Глава 1 Основы теории надежности электрических систем

Глава 1 Основы теории надежности электрических систем

 

Глава 2. Технологические особенности обеспечения надежности в электрических системах

 

 

Свойства электрических систем, влияющие на надёжность их работы

 

§ непрерывность и жесткая связь во времени процессов производства, распределения и потребления электрической и тепловой энергии;

§ вероятностный характер формирования энергетических и тепловых нагрузок, определяемых условиями функционирования энергопотребляющих отраслей промышленности и изменением климатических факторов;

§ зависимость структуры располагаемых энергоресурсов от складывающейся топливной конъюнктуры, работы транспортных систем, обеспечения гидроресурсами;

§ быстрота протекания аварийных процессов;

§ решающее влияние степени надежности электроснабжения на работу всех отраслей хозяйства, социальных структур и условия жизни населения;

§ высокие требования к системе управления ЭС;

§ ограниченность резервов генерируемой мощности;

§ чувствительность ЭС к внезапным отклонениям частоты;

§ наличие в сетях 110-330 кВ большого количества выключателей отключающая способность которых не соответствует уровням токов кз в ЭС, это приводит к секционированию сетей этих напряжений (для ЕЭС);

§ влияние понижения напряжения в распределительных сетях (дефицит реактивной мощности).

 

 

Устройства управления режимом ЭС, влияющие на её надёжность

 

Автоматическое управление ЭС в темпе нормальных или аварийных процессов происходит с помощью автоматических систем и устройств поддерживающих параметры режима в допустимых пределах, помогающих избегать аварийных нарушений или ограничивающих развитие аварий. К ним относятся:

§ Системы АРЧ и ограничение перетоков активной мощности по межсистемным и внутренним связям ЭС (АРЧМ);

§ устройства АРН – трансформаторов;

§ АРВ синхронных машин с форсировкой возбуждения при аварийных отклонений напряжения;

§ устройства релейной защиты, отключающие поврежденные элементы ЭС и устройства АПВ, восстанавливающие схему при неустойчивых кз;

§ устройства АВР (автоматического ввода резервного питания);

§ системы и устройства противоаварийной автоматики, предотвращающие нарушение устойчивости, ликвидирующие асинхронные режимы и аварийные отклонения частоты и напряжения;

§ устройства, обеспечивающие после устранения аварийных нарушений автоматическое обратное включение потребителей;

§ устройства технологической автоматики электростанций и сетей, обеспечивающие устранение опасных для оборудования нарушений технологического процесса или его отключающие для предотвращения повреждений.

§

Трудности обеспечения надежности ЭС и ее живучести

 

Причины:

§ Увеличение количества взаимосвязанных объектов и размеров территории их размещения;

§ рост мощности электростанции;

§ повышение единичной мощности агрегатов (опасно по устойчивости);

§ ввод АЭС;

§ переход к более высоким ступеням напряжения системообразующей сети;

§ усложнением схемы основной сети и ее режимов;

§ увеличение максимальной мощности, передаваемой по межсистемным ЛЭП;

§ увеличение обменной мощности и повышением энергетической взаимосвязи параллельных энергосистем;

§ усложнение управляемости энергообъектов, ЭС и энергообъединений;

§ увеличение «связности» отдельных элементов ЭС, их влияние при аварии друг на друга;

§ усложнение характера и длительности электромеханических процессов.

 

Требования к надежности ЭС при проектировании

 

§ Баланс мощности составляется для зимнего годового графика нагрузки;

§ дается общая оценка достаточности и эффективности средств повышения устойчивости автоматических систем управления, возможные последствия отказа средств релейной защиты, ПА и коммутационных аппаратов;

§ ввод мощности на э/ст определяется условиями покрытия максимальной нагрузки и создания резерва мощности;

§ учитываются снижения мощности из-за ограничения при ее выдаче, снижение мощности планируется приблизительно 10% от установленной.

 

Размер резерва для КЭС, ТЭЦ с агрегатами менее 100 МВт - 2%; 100-135МВт - 3,5%; 150-200 МВт - 4-4,5%; 250-300 МВт - 5%. Для КЭС с энергоблоками от 500 МВт до 1600 МВт - 5,5-7%; для АЭС с реакторами 210-365 МВт - 3%, 440 МВт - 4%; 1000МВт - 5,5%; 1500 МВт - более 6%.

