Надежность электроустановок предприятий электросвязи

Общие сведения. Под надежностью понимают способность элемента, узла, блока или системы в целом выполнять свои функции в определенных условиях эксплуатации в течение за­данного времени.

Надежность является одним из наиболее важных критериев оценки технико-экономической эффективности разрабатывае­мых устройств и систем электропитания аппаратуры (систем) связи.

Основными наиболее часто применяемыми количественными характеристиками невосстанавливаемой в период эксплуатации аппаратуры электропитания являются интенсивность отказов X(t), среднее время безотказной работы (наработка на отказ) T₀(t) и вероятность безотказной работы P(t). Под отказом по­нимается выход за допустимые пределы хотя бы одного из ка­чественных показателей источника (системы) электропитания как в установившемся, так и в переходном режимах работы. При расчете надежности проектируемого устройства (систе­мы) электропитания предполагается показательный закон рас­пределения моментов отказа, при котором временная зависи­мость Я (г) подчиняется закону, показанному на рис. 6.17.

Временной интервал At определения надежности устройства (сис­темы) выбирается в области II, так что где количество отказавших элементов в течение времен­ного интервала N_cv — среднее число элементов, исправно ра­ботающих на временном интервале , при условии, что отка­завшие элементы не восстанавливаются и не заменяются но­выми.

Для нёвосстанавливаемой аппаратуры отказ хотя бы одного элемента приводит к отказу аппаратуры в целом, а интенсив­ность отказов устройства (системы) %_у представляет собой сум­му интенсивностей элементов, входящих в устройство (систему):

где п —общее число элементов, входящих в устройство (систе­му).

Интенсивность отказов отдельно взятого элемента зависит от режима загрузки его (по мощности, напряжению, току) и от условий окружающей среды (температура, влажность, механи­ческие воздействия).

В справочниках приводятся значения интенсивности отказов элементовпри номинальном режиме их загрузки и темпера­туре окружающей среды а также значения по­правочных коэффициентов, учитывающих возможную их работу при отличных от номинальной загрузках и условиях эксплуата­ции.

В (6.15) интенсивность отказа элемента должна учитывать значения поправочных коэффициентов

где значение поправочного коэффициента; M —общее число поправочных коэффициентов.

Наработка на отказ (т. е. время наработки аппаратуры до первого отказа) не восстанавливаемых устройств электропитания определяется через суммарную интенсивность отказов устройства:

Вероятность безотказной работы устройства электропитания на заданном интервале функционирования At определяется через интенсивность отказов или через среднее время между отказами Т₀:

В отдельных случаях при определении вероятности безотказ­ной работы ограничиваются первыми двумя ее членами разло­жения в ряд, т. е.:

Вероятность отказа аппаратуры (устройства) электропита­ния Q(t) определяется через вероятность безотказной работы:

Для восстанавливаемой в процессе эксплуатации аппарату­ры электропитания, помимо приведенных параметров количест­венной оценки надежности, применяют также среднее время простоя (восстановления) аппаратуры (узла аппаратуры), ин­тенсивность восстановления аппаратуры, готовность аппаратуры к функционированию.

В общем случае среднее время восстановления т_в аппарату­ры включает в себя время активного ремонта неисправности, а также время, необходимое для диагностирования и определе­ния неисправности. Среднее время восстановления во многом зависит от системы контроля и ее надежности и квалификации обслуживающего персонала. В принципе не всякая неисправ­ность может быть выявлена сразу системой контроля или об­служивающим персоналом. Поэтому различают неисправность, которая может быть выявлена сразу, и так называемую «спя­щую» неисправность, которая с той или иной вероятностью мо­жет быть определена при профилактическом обслуживании и предупредительном ремонте аппаратуры. В дальнейшем будем предполагать отсутствие «спящих» неисправностей.

