Лекция №1. Надежность и ее свойства. Категории потребителей по надежности. Причины и характер отказов объектов. Средства обеспечения надежности. Измерение надежности

Лекции по надежности электроэнергетических систем.

Содержание:

Лекция №1. Надежность и ее свойства. Категории потребителей по надежности. Причины и характер отказов объектов. Средства обеспечения надежности. Измерение надежности. 2

Лекция №2. Классификация отказов оборудования. Показатели надежности невосстанавливаемого элемента. 6

Лекция №3. Показатели надежности восстанавливаемого элемента. Комплексные показатели надежности. 11

Лекция №4. Расчет показателей надежности одноэлементной схемы. 16

Лекция №5. Расчет показателей надежности системы, состоящей из последовательных элементов. Расчет показателей надежности системы, состоящей из параллельно соединенных элементов. Расчет показателей надежности системы с произвольным соединением элементов. Расчет показателей надежности с учетом преднамеренных отключений элементов. 19

Лекция №6. Отражение логики функционирования электрических схем в расчетах показателей надежности. Метод расчета функциональной надежности ЭЭС. Комплексные показатели надежности. Пример расчета недоотпуска электроэнергии. 25

Лекция №7. Режимные характеристики сложных ЭЭС. Метод пересчета параметров режимов и обобщенных параметров при изменении состояния системы. Основные методы структурного анализа систем. Пример расчета структурной и функциональной надежности системы. 30

Лекция №8. Вероятности послеаварийных состояний сложных схем электрических соединений. Метод расчета надежности схем на основе формулы полной вероятности. 33

Надежность и ее свойства.

Под надежностью любого технического объекта понимают его способность выполнять определенные задачи в заданных условиях эксплуатации, применительно к системам электроснабжения – обеспечение потребителей электроэнергией в пределах допустимых показателей ее качества (напряжения, частоты). Из данного определения следует, что:

· надежность является внутренним свойством объекта, заложенным при проектировании и изготовлении; оно проявляется при функционировании объекта;

· надежность проявляется в процессе выполнения заданного объема функций или во времени. Если нет наблюдения за объектом в процессе выполнения им функций, то нельзя сделать и заключений о фактической его надежности;

· надежность по-разному проявляется при различных условиях эксплуатации.

Надежность является сложным, комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации может включать ряд свойств:

· безотказность – непрерывное сохранение работоспособности в течение некоторого времени;

· долговечность – сохранение работоспособности до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта;

· ремонтопригодность – приспособленность к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений объекта и устранению их последствий путем проведения ремонтов и технического обслуживания;

· устойчивоспособность – непрерывное сохранение устойчивости системы в течение некоторого времени;

· режимная управляемость – приспособленность к управлению с целью поддержания нормального режима;

· живучесть – способность противостоять крупным возмущениям, не допуская их каскадного развития с массовым нарушением питания потребителей;

· безопасность – способность не создавать ситуаций, опасных для людей и окружающей среды.

В свою очередь, надежность является элементом еще более общего свойства – качества, под которым понимается совокупность свойств, обуславливающих пригодность системы и ее продукции для удовлетворения определенных потребителей в соответствии с ее назначением.

Надежность системы электроснабжения определяется многими факторами, среди которых следует выделить такой фактор как повреждаемость системы электроснабжения и ее элементов. Надежность системы электроснабжения предполагает бесперебойное питание электроэнергией потребителей, что обеспечивает их бесперебойную работу.

Под бесперебойной работой понимают такой режим, при котором возможные кратковременные перерывы питания по своей продолжительности не приводят к расстройству технологического процесса и существенному ущербу производства.

Чтобы обеспечить надежную работу ответственных потребителей при нормальном и послеаварийном режимах необходимо:

· свести к минимуму число и продолжительность перерывов их электроснабжения;

· обеспечить надлежащее качество электроэнергии для создания устойчивой работы потребителей при нарушениях режима электроснабжения.

Надежность системы электроснабжения, в первую очередь, определяется схемными и конструктивными построениями системы, разумным объемом заложенных в нее резервов, а также надежностью входящих в нее основных составных элементов.

Категории потребителей по надежности.

Согласно ПУЭ все электроприемники подразделяют на три категории с выделением в 1 категории особой группы электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы для жизни людей, взрывов, пожаров и повреждения дорогостоящего основного оборудования.