 

Капитальные ремонты и средние ремонты проводятся в период сезонного спада нагрузок. Для ремонтов приняты следующие значения среднегодовой длительности простоя оборудования электростанций: ГЭС и ГАЭС - 4,1%, календарного времени (год), КЭС и ТЭС с агрегатами менее 100 МВт - 2,5%; 100-135 МВт - 3,5%; энергоблоками 150-200 МВт - 3-3,5%, 250-300 МВт - 5,5%; 500-1600 МВт - 6,8%. АЭС с реакторами 210-365 МВт - 10%; 440 МВт - 11,5%; 1000 МВт - 13-13,5%; до 1500 МВт - 14%.

 

Рекомендуемые показатели надежности - среднестатистические значения относительной длительности к нормальной работе аварийного простоя; агрегатов ГЭС - 0,005; ТЭС - 0,02; энергоблоков ТЭС 500 МВт - 0,055; энергоблоков ТЭС 1600 МВт, АЭС - 2000, 1500 МВт - 0,13-0,14.

 

Уровни токов кз (периодической составляющей) на шинах э/ст, п/ст не должны превышать при U=110-150кВ - 31,5кА; 220-330кВ - 40кА; 500-750кВ - 63кА.

 

Рекомендуются принципы построения городской распределительной сети для электроприемников I-III категории.

 

Например, для I категории: двухлучевая схема с двухсторонним питание и АВР на U=0,4кВ двухтрансформаторных подстанций 10/0,4 при подключении взаимно резервируемых линий 10 (6) кВ к разным источникам питания.

 

 

Таблица 3.5

Показа- тели	ГЭС	ГЭС с поперечными связями	КЭС	АЭС
До 100 мвт	>100 мвт	До 100 мвт	>100 мвт	мвт	мвт	мвт	мвт	>550 мвт	мвт
w,1/год Тв,ч
mтек,1/год
Ттек,ч
mкап,1/год	0.2	0.2	0.25	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5
Ткап,ч

Примечание:m_тек,m_кап,Т_тек,Т_кап - частота и длительность текущего и капитального ремонтов.

2.Характеристика надёжности трансформаторов и автотрансформаторов

Таблица 3.6

Номинальное напряжение,кв	Показатели
w,1/год	Тв,ч	m,1/год	Ткап,ч	mкап,1/год	Ттек,ч
	0.005		0.17
	0.01		0.17
	0.02		0.17
	0.02		0.17
	0.02		0.17
	0.04		0.17
	0.03		0.1
<500	0.03		0.1

 

3.Характеристики надёжности выключателей

Таблица 3.7

 

ТИП	Номи-нальное напряже-ние,кв	Показатели
Воздушные		w, 1/год	wл, 1/год	Тв,ч	mкап,1/год	Ткап,ч	mтек,1/год	Ттек,ч
До 20	0.04	0.04		0.2
	0.04	0.08		0.2
	0.05	0.1		0.2
	0.06	0.13		0.2
	0.06	0.15		0.2
	0.07	0.2		0.2
	0.08	0.2		0.2
<500	0.12	0.3		0.12		0.5
Масляные		0.01	0.01		0.17
	0.01	0.02		0.17
	0.01	0.03		0.17
	0.01	0.07		0.17

 

Примечание:

w_л-в цепях ВЛ

w-в остальных случаях

4.Характеристики надёжности воздушных линий

Таблица 3.7

 

тип	Номинальное напряжение,кв	Показатели
w,1/(год100 км	Тв.ч	mтек,1/год	Ттек,ч
двухцепные		1.6/0.4	7/20	2/4	10/10
	1.1/0.3	7/20	3/6	12/12
	0.9/0.2	4/27	4/8	12/12
	0.5/0.1	2/36	5/10	12/12
Одноцепные
	1.4
	1.1
	0.6
	0.5
	0.4
<500	0.2-0.3	20-6

Примечание:

Значения в числителе для одной цепи,

В знаменателе – для двух,

m_тек-для средних длин ЛЭП.