Наряду со средним временем восстановления t_B широко ис­пользуется обратная величина — интенсивность восстановления

Для восстанавливаемой аппаратуры вместо наработки на отказ необходимо использовать параметры — среднее время между двумя отказами

В реальной аппаратуре электропитания устройств и систем связипоэтому часто среднее время между двумя отка­зами будет равным Т₀ и определяется исходя из (6.4) для вос­станавливаемой аппаратуры. Готовность аппаратуры к функционированию характери­зуется коэффициентом готовностиЧем больше значение параметра Т₀ и чем ближе k_r к еди­нице, тем выше надежность системы (устройства) электропи­тания. В отдельных случаях вместо коэффициента готовности применяют коэффициент просто С целью повышения надежности в источниках (системах) электропитания широко применяется резервирование по бло­кам, устройствам, источникам электрической энергии. Резер­вирование может быть горячим и холодным. При горячем ре­зервировании устройство постоянно включено и либо работает совместно с резервируемым (резервируемыми) устройствами на общую нагрузку, либо находится в режиме холостого хода. Например, в состав каждого комбинированного выпрямителя системы электропитания электронных АТС входят пять посто­янно включенных вольтодобавочных конверторов, тогда как для обеспечения питания аппаратуры от этого комбинированного выпрямителя требуется четыре вольтодобавочных конвертора, т. е. в этом случае мы имеем дело с горячим резервом. Правда, в этом случае более правильно говорить об избыточности числа вольтодобавочных конверторов. В дальнейшем на схемах рас­чета надежности избыточность будем указывать в виде дроби: в числителе число устройств, необходимых для обеспечения пи­тания аппаратуры, в знаменателе — общее число установленных устройств, в частности для нашего примера будем записывать 4/5. При холодном резерве резервирующее устройство нор­мально выключено и его включение происходит только в ре­зультате отказа резервируемого устройства.

Математический аппарат определения показателей надеж­ности. С целью повышения надежности современных систем •электропитания в них широко применяется резервирование от­дельных устройств, блоков, узлов, источников электрической энергии. Поэтому неисправность (отказ) в каком-либо устрой­стве системы не обязательно приводит к отказу системы в це-лом. Система электропитания в общем случае характера зуется п состояниями, (п —1) из которых соответствует обес­печению заданных выходных параметров системы. За исходное состояние принимается такое состояние, когда все элементы системы исправны. Отказ какого-либо элемента (узла, устройства) системы переводит ее из одного состояния в последу­ющее.

Предполагая, что вероятность перехода из одного состояния в другое не зависит от предыстории процесса и что отказы в системе являются случайными событиями, отвечающими пуассоновскому закону, а также имея в виду, что время восстанов­ления элементов Тв'СТ'о, мы тем самым предполагаем возмож­ность применения теории цепей Маркова с использованием так называемых ориентированных графов [19]. Вершины (узлы) графов определяются возможными состояниями системы элек­тропитания, а ребра (ветви), соединяющие между собой узлы, характеризуют возможные переходы системы из одного состо­яния (узла) в другое с интенсивностями, определяемыми ха­рактеристиками надежности и ремонтопригодности элементов.

Покажем построение ориентированных графов (дерева от­казов) на примере п параллельно включенных на общую на­грузку конверторов, (п —1) из которых могут обеспечить пита­ние нагрузки (рис. 6.18, а). Рассматриваемая система харак­теризуется тремя состояниями: состояние 1 — все п конверто­ров исправны (работают с некоторой недогрузкой); состояние 2 — один из конверторов вышел из строя, так что в работе осталось (п —1) конверторов, загруженных на полную нагруз­ку, состояние 3 — соответствует выходу из строя еще одного конвертора и отказу системы питания.

Переход из состояния 1 в состояние 2 характеризуется ин­тенсивностью отказов где Состояние 2 является возвратным — система может перей­ти снова в состояние 1. Интенсивность восстановления опреде­ляется интенсивностью восстановления конвертора р. Переход из рабочего состояния системы 2 в нерабочее состояние харак­теризуется интенсивностью отказов, равной (п —1) . Со­стояние 3 является также возвратным.— интенсивность отказов одного конвертора; а — поправочный коэффициент, учитыва­ющий нагрузку конверторов, а<1.

На основании графа переходов (рис. 6.18,6) составим пе­реходную матрицу. Число строк и число столбцов матрицы равно числу всех состояний системы, следовательно, в нашем случае будем иметь квадратную матрицу М третьего порядка:

Первая строка матрицы заполняется переходами (ветвями) из и в первое состояние. Вторая строка заполняется перехода­ми из и в состояние 2, соответственно третья строка — из и в состояние 3. Ветви, входящие в соответствующий узел строки матрицы, записываются со знаком «+»> а ветви, выходящие из узла со знаком «— ». Диагональные элементы матрицы учиты­вают только ветви, выходящие из соответствующего узла, сле­довательно, диагональные элементы всегда записываются со знаком «—». Все. остальные элементы будут положительны или равны нулю.

