Развитие науки о надежности электрических систем. Ее особенности и задачи

 

Проблема надежности электрических систем относиться к задачам определения и оптимизации их показателей на этапах планирования, проектирования, сооружения и эксплуатации. Надежность - свойство объекта или технического устройства выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки. (ГОСТ 27.002-83).

 

Объект - предмет целевого назначения, рассматриваемый в период проектирования, производства, эксплуатации, изучения, исследования и испытания на надежность (объектами могут быть системы и их элементы, в частности сооружения, установки, технические изделия, устройства, машины, аппараты, приборы и их части, агрегаты и отдельные детали.

 

В технике надежность имеет точное значение. Она может быть определена, рассчитана, оценена, измерена, испытана, распределена между отдельными частями системы, объекта, аппаратуры.

 

Первые систематические попытки изучения надежности и создания ее теории связаны с техническим прогрессом в 40-50 годах, когда недостаточная надежность стала тормозом на пути реализации новых идей в авиации, кораблестроении, ракетостроении, радиотехники, ядерной и космической промышленности.

 

Применительно к энергосистемам основные принципы расчета надежности были даны в 30-40-х годах. Первые серьезные работы в области надежности энергосистем были посвящены расчетам резерва. Теория надежности применительно к энергосистемам имеет ряд особенностей и опирается на спецдисциплины («Электрические системы и сети», «Переходные процессы в энергосистемах», «Электрические машины», «Релейную защиту и автоматику»).

 

Наука о надежности занимается анализом общих закономерностей, определяющих долговечность работы различных устройств и сооружений, разработкой способов предупреждения отказов на стадиях проектирования, сооружения, эксплуатации, оценивает количественно вероятность того, что характеристики объекта будут в пределах технических норм на протяжении заданного периода времени. Математический аппарат теории надежности основан на применении таких разделов современной математики как теория случайных процессов, теория массового обслуживания, математическая логика, теория графов, теория распознавания образов, теория экспертных оценок, а также теория вероятностей, математическая статистика и теория множеств. Проблема надежности в технике вызвала к жизни новые научные направления такие как теория надежности, физика отказов, техническая диагностика, статистическая теория прочности, инженерная психология, исследование операций, планирование эксперимента и т.п.

 

В практической деятельности инженеру-энергетику приходиться принимать различные решения. Например, выбирать проектный вариант энергосистемы или ее части, производить реконструкцию ее сетей и станций, назначать режимы. В энергетике на выбор решения влияет большое количество факторов. Одни из них можно численно проанализировать и сократить область вариантов решения. Другие не имеют теоретической ясности для количественного описания. Появляется неопределенность, преодолевать ее помогают знания, опыт, интуиция, качественный анализ. Появляется риск выбора неоптимальных и некачественных решений. Среди других факторов, надежность имеет особое место, ее надо учитывать всегда. Последствия от ненадежности такие серьезные, что требуется постоянное совершенствование методов проектирования, строительства, эксплуатации энергосистем, позволяющих полнее учитывать надежность. Основной задачей энергосистем является снабжение потребителей электроэнергией в нужном количестве и при необходимом качестве. На это влияют непредвиденные причины - отказы или аварии в энергосистемах, перебои в топливноснабжающей системе, нерегулярное поступление топлива, гидроресурсов и т.п. Известны различные средства, повышающие надежность энергосистем: релейная защита от коротких замыканий, автоматические повторные включения, автоматический ввод резерва, автоматическое регулирование возбуждения, автоматическая частотная разгрузка, автоматическое регулирование частоты и мощности, автоматизация генераторов, автоматическое отключение генераторов на гидростанциях. Кроме этого, специальные схемные и режимные мероприятия по повышению надежности (неполнофазные режимы, плавка гололеда, дублирование генераторной мощности, увеличение пропускной способности межсистемных связей, трансформаторных подстанций, специальное автоматическое отключение нагрузки при системных авариях, резервирование мощности). Деление потребителей на категории по надежности и рекомендации по построению схем способствует обеспечению структурной надежности энергосистем.

 

От надежности электроснабжения зависят промышленность, быт, сельское хозяйство. Зависимость эта такая сильная, что ее нарушение приводит к огромному материальному ущербу имеющему масштабы национального бедствия. Например, Нью-Йоркская авария в ноябре 1965г в США привела к тому, что на территории с населением 30 млн. человек более 10 часов была приостановлена жизнедеятельность, ущерб оценивался приблизительно 100 млн. долларов. Последовавшие за ней десятки подобных аварий завершились аварией 13 июля 1977 года в Нью-Йорке с еще более тяжелыми последствиями. В течение 25 часов была парализована жизнь одного из крупнейших городов мира. Ущерб составил приблизительно 1 млрд. долларов. Чернобыльская авария на атомной электростанции - самая страшная. Ущерб оценивается сотнями млрд. долларов.

