Что такое надежность
Надежность в эксплуатации электрооборудования систем электроснабжения является одним из важнейших факторов, оказывающих существенное влияние на экономические показатели энергокомплексов страны.
Cтоимость прекращения подачи электроэнергии в случае аварийного простоя составляет значительную часть суммарных затрат на изготовление и монтаж сети электроснабжения, а для населения такая авария приводит к большим моральным потрясениям. В связи с этим, вопросы совершенствования методов эксплуатации электрооборудования в системах электроснабжения различного уровня являются особенно актуальными. Поэтому особенностью современной электроэнергетики являются повышенные требования к надежности энергоснабжения и качеству электроэнергии.
Прогнозирование надежности объектов энергетических систем, а также разработка стратегий и планирование, модернизация и ремонт электрооборудования – приоритетные задачи государства. Современный подход к решению этих вопросов базируется на применении методов теории надежности и оптимизации работы сложных технологических объектов.
Надежность закладывается при проектировании, обеспечивается при изготовлении и расходуется при эксплуатации. Следует иметь в виду, что показатели надежности позволяют оценить состояние среднестатистического объекта. Это приводит к тому, что в одном случае получаются заниженные, а в другом - завышенные значения. Техническая диагностика позволяет оценить состояние конкретного объекта. Знание о действительном состояние объекта обеспечивается путем его контроля – мониторинга.
При проектировании электроустановка должна создаваться приспособленной к диагностированию и восстановлению, при изготовлении – работоспособной, а при эксплуатации – обеспечивать поддержание работоспособного состояния. Инструментом поддержания заданной надежности являются методы и средства диагностирования.
Понимание основ теории надежности и технической диагностики, знакомство с методами и средствами диагностирования элементов способствует правильному принятию решений при проектировании и эксплуатации электрооборудования в системах электроснабжения.
В качестве объекта рассматриваются электроустановки, под которыми понимается совокупность машин, аппаратов, ЛЭП, предназначенных для производства, трансформации, передачи, распределения электрической энергии и преобразования ее в другой вид энергии.
В состав электростановок входят: генераторы, силовые трансформаторы, автротрансформаторы, реакторы, трансформаторы напряжения и тока, линии электропередачи, распределительные устройства, комплектные трансформаторные подстанции (КТП), распределительные сети, электродвигатели, конденсаторы, средства автоматики и защиты, разнообразные приемники электроэнергии.
Основные понятия и определения
Анализ свода рекомендуемых терминов в надежности электронергетических систем показывает, что если для описания надежности элементов электроэнергетических систем и их электрических сетей формулировки в предложенных терминах вполне адекватно описывают свойства энергетического и электросетевого оборудования, как элементов, то для описания надежности электроэнергетической системы, как системы, эти термины неполны, а иногда даже искажают технологическую сущность описываемых систем.
Принятая формулировка: Надежность - свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения его эксплуатационных показателей в установленных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования.
Поэтому более полная формулировка «надежности электроэнергетической системы» звучит следующим образом: «Согласно основным положениям теории надежности под надежностью работы электроэнергетической системы следует понимать ее свойство сохранять способность выполнения предназначенных функций в любом интервале времени независимо от воздействия внешних условий».
Для надежного электроснабжения необходимо, чтобы все элементы электроустановок, включая генераторы, трансформаторы, фидеры, средства автоматики, защиты и распределения, бесперебойно работали. Каждый из элементов электроустановки вносит свой вклад в надежность электроснабжения.
Надежность электроснабжения — свойство электроустановок обеспечивать потребителей электрической энергией в соответствии с их категорией. По условиям надежности электроснабжения все потребители делятся на три категории.
Электроприемники I категории - электроприемники, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, повреждение дорогостоящего основного оборудования, массовый брак продукции, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства. Из состава этой категории выделяют особую группу электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов, пожаров и повреждения дорогостоящего оборудования.
Электроприемники II категории — электроприемники, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, простоям рабочих механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества людей.
Электроприемники III категории — все остальные электроприемники, не подходящие под определение I и II категорий.
В области систем электроснабжения под надежностью понимают бесперебойное снабжение электроэнергией в пределах допустимых показателей ее качества и исключение ситуаций, опасных для людей и окружающей среды. При этом объект должен быть работоспособным.
