Силовые электрические конденсаторы - Надежность конденсаторов

Под надежностью изделия понимается его свойство выполнять заданные функции в заданных условиях эксплуатации в течение требуемого промежутка времени, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах. Она обеспечивается ремонтопригодностью, безотказностью, сохраняемостью и долговечностью его элементов. В применении к силовым конденсаторам это определение несколько упрощается. Силовые конденсаторы относятся к перемонтируемым изделиям, работающим до первого отказа, поэтому требование о ремонтопригодности отпадает. При хранении в надлежащих условиях сохраняемость силового конденсатора высокая, и она практически не оказывает влияния на его надежность. Надежность силового конденсатора определяется только его долговечностью и безотказностью. Долговечность и безотказность — это свойства, практически неразделимые в применении к силовому конденсатору. Они описываются одной и той же функцией распределения, следовательно, каждое из этих свойств независимо определяет надежность. Прекращение конденсатором выполнения своих функций вследствие возникновения в нем дефектов (пробой и т. д.) или изменение его параметров сверх допустимых значений, при которых происходит нарушение нормальной работы устройства, в котором он установлен, называется его отказом. Отказы конденсаторов делятся на случайные, причины возникновения которых носят чисто случайный характер, и отказы, возникающие вследствие старения и износа диэлектрика. В обоих случаях время, прошедшее с момента включения до момента наступления отказа, является случайной величиной. Несмотря на большое количество типов, конструктивных особенностей, режимов и условий работы и т. д.,
силовые конденсаторы имеют ряд общих свойств с точки зрения исследования их надежности.
Количественно надежность изделия характеризуется совокупностью признаков, называемых показателями надежности. Аналитический расчет показателей надежности конденсаторов практически неосуществим, поэтому ускоренные ресурсные испытания и опыт эксплуатации являются основными источниками информации об  их надежности. Испытания, как правило, должны производиться в форсированном режиме с последующим пересчетом результатов к номинальному режиму. Основой для оценки надежности конденсаторов по выборочным данным является закон распределения ресурса.
Наиболее общим показателем надежности силовых конденсаторов является вероятность безотказной работы p(t) в течение времени, соответствующем его ресурсу или сроку службы t. Использование функции p(t) в качестве единого контролируемого показателя надежности вместо любых других особенно удобно потому, что контроль p(t) при фиксированном t производится совершенно одинаково для любых законов распределения времени безотказной работы. На основании вышеизложенного у конденсаторов для повышения коэффициента мощности обычно принимается p > 0.9 при 20 лет. Эти значения могут быть приняты в качестве критерия при проведении контрольных испытаний на надежность текущей продукции.
Опыт показывает, что различные образцы одного и того же типа конденсатора, изготовленные в идентичных условиях, обладают различной надежностью, установить которую для каждого индивидуального образца невозможно ввиду того, что на одном конденсаторе может быть получена только одна реализация случайной величины. Поэтому объектом испытаний на надежность является целая партия. Устанавливаемое в результате испытаний значение показателя надежности относится ко всей партии, т. е. к каждому входящему в партию образцу, при этом все образцы партии полагаются равнонадежными. Хотя различия в свойствах надежности отдельных образцов конденсаторов одного и того же типа не могут быть установлены, это не является доказательством того, что этих различий вообще нет. Обозначим плотность распределения вероятности возникновения отказа (или дифференциальную функцию распределения) образцов через p(t). Тогда вероятность безотказной работы p(t) на протяжении фиксированного отрезка времени
(10.52)
Задачи, решаемые при испытаниях на надежность, могут быть двоякими. В одних случаях требуется определить неизвестные числовые показатели надежности, влияние на них изменения различных факторов и т. п. Такие испытания носят исследовательский характер и называются определительными. В других случаях необходимо проверить соответствие показателей надежности данной конкретной партии изделий требованиям нормативно-технической документации. Такие испытания называются контрольными. Различия в целях испытаний обусловливают и различия в методах их планирования и проведения, обработки данных. При оценке надежности силовых конденсаторов полностью применимы общие положения теории надежности с учетом их специфики. Испытания могут проводиться методами однократной или двукратной выборок. Метод однократной выборки применим при первичной оценке надежности изделий с любым уровнем надежности или неизвестным законом распределения отказов. Метод двукратной выборки обычно применяется для оценки надежности изделий с минимальным уровнем надежности. В ряде случаев метод двукратной выборки может дать экономию в количестве испытуемых изделий, нс снизив достоверности результатов.