 

В энергосистемах последние несколько десятков лет наблюдается тенденция укрупнения всех элементов, увеличение их единичной мощности. Так, например, в энергетике СССР за период с 1970г по 1985 год возросла степень концентрации генерирующих мощностей: количество ТЭС и АЭС мощностью 2000 МВт и более достигло 28, ГЭС мощностью 2000 МВт и более - 6; наибольшая мощность агрегата ТЭС увеличилась с 800 до 1200 МВт, АЭС - с 365 до 1500 МВт, ГЭС - с 500 до 640 МВт. Мощность наиболее крупных электростанций достигла: ТЭС - 4000 МВт, АЭС - 4000 МВт, ГЭС - 6000 МВт (против соответствующих значений 1970г - 3000, 575 и 5000 МВт). Технический прогресс в развитии генерирующих мощностей проявился также в увеличении с 1970 по 1985г доли конденсационных энергоблоков на сверхкритические параметры пара, а также доли теплофикационных агрегатов на давление пара 13-24 МПа. Общая протяженность (в одноцепном исчислении) линий напряжением 220 кВ и выше - с 9,8 до 35,9 тыс. км. (в том числе 750 кВ - с 0,1 до 4,35 тыс. км, 1150 кВ с 0 до 0,9 тыс. км).

 

Указанные обстоятельства привели к тому, что обеспечение надежности энергетических систем стало ключевой проблемой современной энергетики. Связь между энергосистемой, ее элементами и внешней средой носит стохастический (вероятностный) характер и можно говорить лишь о вероятности полного достижения энергосистемой своей цели - передачи электроэнергии потребителю. Поэтому надежность работы энергосистемы всегда включает отказ (нарушение). Неполнота надежности энергосистемы дает потери выходного эффекта ее работы, на практике - недоотпуск энергии потребителям.

 

Теория надежности энергосистем основывается на вероятностно-статистической природе ее поведения. В последнее время с увеличением системных аварий, разрабатываются методы оценки вероятности и путем их каскадного развития, обусловленных отказами автоматики и коммутационной аппаратуры, возникновение недопустимых режимов работы элементов. Так как отказ элемента при обширной зоне действия на другие элементы вызывает необходимость работы автоматических коммутационных аппаратов, которые тоже могут отказать. Возникает задача составления расчетных схем по надежности.

 

Для применения при анализе надежности энергосистемы теории вероятности энергосистема должна быть избыточной (избыточность - дополнительные средства и возможности для выполнения энергосистемой заданных функций). Избыточность энергосистемы выступает в следующих формах.

 

1.Резервирование (повышение надежности дублированием элементов и функций, предоставление дополнительного времени для выполнения задачи, использование избыточно информации при управлении);

2.Совершенствование конструкций и материалов из которых сделаны элементы энергосистемы, повышение их запасов прочности, долговечности, устойчивости неблагоприятным явлениям внешней и внутренней среды;

3.Совершенствование технического обслуживания, оптимизация периодичности и глубины капитальных и профилактических ремонтов, снижение продолжительности аварийных ремонтов;

4.Совершенствование систем контроля и управления процессами в электрических системах.

 

Проблема надежности управления энергосистем (как и других технических систем) за последние 2-3 десятилетия резко обострилась. Это вызвано следующими причинами:

 

1. Резким увеличением сложности энергосистем, включающих миллионы потребителей, тысячи узлов и элементов;

2. Экстремальностью условий эксплуатации многих элементов энергосистем (высокие скорости, ускорения, температуры и давления, вибрация, повышенная радиация и т.д.);

3. Повышение требований к качеству работы (эффективность, высокие параметры энергии);

4. Увеличение ответственности функций выполняемых энергосистемой, высокой экономической и технической ценой отказа);

5. Полной или частичной автоматизацией, широким использованием ПЭВМ для управления, и как следствие, исключением или уменьшением непосредственного контроля человеком работы энергосистемы и ее элементов.

 

 

1.2 Основные понятия, термины и определения надежности электрических систем

 

 

§ Надежность электрической системы (объединения) - способность выполнения ей основной функции - бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергией требуемого (нормативного) качества и исключение ситуаций опасных для людей и окружающей среды. Это термин комплексного характера, по функциональному признаку имеем понятия структурных составляющих электрической системы.

 

§ Надежность системы генерации - способность электростанции поддерживать требуемый баланс мощности при нормативном значении частоты.

§ Надежность основной электрической сети - способность устойчиво передавать мощность из частей энергосистемы с избытком в части с ее дефицитом.

§ Надежность распределительной сети - способность этой сети поддерживать бесперебойное питание узлов нагрузки (отдельных потребителей или их групп).

 

Кроме этого различают:

§ Надежность в установившемся режиме электрической системы - способность обеспечения баланса мощности и электрической энергии при нормативном качестве электроэнергии.