К электроприемникам 1 категории относятся те, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный материальный ущерб, повреждение дорогостоящего основного оборудования, массовый брак продукции, расстройство сложного технологического процесса, нарушение особо важных элементов коммунального хозяйства.

К электроприемникам 2 категории относятся те, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности городских и сельских жителей.

К электроприемникам 3 категории относятся все остальные, не попадающие под определение 1 и 2 категорий.

Для электроприемников 1 категории перерыв электроснабжения может быть допущен лишь на время автоматического ввода резерва (АВР), т.е. на доли секунды; для особых непрерывных производств предусматривается технологическое резервирование или специальные устройства безаварийного останова технологического процесса, действующие при нарушении электроснабжения.

Для электроприемников второй категории допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной оперативной бригады (десятки минут, единицы часов).

Для электроприемников третьей категории допустимы перерывы до 1 сут.

Частота перерывов в явном виде ни для одной категории приемников не нормируется.

Выбор схем питания и распределения электроэнергии, напряжения и конфигурации питающих и распределительных сетей, мощности, месторасположения и типа подстанций решается комплексно с выполнением в необходимых случаях технико-экономического сравнения вариантов по приведенным затратам. При этом учитывается очень важное условие, а именно: обязательная координация уровня надежности основных звеньев системы электроснабжения таким образом, чтобы надежность повышалась при переходе от потребителей электроэнергии к источникам питания по мере увеличения мощности соответствующих звеньев системы.

Однако надежное питание электроприемников 1 и 2 категории обеспечивают независимо от их места в системе электроснабжения и мощности.

Деление потребителей на категории по надежности и рекомендации по построению схемных решений для электроснабжения каждой категории способствуют обеспечению структурной устойчивости системы во времени.

В целом, система электроснабжения выполняется таким образом, чтобы в условиях послеаварийного режима, после соответствующих переключений и присоединений она была способна обеспечить питание нагрузки потребителя с учетом использования всех дополнительных источников и возможностей резервирования (перемычек, связей на вторичном напряжении, аварийных источников и т.п.).

Для наиболее экономичного резервирования в системах электроснабжения учитывают перегрузочную способность электрооборудования, резервирование технологической части, возможность проведения плановых ремонтов и ревизий электрооборудования в период планово-предупредительных ремонтов технологического оборудования. Кроме того, при аварии предусматривается автоматическая или ручная разгрузка от неответственных потребителей с выделением питания нагрузок 3 категории для возможности их отключения по аварийному заранее имеющемуся графику у потребителей.

Причины и характер отказов объектов.

1. Повреждения и неполадки оборудования, устройств, входящих в систему:

· ошибки, допущенные при конструировании, определении условий и режимов эксплуатации, изготовлении, монтаже или ремонтах оборудования. Эти ошибки, скрытые дефекты обычно проявляются в ранний период эксплуатации, называемый периодом приработки оборудования. Для него в результате указанных ошибок, а также невозможности учета всех скрытых дефектов из-за их неопределенности характерен некоторый пик частоты отказов.

· износ оборудования, приводящий к утрачиванию объектом ряда функциональных свойств. Процесс износа происходит под влиянием постоянно действующих факторов, имеющих случайный и детерминированный характер. Однако естественное завершение процесса износа имеет случайный характер. Этот период называется периодом старения.

· непредвиденные и непредсказуемые воздействия, обычно физического характера, не связанные с периодом предшествующей работы. Эти внезапные по своей природе воздействия даже при отсутствии у объекта видимых ухудшений функциональных свойств приводят к отказам, которые обычно имеют мгновенный характер.

Время между периодами приработки и старения называется периодом нормальной работы объекта.

Перечисленные три группы причин отказов приводят к необратимым изменениям свойств объекта. Но существуют и такие, которые, не вызывая необратимых изменений в физической структуре элемента, проявляются в большинстве случаев кратковременно и только во время своего появления могут нарушать временно работоспособность элемента или системы. Такие временные или самоустраняющиеся отказы называются сбоями, например, перекрытие дугой гирлянды изоляторов ЛЭП, вызванное попаданием молнии в линию, которое устраняется с помощью автоматического повторного включения (АПВ).

2. Ошибочные или вынужденные действия обслуживающего персонала:

· причины, обусловленные недостаточно высокой квалификацией эксплуатационного и ремонтного персонала, недостаточной их натренированностью.

