CC BY
21
УДК 621.311
ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЦЕХОВЫХ СЕТЕЙ
А.И. ФЕДОТОВ, Е.И. ГРАЧЕВА, О.В. НАУМОВ Казанский государственный энергетический университет
Для систем внутрицехового электроснабжения возникает задача определения характеристик функционирования для всего периода эксплуатации. На основании приведенных вычислений выявлены элементы сетей, оказывающие значительное влияние на структурные и функциональные параметры системы электроснабжения.
Усложнение структуры и функций внутрицеховых электрических сетей, характерное для настоящего времени, предполагает более высокую степень их совершенства. Однако сложность электрических сетей увеличивает число взаимосвязанных элементов, а следовательно, и вероятность нарушений в выполнении их функций.
Случайные, непредвиденные причины могут привести к нарушению функционирования как отдельных элементов электрической сети, так и части её, что вызывает прекращение подачи электроэнергии потребителям либо недопустимое снижение её качества у части или у всех потребителей. Такими причинами могут быть: несовершенство эксплуатации, ошибки при
проектировании и сооружении объектов и т.п.
При исследовании общих закономерностей, определяющих долговечность работы различных технических устройств, возникают объективные условия решения проблем надежности не только в качественном, но и в количественном аспекте. Надежность при этом оценивается количественно, как вероятность того, что характеристики объекта будут находиться в пределах технических норм на протяжении заданного периода времени при заданных условиях эксплуатации.
В последнее время возникла необходимость разработки методов оценки качества функционирования электрических сетей. Разработка этих методов отличается значительной трудоёмкостью и предполагает детальную информацию о характеристиках случайных процессов в элементах цеховых сетей.
Прогнозирование эффективности функционирования электрических систем внутризаводского электроснабжения основывается не только на знании технологии и экономических характеристик потребителей, но и на показателях надежности различных подсистем электрической системы, в частности подсистем распределения электроэнергии. Для них характерны: многочленность элементов; сложность структур; наличие элементов как непрерывного действия (линии), так и дискретно-непрерывного действия (коммутационная и защитная аппаратура).
В существующих электрических сетях 0,4 кВ резервирующие элементы выбираются и осуществляются таким образом, что при отказе одного элемента в другом не возникает недопустимых режимов и он полностью обеспечивает выполнение функций при отказе первого. Отказ системы относительно узлов нагрузки может наступить только при отказе двух взаиморезервирующих элементов. Указанные обстоятельства, характерные именно для цеховых сетей, обусловливают необходимость условного подразделения надежности электрических систем на структурную и функциональную. Электрическая система внутризаводского электроснабжения, в частности ее подсистема распределения электрической энергии - цеховая сеть, состоит из высоконадежных
© А.И. Федотов, Е.И. Грачева, О.В. Наумов Проблемы энергетики, 2004, № 9-10
элементов, когда время безотказной работы во много раз больше времени восстановления элементов, и отказ более двух независимых элементов - событие маловероятное.
Как известно, по особенностям структуры электрической сети можно судить об особенностях выполнения её функций. Поэтому структура является одним из основных факторов, обусловливающих надежность современных систем. Исследование структуры предполагает выделение в системе, как едином целом, отдельных элементов, самостоятельных в смысле надежности, т.е. на второй план отходят функциональные зависимости между параметрами режимов элементов. Этот подход к надежности предполагает применение так называемых элементных методов расчета и анализа надежности, которые широко распространены не только в энергетике, но и в других областях техники.
Применение элементных методов расчета надежности на современном этапе оправдано не только реальными особенностями функционирования, но и задачами, которые могут быть решены при реальных возможностях получения информации об отказах оборудования и режимах его работы.
При применении элементных методов отказом элемента считается выход его параметров (электрических, механических, тепловых и т.д.) за пределы, при которых он перестает выполнять свои функции.
При расчетах этими методами количественно не анализируются функциональные зависимости между параметрами режимов отдельных элементов электрических сетей, что является их несомненным недостатком. Однако простота расчетов и возможность получения количественных оценок надежности позволяют считать применение элементных методов расчета оправданным.
Оценка функционирования производится на этапе проектирования, реконструкции или при эксплуатации. Поэтому необходимы методы оценки надежности, позволяющие использовать минимум исходных данных и в то же время обеспечивающие достаточно достоверные результаты.
В последнее время количественные оценки надежности цеховых сетей начинают использоваться и при эксплуатации для управления уровнем надежности. При этом возникают специфические задачи оценки вероятностных характеристик таких систем. Решение их предусматривает наличие информации о фактическом состоянии элементов, более определенных сведений (по сравнению с проектными задачами) о режимах работы оборудования.
В цеховых сетях с большим количеством взаимосвязанных элементов автоматической коммутационной аппаратуры значительное влияние на надежность оказывает не только структура схемы, но и надежность функционирования автоматики и коммутационной аппаратуры.
В общем случае техническое состояние электрического контактного соединения является функцией тока, площади контактного соединения, момента затяжки (для резьбового соединения), а также зависит от наличия коррозии, нагара и т.д. По превышению температуры контактного соединения над температурой окружающей среды возможно косвенно оценить техническое состояние контактного соединения с учетом влияющих на него факторов [1].
На основании статистических данных эксплуатации ряда промышленных предприятий г. Казани: АО «Сантехприбор», АО «Хитон», ОАО «Казанский завод медицинской аппаратуры», ЖБИ определены виды законов распределения и получены основные характеристики функционирования различных видов электрооборудования цеховых сетей (см. таблицу).
Оценим достоверность найденного параметра потока отказов, т.е. определим доверительные границы, в которых находится действительная величина параметра потока отказов для данного типа элементов.