Количество подлежащих испытанию конденсаторов зависит от ряда факторов: требуемого уровня надежности, рисков изготовителя и заказчика, приемочного числа (количество допускаемых отказов при испытании) и т. д. Для определения объема выборки для испытаний существуют специальные таблицы. Если принять приведенные выше показатели надежности конденсаторов для повышения коэффициента мощности за контрольные, то при испытаниях по методу однократной выборки для приемочного числа, равного нулю, объем выборки
(10.53)
где г1 — допустимая доля отказов конденсаторов к концу выработки ресурса; в нашем случае q = 0,1; р* — вероятность того, что q<0,1; обычно р*= 0,9.
Длительность испытаний определяется из соотношений, связывающих ресурс конденсатора с режимом его работы. При выборе режима ускоренных испытаний прежде всего следует обеспечить физическое подобие процессов в форсированном и нормальном режимах. Если не будет соблюдено это условие, то картина нормального старения будет искажена. В то же время испытания при выбранном режиме не должны продолжаться слишком долго, поскольку они могут потерять свою актуальность. Для конденсаторов промышленной частоты испытательная надежность Еи обычно выбирается в пределах от 1,3 до 1,8Eном, при котором конденсатор выдерживается в течение испытательного времени или до пробоя.
Кроме испытании длительным воздействием повышенного напряжения для конденсаторов промышленной частоты производятся испытания кратковременными перенапряжениями. При этих испытаниях на конденсатор обычно длительно воздействует напряжение промышленной частоты 1,1 —1,2 Uном и через определенные промежутки времени (5-10 мин) подается повышенное напряжение промышленной частоты длительностью около I с. Число таких перенапряжений в процессе испытания составляет 1000. По окончании испытаний не должны наблюдаться изменения tg б изоляции и характеристик ЧР.
Надежность импульсных конденсаторов оценивается чаще всего ресурсными испытаниями требуемого числа конденсаторов в номинальном режиме или при напряженностях до 1,2 Еном. Это объясняется тем, что импульсные конденсаторы имеют высокие рабочие напряженности, близкие к пробивным, что не позволяет испытывать конденсаторы в форсированном режиме. Кроме того, ограниченный ресурс (обычно 10⁴ импульсов) не делает время испытаний очень большим. При испытаниях необходимо обращать внимание на параметры разрядного контура, которые должны обеспечивать требуемый декремент колебаний и амплитуду разрядного тока. Ускорение испытаний импульсных конденсаторов может быть осуществлено за счет увеличения частоты следования импульсов. Возникающее при этом некоторое повышение температуры диэлектрика практически не влияет на ресурс.
В результате ресурсных испытаний получается ряд стохастических значений ресурса или вариационный ряд, статистический анализ которого позволяет вскрыть закономерности изменения надежности. Его основной целью является отыскание уравнения регрессии или теоретического распределения, наилучшим образом описывающего данное эмпирическое. В математической статистике разработан ряд критериев согласия, позволяющих с определенной вероятностью утверждать, противоречит или не противоречит данное теоретическое распределение эмпирическому. По ним проверяется несколько теоретических распределений, и если ему не противоречат одновременно несколько из них, то выбирается простейшее. Одним из методов подбора теоретического распределения является метод вероятностных бумаг. По этому методу на вероятностных бумагах для различных распределений строится полученная эмпирическая функция, и там, где опытные точки ближе всего располагаются к прямой, это теоретическое распределение и будет наилучшим. Недостаток этого метода состоит в том, что «на глаз» не всегда отчетливо различимо, для какого распределения точки располагаются ближе к прямой. Он может быть устранен алгебраизацией его.