· Причины, обусловленные громоздкостью и сложностью устройств и схем, с которыми эксплуатационному персоналу приходится работать. Например, большое число разъединителей и выключателей на подстанциях повышает вероятность неправильных переключений, могущих привести к ложным отключениям или включениям на короткозамкнутые цепи.

Надежность, определяемая причинами первого класса называют аппаратной, а определяемая причинами второго класса – эксплуатационной.

Однако какие бы виды отказов и виды причин, их вызвавшие, не рассматривались, их неизменно объединяет общий признак: случайность возникновения даже при постепенном накоплении физических изменений. Он позволяет трактовать отказ элемента или системы как случайное событие. Это положение является определяющим при выборе математического аппарата, который целесообразно применять при изучении различных закономерностей отказов элементов.

Средства обеспечения надежности.

Требуемая надежность объекта обеспечивается совокупностью различных средств, которые можно подразделить на: резервирование, техническое обслуживание, ремонт и целенаправленное управление процессами, протекающими в системе.

1. Резервирование – повышение надежности введением избыточности и, в свою очередь, подразделяется на следующие виды:

· структурное резервирование – использование избыточных элементов структуры объекта, т.е. элементов, которые не являются необходимыми для выполнения возложенных на объект функций, например, установка вторых трансформаторов на подстанциях.

· функциональное резервирование – использование способности элементов выполнять дополнительные функции, повышая надежность работы системы за счет перераспределения функций при отказах элементов. При этом происходит более интенсивная работа (загрузка) других элементов, выполняющих до появления отказа более ограниченные функции.

· временное резервирование – использование избыточного времени. Суть его заключается в том, что системе в процессе функционирования предоставляется возможность израсходовать дополнительное время для выполнения задания. Оно оуществляется за счет резерва времени, в течение которого система имеет возможность выполнить задание.

· информационное резервирование – использование избыточной информации.

2. Техническое обслуживание – обеспечение надежности путем выполнения комплекса работ для поддержания работоспособности объекта. Этот комплекс включает в себя систематическое диагностирование состояние объекта, поддержание режимов работы, наиболее благоприятных для надежности, обеспечение благоприятных условий содержания и т.д.

3. Ремонт – обеспечение надежности путем выполнения комплекса работ для восстановления работоспособности объекта. Система ремонта включает в себя предупредительные (текущие, средние и капитальные) и аварийные ремонты.

4. Целенаправленное управление процессами, протекающими в системе – обеспечение надежности путем создания соответствующей системы управления.

Измерение надежности.

Для количественной характеристики свойств надежности вводится один или несколько показателей. Если показатель надежности относится к одному из свойств, определяющих надежность, то такой показатель является единичным, если же он относится к нескольким – то комплексным.

Лекция №2. Классификация отказов оборудования. Показатели надежности невосстанавливаемого элемента.

Классификация отказов оборудования

Отказом называется событие, заключающееся в переходе оборудования с одного уровня работоспособности или функционирования на другой, более низкий, или в полностью неработоспособное состояние. Отказы классифицируются по различным признакам:

1. по степени нарушения работоспособности: полные или частичные. Для части системы электроснабжения отказ одного элемента или группы элементов в одном случае может привести к ограничению потребляемой мощности и энергии, в другом – к полному прекращению электроснабжения потребителей; в первом случае отказ следует считать частичным, во втором – полным.

2. по связи с отказами других элементов: независимые и зависимые.

3. по характеру процессов проявления: внезапные и постепенные. Внезапные отказы проявляются в результате резкого, скачкообразного изменения основных параметров системы, связанные с нарушением условий работы, ошибочными действиями персонала и т.д.; при постепенных отказах наблюдается плавное изменение параметров оборудования в результате старения, износа. Постепенные отказы часто проявляются в форме внезапных.

4. по времени существования: устойчивые и неустойчивые. Устойчивый – это такой отказ, когда для восстановления работоспособности требуется ремонт оборудования; неустойчивый – когда для восстановления работоспособности требуется только отключение оборудования или изменение его режима работы без ремонта.

5. по времени проведения: плановые и неплановые. Плановый отказ – это текущий или капитальный ремонт, сроки проведения которого заранее оговорены. Влияние плановых ремонтов на надежность системы электроснабжения может оказаться весьма существенным, так как возможно наложение на плановый ремонт одного элемента отказа другого, в частности, его резервирующего.

