельно-последовательных схем надежности неприменимы.

Из аналитических вероятностных методов расчета сложных схем по средним вероятностям состояния элементов рассмотрим три основных:

1) метод анализа вероятностей состояний системы с анализом параметров режимов в каждом состоянии (этим методом определяются параметры при частичных отказах системы);

2) метод, использующий формулу полной вероятности, и основанный на ней метод разложения на множители;

3) метод, использующий структурные представления схемы, т. е. замену сложной схемы эквивалентными относительно узловых пунктов последовательно-параллельными или параллельно-последовательными соединениями элементов[12].

Выводы

1.Проведение реформы энергетической отрасли выдвигает проблему обеспечения надежности электроснабжения в число первоочередных задач государственного управления. В последние годы естественный процесс старения оборудования стал опережать темпы обновления электрических сетей, что привело к снижению надежности электроснабжения потребителей.

2.Управление надежностью в ходе планирования, проектирования, строительства, в процессе технического обслуживания и ремонта нуждается в методическом обеспечении на современном научном уровне и обосновании применяемых технических средств.

3.Анализ статистических данных о технологических отказах в электрических сетях энергосистем указывает на необходимость разработки стратегии, которая позволит улучшить техническое состояние оборудования и повысит надежность электроснабжения потребителей[15].

Список источников

1. Анищенко В. А., Колосова И. В. Основы надежности систем электроснабжения. Мн. : БНТУ, 2007 г.
2. Гутов А. И. Электроснабжение промышленных и сельскохозяйственных предприятий. Ползуновский альманах. № 1. 2004
3. Танкович Т.И. Надёжность электроснабжения ПИ СФУ, 4 курс, Электроснабжение 2009г. , 119 стр.
4. Волков Н.Г. Надежность электроснабжения Учеб. Пособие. Том. политех. ун-т. – Томск, 2003.– 140 с.
5. Воропай Н.И. Надежность систем электроснабжения. Новосибирск: Наука, 2006. – 205 с.
6. Хорольский В.Я., Таранов М.А. Надежность электроснабжения. Ростов-на-Дону: «Терра Принт», 2007. — 128
7. Васильева Т. Н. Надежность электрооборудования и систем электроснабжения. — М.: Горячая линия — Телеком, 2015. — 152 с.: ил.
8. Воропай Н. И. и др. Концепция обеспечения надежности в электроэнергетике. — М.: ООО Изд. «Энергия», 2013.
9. Довлатов И.М. Комплексная оценка применения кабельных, воздушных и самонесущих линий электропередач в районах с малой плотностью нагрузок // Инновации в сельском хозяйстве: электронный журнал ВИЭСХ. Материалы 5-й Межд. научнотехн. конф. молодых ученых. – 2014
10. Герасименко А.А., Федин В.Т. Передача и распределение электрической энергии. Ростов-на-Дону: Феникс, 2008. – 716 с.
11. Лещинская Т.Б., Князев В.В. Многокритериальная оценка технико-экономического состояния распределительных электрических сетей. М.: ФГОУ ВПО МГАУ, 2006. – 100 с.
12. Подобедов П.Н. Методика оценки предложенных конструкций изоляторов и проводов по многокритериальной модели // Инновации в сельском хозяйстве: электронный журнал ВИЭСХ. Материалы 5-й Межд. Научно техн. конф. молодых ученых. 2014
13. Кудряшев Г.С., Третьяков А.Н., Шпак О.Н. Влияние потерь электроэнергии на надежность электрооборудования в сельской электросети 0,4 кВ // Электротехнологии и электрооборудование в АПК. 2021. Т. 68. N1(42). С. 34-38. DOI 10.22314/2658-4859-2021-68-1-34-38
14. M.Ratier, O.Vanackere, E. Chabat-Courrede, J.-L. Lapeyre. Propriete mecaniques, viellissement et C.N.D. de supports en bois. Electrcte de France. Direction des etudes et Recherches, epure 45. Janvier 1995. pp 3-16
15. А.П. Васильев, А.Г. Турлов., Средства обеспечения надежности электроснабжения потребителей. Проблемы энергетики, 2006, № 3-4 с19-35.