В общем случае матрица М имеет вид

где V,j — постоянные величины, представляющие собой алге­браические суммы соответствующих интенсивностей переходов,

При определении наработки на отказ Т₀ системы электро­питания следует учитывать все возможные состояния системы за исключением отказного (r-го состояния). Следовательно, определитель D системы будет иметь порядок, равный (k —1). Он может быть получен из матрицы М вычеркиванием ее &-го столбца и r-й строки: Для нашего конкретного примера определитель системы бу­дет иметь следующий вид: Математическое ожидание случайного времени попадания системы в k-e состояние (состояние отказа) — наработка на отказ системы Т₀ равно: где D₀ — определитель, полученный из определителя системы заменой элементов его первой строки на 1.

Для нашего конкретного примера наработка на отказС целью сравнения полученного результата расчета Т₀ в нашем примере примемтогдаПоскольку в реальной аппаратуре электропитания приме­няется быстрое резервирование и, то

Коэффициент готовности системы может быть вычислен через определитель системы по следующему выражению: Определитель, стоящий в знаменателе выражения (6.28), может быть получен из исходной матрицы М (6.25) отбрасы­ванием нижней строки его и добавлением верхней строки, со­держащей вместо элементов единицы. Аналогично из матрицы М можно получить определитель, стоящий в числителе выра­жения (6.28), только последний элемент добавляемой верхней строки должен быть равным нулю.

В нашем примере выражение для коэффициента готовности примет вид (полагаем а=1) а его решение даетОпределив наработку на отказ и коэффициент готовности, можно вычислить значения среднего времени восстановления и среднее время безотказной работы системы: Современные системы электропитания представляют собой подчас сложную структуру, так что направленные графы (де­рево ошибок) могут быть слишком громоздкими. В этом слу­чае можно рекомендовать разбиение системы электропитания на отдельные участки, которые с позиции надежности оказы­ваются включенными между собой последовательно. Далее строятся графы для каждого из участков, а затем определя­ются количественные показатели системы в целом. Например, в большинстве случаев можно рассматривать раздельно подси­стемы (участки), представленные аппаратурой дистанционного питания, аппаратурой ЭПУ и аппаратурой электроснабжения. Результирующий коэффициент готовности /с_гс, наработка на отказ системы в целом Т_ос определяются через соответству­ющие параметры подсистем: где m — число подсистем, включаемых между собой последо­вательно с позиции надежности.

В случае применения вычислительной техники такое выде­ление подсистем нецелесообразно.

Аккумуляторная батарея как резервный элемент системы электропитания. В настоящее время в ЭПУ предприятий электросвязи широко применяются кислотные аккумуляторы. Согласно ВСН 332—88 на ЭПУ крупных пред­приятий электросвязи применяются двухгруппные аккумуляторные батареи, емкость каждой группы обеспечивает питание аппаратуры в течение 0,5 ч, при максимальном потреблении аппаратурой электроэнергии.

Аккумуляторная батарея как резервный элемент может применяться для электропитания аппаратуры как в случае пропадания сети электроснабже­ния, так и в случае выхода из строя элементов (узлов, блоков) ЭПУ, например стабилизирующих или нестабилизирующих выпрямителей. С этой позиции аккумуляторная батарея может иметь два вида отказов: разрыв цепи аккумуляторной батареи (например, соединения между аккумулятора­ми), приводящий каждый раз к отказу в системе при пропадании электро­снабжения; полный разряд аккумуляторной батареи с последующим ее отключением от нагрузки за время, меньшее времени восстановления элек­троснабжения.

В случае отказа первого вида интенсивность перехода системы электро­питания из состояния, характеризующего отсутствие электроснабжения, в состояние отказа системы определяется суммарной интенсивностью отказов всех элементов последовательной (электрической) цепи аккумуляторной батареи.

Дата добавления: 2014-01-07