Показатели надежности невосстанавливаемого элемента.

Невосстанавливаемый элемент – такой элемент, работа которого после отказа считается полностью невозможной или нецелесообразной (не подлежит восстановлению).

1. Вероятность безотказной работы – вероятность того, что на заданном интервале времени при заданных условиях и режиме работы не произойдет ни одного отказа:

.

Статистически этот параметр может оцениваться следующим способом. Пусть под наблюдением находится N₀ одинаково работающих объектов. К некоторому моменту времени t из-за отказа части их в работе останется . Тогда статистическая оценка вероятности определяется как:

.

Рис. 1. Вероятность безотказной работы.

2. Вероятность отказа – вероятность того, что на заданном интервале времени при заданных условиях и режиме работы произойдет хотя бы один отказ:

.

; .

Рис. 2. Вероятность отказа.

обладает свойствами интегральной функции распределения:

·

·

· при

3. Частота отказов :

Статистически этот параметр может оцениваться следующим способом: .

Вероятность отказа:

Рис. 3. Частота отказов.

4. Интенсивность отказов - условная плотность вероятности возникновения отказа, определяемая для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ не возник.

Из определения следует, что

Статистическая оценка может быть найдена как

Рис. 4. Интенсивность отказов.

Рис. 5. Интенсивность отказов.

График зависимости интенсивности отказов называется характеристикой жизни объекта (рис. 5). На характеристике явно выделяется три периода, соответствующие преобладающему действию рассмотренных ранее причин. Период 1 имеет повышенную интенсивность отказов, обусловленную повышенной аварийностью на начальном периоде эксплуатации оборудования. По мере «выжигания» дефектов интенсивность отказов уменьшается. Отказы периода 2 обуславливаются в основном только случайными причинами, не находящимися в зависимости от предыдущего срока работы. Они определяют вторую составляющую интенсивности отказов, обычно зависящую от внешних условий эксплуатации. Период 3 имеет повышающуюся интенсивность отказов, обусловленную постепенной утерей объектом ряда его функциональных свойств, т.е. износом. График полной интенсивности получается суммированием рассмотренных трех составляющих и обычно имеет форму корыта, размеры которого зависят от соотношения составляющих.

Между показателями и имеется однозначная связь:

Функция определяет вероятность безотказной работы в интервале [0,t]. Однако если известно, что объект уже проработал исправно до t₁, то можно вычислить вероятность его безотказной работы на последующем промежутке времени [t₁,t₂]. Действительно, объект не откажет на интервале [0,t₂] только в том случае, если он не откажет на интервале [0,t₁], а затем и на интервале [t₁,t₂]. Другими словами, первое событие есть произведение двух других. Тогда на основании теоремы об умножении вероятностей имеем:

,

где - условная вероятность безотказной работы объекта на интервале времени [t₁,t₂], вычисленная при условии, что данный объект работал безотказно в интервале [0,t₁], откуда:

Если ограничиться рассмотрением работы объекта от периода приработки до наступления периода интенсивного старения, то допустимо считать вообще постоянной величиной. В этом случае все показатели надежности упрощаются и принимают вид:

, .

Таким образом, функция распределения времени безотказной работы становится экспоненциальной функцией. Соответственно, дифференциальная характеристика, т.е. плотность распределения функции

.

Существенной особенностью экспоненциального закона является следующее: вероятность безотказной работы на данном интервале [t₁,t₂] не зависит от времени предшествующей работы, а зависит только от длины интервала . Иными словами, если известно, что в данный момент объект исправен, то будущее его поведение не зависит от прошлого:

.

Показатель P (или ) несет наиболее полную информацию о таком свойстве, как безотказность. Однако не всегда в практических условиях таковая имеется. Другой, менее информативной, но наиболее доступной для получения характеристикой является средняя наработка до отказа.

5. Средняя наработка до отказа - математическое ожидание наработки объекта до отказа:

.

Таким образом, средняя наработка до отказа графически представляет собой площадь, лежащую под графиком функции .

Статистическая оценка: , где - время до отказа i-го объекта.

Для экспоненциального закона распределения времени безотказной работы, когда , .

Дата добавления: 2014-01-05