 

5.Характеристики надёжности отделений и короткозамыкателей

 

Таблица 3.8

 

Номинальное напряжение,кв	Показатели
w, 1/год	Тв,ч	mкап, 1/год	Ткап,ч	mтек, 1/год	Ттек,ч
	0.02		0.33
	0.04		0.33

 

6.Характеристики надёжности сборных шин (на одно присоединение)

 

Таблица 3.9

 

Номинальное напряжение,кв	Показатели
w, 1/год	Тв,ч	mтек, 1/год	Ттек,ч
	0.005
	0.01
	0.01
	0.01			3.5

 

Глава IV Структурная надёжность работы основных элементов ЭС

 

Основные понятия и показатели надёжности воздушных линий электропередачи

Воздушным линиям (ВЛ) принадлежит важная роль в работе ЭС и надёжном электроснабжении потребителей. На долю ВЛ 35-750кВ приходится значительная часть отказов и отключений электрического оборудования (~ 35% -50 %)

Причины высокой повреждаемости ВЛ:

§ Влияние климатических воздействий (гололёдно-ветровые нагрузки, атмосферные перенапряжения и т. д.);

§ Доступность ВЛ посторонним вмешательствам (наезды на опоры, обрывы проводов, «расстрел» изоляторов);

§ Сложность контроля технического состояния элементов ВЛ.

 

Изучение надёжности ВЛ имеет цели:

§ Оценку надёжности схем развития ЭС, эл. сетей, систем электроснабжения отдельных потребителей;

§ Анализ конструкций, оборудования, сооружения ВЛ;

§ Технико-экономический анализ вариантов ВЛ сверхвысокого напряжения и выбор конструкций, опор, фундаментов, проводов, уровней изоляции;

§ Анализ и рационализацию системы ремонтов и технического обслуживания ВЛ;

§ Решение задач планирования, управления и производственно-хозяйственной деятельности при эксплуатации ВЛ;

§ Решение задач диспетчерского управления на разных уровнях;

§ Разработка нормативов аварийного запаса оборудования и запасных частей для ВЛ;

§ Разработка рекомендаций и указаний по эксплуатации ВЛ с учётом местных условий;

§ Определение необходимости и степени эффективности мероприятий по повышению надёжности ВЛ.

Надёжность ВЛ 35-750кВ оценивается комплексом показаний из 5-ти групп:

¨ Показатели безотказности;

¨ Ремонтопригодности;

¨ Долговечности;

¨ Комплексные показатели;

¨ Экономические показатели.

1) Под безотказностью ВЛ понимается её свойства непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки. ВЛ – восстанавливаемый объект и её показатель безотказности – параметр потока отказов – в общем случае w(t) – т.е функция времени. На величину «w» влияют: факторы старения и износа элементов, а также плановые ремонты (рис.4.1):

t₁, t₂, t₃, момент времени выполнения капитальных ремонтов;

t -окончание приработки (периода освоения).

 

(4.1)

где

M –математическое ожидание отказов ВЛ;

r(t) –число отказов за время t;

r (t+Dt) число отказов за время (t+Dt);

w (t) –среднее число отказов, ожидаемых в малом интервале времени.

w (t)

w (t)

w_ср (средний)

 

t

0 t₀ t₁ t₂ t₃

 

 

Рис. 4.1

Из анализа причин отказа ВЛ следует:

 

w=w₁(t)+ w₂, (4.2)

где

w –поток отказов ВЛ,

w cвязан с износом и старением ВЛ и зависит от срока службы ВЛ,

w - связан с внешними воздействиями на ВЛ,

Поток отказов «w » вызывается загниванием древесины, коррозией металлических опор, износом арматуры, проводов,тросов, разрушением изоляторов, составляющая потока «w » связана с гололёдно-ветровыми нагрузками, дефектами монтажа, обрывами проводов, ударами молний, ледоходом, пожарами и т.д.

Величина w =const и не зависит от длительной эксплуатации, капитальных ремонтов т.е. определяется случайными причинами.

В эксплуатационной и проектной практике ЭС для ВЛ в период нормативного срока службы пользуются значением среднего потока отказов «w_ср» не зависящего от срока службы ВЛ. Периодичность капитальных ремонтов ВЛ принимается 3-6 лет.

С вероятностью безотказной работы ВЛ связано понятие функции надёжности ВЛ – р(t).

р(t)=1-åр (t)q (t); (4.3)

где

i- возможные состояния ВЛ;

р_i (t) – вероятность нахождения ВЛ в момент времени “t” в состоянии “i”

q_i – вероятность нарушения надёжности ВЛ в момент времени “t” в состоянии “i”.

 

2) Ремонтопригодность ВЛ – свойство ВЛ, заключающееся в её приспособленности к обнаружению причин отказов, предупреждению отказов и восстановлению работоспособности путём технического обслуживания и ремонта. Ремонтопригодность ВЛ определяется следующими основными показателями:

§ средним временем восстановления линии при отказе (Т_в);

§ средней продолжительностью преднамеренных отключений ВЛ (Т_р);

§ средней периодичностью ремонтов (m);

§ cредними трудозатратами на капитальный ремонт и техническое обслуживание ВЛ (N_р).