Работоспособность — состояние элементов электрооборудования, при котором они способны выполнять заданные функции, сохраняя значения основных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией. При этом элементы могут не удовлетворять, например, требованиям, относящимся к внешнему виду.
Событие, заключающееся в нарушении работоспособности оборудования, называется отказом. Причинами отказов могут быть дефекты, допущенные при конструировании и ремонте, нарушения правил и норм эксплуатации, естественные процессы износа и старения - на основе различных классификационных признаков выделяют разные виды отказов.
По характеру изменения основных параметров электрооборудования до момента возникновения отказа различают внезапные и постепенные отказы.
Внезапный — отказ, который наступает в результате резкого скачкообразного изменения одного или нескольких основных параметров, например: обрыв фаз кабельных и воздушных линий, разрушение контактных соединений в аппаратах.
Постепенным называют отказ, который наступает в результате длительного, постепенного изменения параметров, обычно, по причине старения или износа, например: ухудшение сопротивления изоляции кабелей, обмоток двигателей, увеличение переходного сопротивления контактных соединений. При этом изменения параметра по сравнению с начальным значением во многих случаях могут быть зарегистрированы с помощью измерительных приборов.
Принципиальной разницы между внезапными и постепенными отказами нет, так как внезапные отказы в большинстве случаев являются следствием постепенного, но скрытого от наблюдения изменения параметров (например, износ механических узлов контактов выключателей), когда их разрушение воспринимают как внезапное событие.
Полный отказ характеризует неработоспособный объект, который не выполняет ни одной из заданных функций (отсутствует освещение помещения — перегорели все светильники). При частичном отказе объект выполняет часть функций (в помещении перегорело несколько светильников).
Необратимый отказ свидетельствует о потере работоспособности (перегорел предохранитель).
Обратимый — многократно самоустраняющийся отказ объект а (лампы дневного света то горят, то не горят).
Перемежающйся — многократно самоустраняющийся отказ объекта.
Если отказ объекта не обусловлен отказом другого объекта, то его считают независимым, в противном случае — зависимым. Если отказавший элемент обнаружен при осмотре (разрушена изоляция провода), то отказ считается явным (очевидным). В случае если в отказавшем электрооборудовании при осмотре не удается найти причину его отказа, отказ считается неявным (скрытым).
Отказ, возникший в результате нарушения установленных норм конструирования, называют конструкционным в результате нарушения правил эксплуатации — эксплуатационным. Отказ, возникший в результате несовершенства или нарушения установленного процесса изготовления или ремонта объекта, выполненного на ремонтном предприятии, — технологическим (производственным).
Причина отказа — дефект. Различают: отказ элемента сложного объекта (перегорел предохранитель в сети электропитания квартиры), появление новых связей между элементами (возникло короткое замыкание), нарушение связи между элементами (обрыв провода).
Надежность проявляется только в процессе эксплуатации. В зависимости от специфики электроустановок и условий ее эксплуатации, надежность (в широком понимании этого термина) может включать в себя комплекс таких свойств, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость в отдельности или в определенном сочетании, причем как для электроустановок, так и для отдельных ее элементов.
В узком смысле надежность отождествляют с безотказностью (в «узком смысле»).
Безотказность — свойство технических объектов непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени. Это наиболее важная составляющая надежности элементов электроустановки, зависящая от безотказности элементов, схемы их соединения, конструктивных и функциональных особенностей, условий эксплуатации.
Долговечность — свойство технических объектов сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Для элементов электроустановки предельное состояние определяется невозможностью их дальнейшего использования, что обусловлено либо снижением эффективности, либо требованиями безопасности, либо наступлением морального старения.
Ремонтопригодность — свойство, позволяющее обнаруживать и предупреждать причины возникновения отказов, а также устранять их последствия путем технического обслуживания и ремонта. Ремонтопригодность характеризует большинство элементов электростановок и не имеет смысла только для тех элементов, которые не ремонтируются в процессе эксплуатации (например, изоляторы воздушных линий).
Сохраняемость — свойство технических объектов непрерывно сохранять исправное (новое) ИЛИ работоспособное состояние в процессе хранения и транспортирования. Сохраняемость элементов электроустановок характеризуется их способностью противостоять отрицательному влиянию условий хранения и транспортирования.