§ Надежность электрической системы в переходном процессе - способность электрической системы и ее отдельных структурных частей противостоять нарушениям режима и обеспечивать электроснабжение потребителей.

 

§ Уровень надежности определяется относительным значением недоотпуска электроэнергии потребителям. Его причинами м.б.:

¨ оперативные ограничения и отключения потребителей диспетчером для ликвидации аварии или ее предупреждения;

¨ оперативные отключения в электроустановках персоналом для спасания от повреждения оборудования и предупреждения нарушения технологического процесса в условиях резкого снижения качества электрической энергии;

¨ автоматические аварийные отключения питающих элементов или полное погашение питающих подстанций из-за аварийного нарушения схемы ЭС;

¨ автоматическое отключение электроприемников и установок потребителей от действия противоаварийной автоматики при аварийных режимах электрической системы или уменьшения частоты или напряжения.

 

Надежность электрической системы является комплексным показателем, определяющим ее свойства длительно сохранять во времени и устойчиво воспроизводить в процессе эксплуатации свои рабочие характеристики и параметры. Надежность электрической системы обеспечивается такими свойствами как безотказность, долговечность, ремонтопригодность, устойчивоспособность, управляемость, живучесть, безопасность, качество.

 

§ безотказность электрической системы (сети) - ее свойство непрерывно сохранять работоспособность в течение заданного интервала времени;

§ работоспособность электрической системы (сети) - выполнение ею функций с заданными параметрами электрической энергии;

§ долговечность электрической системы (сети) - сохранение ею работоспособности до предельного состояния (т.е. снижения качества передаваемой энергии, эффективности ее транспорта, снижения безопасности эксплуатации);

§ управляемость электрической системы (сети) - приспособленность ее к управлению с целью поддержания в ней установившегося режима работы;

§ ремонтопригодность электрической системы (сети) - приспособленность к предупреждению и обнаружению причин отказа (события, заключающегося в нарушении работоспособности) отдельных элементов и их устранения;

§ безопасность электрической системы (сети) - не допускание в ней ситуаций опасных для людей и окружающей среды;

§ живучесть электрической системы - свойство системы противостоять возмущениям не допуская их каскадного развития с массовым нарушением питания потребителей;

§ качество электрической системы (сети) - совокупность свойств, определяющих степень пригодности системы по назначению;

Кроме этого электрическим системам и их элементам как объектам (системам) для исследования надежности присущи в полной или частичной мере следующие свойства:

§ старение - процесс постепенного изменения параметров, вызываемый действием различных факторов, независимых от режима работы объекта;

§ износ - процесс постепенного изменения параметров, вызываемый действием факторов, наличие которых зависит от режима работы объекта;

§ резервирование - способ повышения надежности объекта путем включения дополнительных элементов при проектировании или в процессе эксплуатации, а так же за счет использования избыточной информации или избыточного времени;

§ гибкость - приспособленность объекта к сохранению работоспособности путем обеспечения различных режимов работы;

§ готовность - способность обеспечить функционирование объекта в произвольный момент времени;

§ оперативная готовность - способность объекта обеспечить исправное состояние объекта в произвольный момент времени и проработать безотказно заданное время;

§ срок службы - календарная продолжительность эксплуатации объекта от ее начала или возобновления после ремонта до наступления предельного состояния;

§ восстанавливаемость - свойство объекта после отказа устранить повреждение;

§ невосстанавливаемость - свойство объекта однократного использования, срок службы которого до первого отказа.

Применительно к перечисленным свойствам электрической системы, как объекта изучения надежности под показателем надежности понимается количественная характеристика одного или нескольких ее свойств.

В технике при исследовании надежности, понятие системы рассматривается как совокупность элементов взаимодействующих между собой в процессе выполнения заданных функций. Для электрической системы - это производство, передача и распределение электрической энергии.

§ Элементы системы - законченные устройства, способные выполнять локальные функции в системе. Для электрической системы - это генераторы, трансформаторы, линии и т.п. или генерирующие источники, системообразующие сети, распределительные сети. Любой элемент, в свою очередь, может рассматриваться как система. Например, линия состоит из элементов: изоляторы, опоры, фундаменты, провода, тросы, заземлители и т.п.

Рассматривая свойства и характеристики элементов и систем при изучении их надежности считают их предметами определенного целевого назначения - объектами. Например, при исследовании надежности электрической станции считаем ее системой, а элементы: генераторы, трансформаторы, выключатели, шины. Если рассматриваем надежность генератора, то элементы - статор, ротор, обмотки.

 

Деление системы на элементы зависит от характера рассмотрения (функциональное, конструктивное, схемное, оперативное и т.д.), точности исследования, наличия статистических материалов, масштабности объекта в целом.