Рассмотрим содержание отдельных показателей:

Величина «Т_в» - математическое ожидание времени для приведения ВЛ в работоспособное состояние после отказа.

Величина «N_р» для ВЛ 35-750кВ характеризует их потребность в плановых ремонтах и других видах обслуживания. Средние значения величины «N_р» для ВЛ представлены в таблице 4.1

Таблица 4.1

Надёжность двухцепных ВЛ

Доля двухцепных ВЛ в ЭС СНГ: 7% - 35кВ, 26% - 110кВ, 154кВ; 18% -220кВ; 5% - 330кВ

Преимущество строительства двухцепных ЛЭП – сокращение затрат на строительство и эксплуатацию, уменьшение зоны отчуждения и т.п., что позволяет ожидать увеличения их количества.

«Отказ» для двухцепных ВЛ –понятие неоднозначное: и зависит от схемы электроснабжения и роли ВЛ в схеме. Пример: отказ первой цепи или двух является отказом, это зависит от требований потребителей.

Здесь могут быть три варианта:

1. Отказ любой одной цепи двухцепной ВЛ - отказ этой линии или отказ двух цепей.

2. Отказ одной определённой цепи - отказ линии, или отказ двух цепей.

3. Отказ двух цепей – отказ линии.

 

В соответствии с этими вариантами квалифицируются и преднамеренные отключения двух цепей ВЛ.

Структурные схемы расчёта надёжности двух цепной ВЛ в зависимости от понятия отказа.

На рис 4.2 представлены схемы замещения ВЛ по вариантам при анализе структурной надёжности.

w_1,2 w₁ w₂ w_1,2

1 вариант2 вариант w₁

w₁

 

w_1,2

3 вариант w₂

 

 

Рис. 4.2

Статистическая информация для анализа надёжности двухцепныхй ЛЭП состоит из двух групп показателей надёжности:

1 Показатели, характеризующие отказы и преднамеренные отключения двух цепей двух цепной линии одновременно по одной причине:

 

w_1,2; Т_В1,2; m_1,2; Т_Р1,2,

где

w_1,2 - параметр потока отказов двух цепей ВЛ;

Т_В1,2 - среднее время восстановления двух цепей ВЛ;

m_1,2 - средняя периодичность ремонтов двух цепей ВЛ;

Т_Р1,2 - средняя продолжительность преднамеренного отключения двух цепей ВЛ.

 

2 Показатели, характеризующие отказы и преднамеренные отключения любой одной цепи двух цепной линии, вторая цепь в работе

 

w_1-2; Т_В1-2; m_1-2; Т_Р1-2,

где

w_1-2 - параметры потока отказов первой или второй цепи ВЛ;

Т_В1-2 - среднее время восстановления первой или второй цепи ВЛ;

m_1-2 - средний период ремонтов первой или второй цепи ВЛ;

Т_Р1-2 - средняя продолжительность преднамеренных отключений первой или второй цепи ВЛ.

 

В этом случае для первого варианта отказа двух цепной ВЛ имеем следующие значения показателей надёжности:

 

(4.9)

 

(4.10)

 

(4.11)

 

(4.12)

 

где

w_ВЛ – поток отказов двухцепной линии;

m_ВЛ – средняя периодичность ремонтов;

Т_{В ВЛ} – среднее время восстановления ВЛ;

Т_{Р ВЛ} – средняя продолжительность преднамеренных отключений.

 

Для второго варианта: отказа (отказ определённой цепи – отказ линии или двух цепей):

Для одной цепи:

 

(4.13)

 

Для двухцепной ВЛ:

(4.14)

(4.15)

 

(4.16)

 

(4.17)

 

Рассмотрим более детально третий вариант отказа ВЛ (отказ двух цепей – отказ линии). Здесь на рис.4.2 параллельно включённые блоки характеризуют возможные явления наложения отказа одной цепи на отказ (ремонт) второй цепи

 

Поток отказов для схемы, состоящей из параллельно включённых блоков, учитывающей наложение отказов одной цепи на отказы (ремонты) другой, поток отказов составит величину:

 

. (4.18)

 

Заменяя составляющие, (см. 4.13) после подстановки имеем:

 

. (4.19)

 

Среднее время восстановления для схемы из параллельных блоков:

 

, (4.20)

 

где

g - коэффициент, учитывающий наложение отказа одной цепи ВЛ на отказ или ремонт второй цепи.