Выбор количественных показателей надежности зависит от вида электроэнергетического оборудования. Невосстанавливаемыми называют такие элементы электростановки, работоспособность которых в случае возникновения отказа не подлежит восстановлению в процессе эксплуатации (трансформаторы тока, кабельные вставки). Надежность их характеризуется безотказностью, долговечностью и сохраняемостью.
Восстанавливаемые - объекты, работоспособность которых в случае возникновения отказа подлежит восстановлению в процессе эксплуатации. Примером могут служить электрические машины, и силовые трансформаторы. Надежность восстанавливаемых изделий обусловлена их безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью.
Газовая защита трансформаторов является наиболее чувствительной и универсальной защитой от внутренних повреждений. Она устанавливается на трансформаторах с масляным охлаждением, имеющих расширитель для масла.
Этот вид защиты основан на том, что любые повреждения в трансформаторе, включая повышенный нагрев масла, приводят к химическому разложению трансформаторного масла, а также органических материалов изоляции обмотки, в результате чего внутри трансформатора происходит выделение газа. Этот газ воздействует на специальные приборы газовой защиты, которые подают сигнал предупреждения или производят отключение трансформатора.
Газовая защита реагирует на такие повреждения, как междувитковое замыкание в обмотках трансформатора, на которые дифференциальная и максимально-токовая защита не реагирует; так как в подобных случаях величина тока замыкания оказывается недостаточной для срабатывания защиты.
Характер повреждения в трансформаторе и размеры повреждения сказываются на интенсивности образования газа. Если повреждение развивается медленно, чему соответствует медленное газообразование, то защита дает предупреждающий сигнал, но отключение трансформатора не производит.
Интенсивное и даже бурное газообразование, свидетельствующее о коротком замыкании, создает в системе газовой защиты сигнал такой величины, который помимо предупреждения вызывает отключение неисправного трансформатора. Газовая защита трансформаторов вызывает предупреждающий сигнал и в том случае, когда понижается уровень масла в баке.
Газовая защита трансформаторов осуществляется при помощи специальных газовых реле, монтируемых в металлический кожух, врезанных в маслопровод между баком и расширителем.
Нормально реле заполнено маслом. Кожух реле имеет смотровое стекло со шкалой, указывающей количество скопившегося и реле газа. В верхней части реле имеются кран для выпуска газа и зажимы для подключения проводов к контактам, расположенным внутри реле.
У газовых реле этого типа внутри кожуха на шарнирах укреплены два поплавка, представляющие собой полые металлические цилиндры, а на них — ртутные контакты, соединенные гибкими проводниками с выводными зажимами на крышке реле. Верхний поплавок является сигнальным элементом защиты.
В нормальном состоянии, когда реле полностью заполнено маслом, поплавок всплывает и его контакт при этом разомкнут. При медленном газообразовании газы, поднимающиеся к расширителю, постепенно заполняют реле и вытесняют масло. С понижением уровня масла поплавок, опускаясь, поворачивается на своей оси, при этом происходит замыкание ртутных контактов и посылается предупреждающий сигнал.
При дальнейшем медленном газообразовании реле подействовать на отключение не может, так как оно заполняется газом лишь до верхней кромки отверстия, после чего газы будут проходить в расширитель.
Нижний поплавок, расположенный напротив отверстия маслопровода, является отключающим элементом. Если газообразование происходит бурно, то возникает сильный поток газов из трансформатора в расширитель через газовое реле, при этом нижний поплавок опрокидывается, замыкает ртутные контакты, что приводит в действие аппарат, отключающий трансформатор.
Так как при коротких замыканиях внутри бака трансформатора сразу возникает бурное газообразование, отключение трансформатора происходит быстро, через 0,1—0,3 с. Несколько позже, уже после отключения трансформатора срабатывает и сигнализация.
Для трансформаторов мощностью 6,3 тыс. кВА и выше установка газовой защиты обязательна. Для трансформаторов мощностью от 1000 до 4000 кВА она обязательна только при отсутствии дифференциальной или максимально-токовой защиты с выдержкой времени 0,5—1 с. Для трансформаторов мощностью 400 кВА и выше, устанавливаемых внутри цеха, газовая защита обязательна.