Доверительные границы могут быть определены лишь с некоторой вероятностью, называемой доверительной вероятностью, или коэффициентом доверия. Выбор величины доверительной вероятности в большей степени зависит от цели исследования. Опыт показывает, что доверительная вероятность 0,95 или
0,9 вполне достаточна для практических целей.
В результате исследований коммутационной способности и режимов работы низковольтных коммутационных аппаратов получены зависимости влияния числа циклов включения-отключения на надежность работы контактов автоматов различных серий (рис. 1, рис. 2). Видно явное изменение вероятностей безотказной работы контактов автоматов от числа циклов включения-отключения. Например для аппаратов серии А разница от значений при 1000 и 8000 операций достигает изменения на один порядок в первом знаке после запятой при коэффициенте загрузки 1, 3.
И
Рис. 1. Влияние числа циклов операций включения-отключения на надежность работы
контактов автомата серии А
р
Рис.2 Влияние числа циклов операций включения-отключения на надежность работы
контактов автомата серии АЕ
Определим вероятность безотказной работы схемы цеховой сети, представленной на рис. 3.
Установлено, что эмпирические функции распределения аппроксимируются экспоненциальным законом.
Рассмотрим допущение, позволяющее реальную схему СЭС при оценке ее надежности заменить на эквивалентную: определение входа и выхода системы, т.е. точек, относительно которых определяется надежность электроснабжения; все источники питания соединяются в одну точку, и эта точка принимается за абсолютно надежную.
В электрических схемах электроснабжения с двумя источниками питания логическая схема не может быть сведена к последовательно-параллельным соединениям из-за наличия секционных выключателей. Логическая схема эффективности функционирования электрической расчетной схемы представлена на рис. 4. После преобразования последовательных цепей получаем схему, которая включает в себя «мостик» - секционный выключатель на шинах низкого напряжения. Определение показателей надежности для такой схемы возможно при использовании следующих методов: метода перебора возможных состояний схемы с анализом параметров режимов в каждом состоянии; метода использования формулы полной вероятности и основанного на нем метода разложения на множители [2].
Р- резьбовое соединение, П- соединение опрессовкой, С- сварное соединение
Для определения вероятностей надежной работы или отказа целесообразно использовать формулу полной вероятности. Для определения вероятности надежной работы она интерпретируется следующим образом. Вероятность события работы системы относительно узла вычисляют как сумму произведений вероятностей несовместимых гипотез (либо работа, либо отказ любого элемента) на вероятность события работы оставшейся части схемы при этой гипотезе. Иными словами, эффективность работы схемы равна сумме произведения вероятности безотказной работы г-го элемента схемы на вероятность безотказной работы оставшейся схемы (места подключения г-го элемента замкнуты) и произведения вероятности отказа того же г-го элемента схемы на вероятность безотказной работы оставшейся схемы (места подключения г-го элемента разомкнуты). Относительно любого элемента схемы «мостик» можно рассматривать две несовместимые гипотезы: работа элемента с вероятностьюр и отказ его с вероятностью д. В качестве такого элемента в схеме выбираем секционный выключатель.
Тогда, применяя формулу полной вероятности, нетрудно свести ее к сумме двух схем: последовательно-параллельной и параллельно-последовательной.
Вероятность безотказной работы схемы
Рс = Р5 К1 - 4142 XI- 43 44 )]+ 45[1 - (1 - Р1Р2 X1 - Р3 Р4 )]= 0,99998983 .
В этом выражении: (1 - 4142 )(1 - 4344) - вероятность безотказной работы схемы при первой гипотезе - безотказной работе секционного выключателя; [1 -(1 - Р1Р2 Х - Р3 Р4 X - вероятность безотказной работы схемы при второй гипотезе - отказе секционного выключателя; р5 - вероятность первой гипотезы; 45 - вероятность второй гипотезы.
Критерием эквивалентности является равенство математических ожиданий и дисперсий показателей надежности.
Оценим вероятность безотказной работы схемы с помощью
экспоненциального закона распределения отказов Р(*)= е[3]. За расчетный период примем срок эксплуатации 30 лет.
Рис. 5. Вероятность безотказной работы схемы:
1 - без учета коммутационных аппаратов при кз = 0,3.
С учетом коммутационных аппаратов: 2 - при кз = 0,3 и количестве операций ВО 2 цикла/сутки; 3 - при кз = 0,9 и количестве операций ВО 12 циклов/сутки;
4 - при кз = 1,3 и количестве операций ВО 20 циклов/сутки
Как проиллюстрировано на рис. 5, отношение вероятностей безотказной работы схемы без учета контактных соединений и с учетом контактных соединений с течением времени увеличивается, что показывает существенное влияние контактных соединений коммутационных аппаратов на эффективность функционирования цеховых сетей. Цеховые сети промышленных предприятий -наиболее разветвленные и протяженные с большим количеством последовательных соединений. Поэтому при оценке характеристик надежности требуется учет эксплуатационных характеристик коммутационных аппаратов и контактных соединений.
Summary
For systems of electrosupply there is a task of definition of the characteristics of operation for all period of maintenance. On the basis of the given calculations the units of networks rendering significant influence on structural and functional parameters of the system of electrosupply are detected.
Литература
1. РД 34.45-51.300-97. Объемы и нормы испытаний электрооборудования. - М.: НЦ ЭНАС, 2001. - 256 с.
2. Конюхова Е.А., Киреева Э.А. Надежность промышленных предприятий. -М.: НТФ «Энергопрогресс», 2001.- 92с.
3. Калявин В.П., Рыбаков Л.М. Надежность и диагностика электроустановок. - Йошкар-Ола: Мар. гос. ун-т, 2000. - 348с.
Поступила 14.05.2004