Этот коэффициент (g) определяется в зависимости от соотношения

 

(4.21)

 

Если а£1, то а если а>1,то имеем:

 

(4.22)

 

Исходя из симметрии блоков в схеме их параллельного соединения значение величины «Т » после преобразований можно записать в виде:

 

, (4.23)

где

Т – среднее время восстановления для схемы из параллельных блоков.

 

Окончательно для третьего варианта отказа ВЛ (отказ двух цепей – отказ ВЛ), исходя из структурной схемы расчёта надёжности двух цепной линий, имеем следующие показатели надёжности:

 

; (4.24)

 

; (4.25)

 

; (4.26)

 

, (4.27)

 

где

- показатели надёжности блока, эквивалентирующего одновременное отключение обеих цепей по одной причине.

 

Таким образом оценка показаний надёжности двух цепных ЛЭП зависит от варианта использования этих линий в схеме электроснабжения потребителей или узла нагрузки и формулировки понятий «отказ двухцепной линии» и «преднамеренное отключение двухцепной линии». При этом меняется численное значение показателей надёжности двухцепной линии в зависимости от варианта её использования и эффективности применения двухцепной линии по сравнению с двумя такими же (U,L) одноцепными.

Рассматривая эффективность ВЛ как соотношение результатов и затрат, произведём её определение:

Расчёт эффективности двух цепной воздушной линии:

 

(4.28)

 

где

К_Т,И - коэффициент технического использования двух цепной ВЛ, т.е. время нахождения в работоспособном состоянии относительно периода её эксплуатации;

К_ВЛ - капитальные вложения в данную линию;

К_Т,И 8760 = Тг;

Тг – общее суммарное время работы ВЛ в течение года.

 

(4.29)

 

где

w_ВЛ – параметр потока отказов двухцепной линии;

m_ВЛ – средняя периодичность преднамеренных отключений ВЛ;

Т_{В ВЛ} – среднее время восстановления двухцепной ВЛ;

Т_{Р ВЛ} – средняя продолжительность преднамеренных отключений.

 

В качестве примера приведём показатели надёжности и стоимости ВЛ 110 кВ, таблица 4.2:

Таблица 4.2

 

Тип ВЛ, U = 110 кВ	Параметр потока отказов, w, 1/год	Тв, ч	m, 1/год	Тр, ч	КВЛ (цены 1980г), т.руб/100 км
одноцепная ВЛ:	0.27	8.8	1.86	15.4
двухцепная ВЛ:	отключена одна цепь	0.35	6.9	3.2	14.8
отключены две цепи	0.04	10.3	0.17	21.8

 

 

Рис.5.5

 

В нормальном режиме нагрузка линий соответствует нормированному запасу статической устойчивости. При отключении Л1 или Л2 Р₃max<Р₁max исходного режима, происходит нарушение устойчивости (рис.5.6). Разгрузкой станции обеспечить сохранение устойчивости невозможно т.к. при этом уменьшается только мощность, выдаваемая в ОЭС. Уменьшить поток мощности, выдаваемый в ЭС можно ¯ Рн_эс или при делении станции. В этом случае (деление станции) Р_т=Р и устойчивость ЛЭП (Л1,Л2) м.б. сохранена, (после аварийного режима); Р₀ ¯ до Р имеем дефицит мощности в ЭС и f ¯. При недостаточном вращающемся резерве в ЭС может действовать АЧР, на мощность отключённых потребителей меньше чем при применении САОН. Деление выполняется отключением выключателя «В» при отключении –Л1 или Л2 и передаваемой мощности, превышающей пропускную способность в после аварийном режиме.

 

Рис. 5.6

 

II-ой этап.

§ Выявление расчётных ремонтных схем, их частот и длительностей, и определение режимов работы для этих схем. Это надо для планирования ремонтов элементов электрических сетей ЛЭП и режимной проработки режимных заявок.

- при выявлении ремонтных схем учитываем плановые и аварийные ремонты ЛЭП.

§ Расчёт устойчивости (статической, динамической и расчёт после аварийного режима при отказах.

§ Расчёт частот, глубин и длительностей перерывов электроснабжения узлов нагрузки для ремонтных режимов.

 

Глава 1 Основы теории надежности электрических систем