Надежность систем энергетики - Надежность воздушных линий электропередачи

Раздел седьмой
НАДЕЖНОСТЬ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

7.1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Воздушные линии электропередачи как объекты исследования надежности попадают под определение распределенных систем из множеств механических и электрических конструктивных элементов. Элементы каждого множества имеют присущие им свойства — прочность, деформативность, механизмы старения и отказа, стоимость, а также степень влияния на функционирование системы.
Надежность линий определяется надежностью конструктивных элементов и, в свою очередь, влияет на выбор решений при планировании и проектировании электрических систем. В составе ВЛ можно выделить детали опор различного назначения, провода и молниезащитные тросы, арматуру, изолирующие подвески (гирлянды подвесных изоляторов) и воздушные промежутки.
Отказы элементов зависят от момента, когда воздействующая нагрузка (усилие, напряжение) будет не меньше прочности в общем случае наиболее нагруженного слабого места. Независимые (первичные) отказы элементов носят устойчивый или неустойчивый характер. Неустойчивыми отказами являются перекрытия воздушных промежутков. Перекрытия гирлянд подвесных изоляторов квалифицируются как устойчивый отказ гирлянды в случае ее расцепления при разрушении неисправного изолятора сопровождающим током короткого замыкания. Иначе имеет место неустойчивый отказ гирлянды и возможно включение линии без ремонта. Зависимые (вторичные) отказы элементов, как правило, устойчивы. Исключение — повторные перекрытия изоляции при коммутационных перенапряжениях.
Отказы элементов не адекватны отказам линий электропередачи как структурных элементов схемы сети. Не приводят к автоматическим отключениям линий все виды однополюсных повреждений в сети с изолированной и компенсированной нейтралью (в России это сети напряжением 6-35 кВ). Расцепление одиночной подвесной гирлянды изоляторов с зависанием в воздухе провода может сопровождаться успешным повторным включением линии, хотя и представляет прямую угрозу жизни людей и животных.
Представление о частоте и длительности отключений ВЛ на территории бывшего СССР дают усредненные оценки табл. 7.1, где выделены повреждения от воздействий, учитываемых при выборе элементов на стадии проектирования. Характерна следующая зависимость аварийности от возраста ВЛ 110 кВ со стальными опорами и фарфоровыми изоляторами:

Таблица 7.1

В общем случае из-за старения прочность элементов со временем снижается. Планирование надежности линий поэтому включает взаимосвязанные задачи выбора исходных свойств элементов, стратегий ремонта и замен на новые. Основные комплексы задач планирования надежности указаны в табл. 7.2. Задачи организации ремонтного и оперативного обслуживания электрических сетей, нормирования запасов резервных элементов и их размещения по базам хранения выходят за рамки раздела 7. 

Таблица 7.2

Основное внимание сосредоточено на моделях и методах решения задач выбора конструкций, стратегий ремонтов и замен механических и электрических элементов линий электропередачи. Особенности работы изоляции на переменном и постоянном напряжении не вносят принципиальных отличий в модели надежности элементов воздушных линий электропередачи.
Единой основой взаимосвязанного решения задач служат первоначальные и последующие (в течение 30-50 лет) затраты денежных средств, трудовых и материальных ресурсов, включая потери от ненадежности элементов линий. Учет показателей надежности и стоимости эксплуатации при выборе конструктивных элементов дополняет традиционные концепции проектирования линий электропередач.
Показатели надежности элементов ВЛ оцениваются по данным технического анализа, стендовых испытаний, математического моделирования (натурного и вычислительного экспериментов). Опыт эксплуатации в большинстве случаев недостаточен для оценок надежности элементов ВЛ.
Элементы ВЛ удобно разделить на три класса, различающиеся процессом возникновения, математическими моделями и методами прогноза независимых отказов. Ожидаемое число отказов элементов 2-го и 3-го классов оценивается по опыту эксплуатации. Для элементов 1-го класса, выбор которых является основной задачей проектирования, необходимы специальные методы и имитационные модели.
1-й класс. Элементы без выделяющихся ослабленных мест со снижающейся прочностью, которая может быть проконтролирована и оценена количественно средствами диагностики состояния. Стареющие элементы со временем достигают такого состояния, когда их дальнейшее использование невозможно или нецелесообразно. В первом случае это устойчивый отказ - поломка, разрушение и другие виды повреждений, связанные с потерей работоспособности и необходимостью замены на новый элемент. Во втором - элемент еще не отказал, но опасность отказа настолько велика, что считается необходимым (выгодным) его заменить на новый в предупредительном порядке.
Характерными стареющими элементами являются детали опор и гирлянды подвесных изоляторов. Прочность деталей опор квазимонотонно снижается и может быть оценена измерениями степени загнивания древесины, коррозии металла и активности акустической эмиссии железобетона. В гирляндах из-за отказа изолирующих деталей отдельных изоляторов электрическая прочность снижается дискретно. Состояние фарфоровых изоляторов контролируется измерениями напряжений, стеклянных - визуально.
Задачи обеспечения надежности элементов этого класса состоят в выборе исходных свойств и правил ремонтов - сроков проверок состояний и норм остаточной прочности (прогнозирующего прочность контролируемого параметра), при достижении которых элемент следует заменить. В промежутках между предупредительными ремонтами возможны отказы и аварийные ремонты. Правила ремонтов определяют запас прочности, надежность и служат основой для перспективного планирования замен только элементов или линий на новые.
В результате аварийных и предупредительных замен в каждый момент времени работы ВЛ в составе множеств однотипных элементов будут изделия различного возраста и прочности. Количество таких элементов определяется заменами, которые были до рассматриваемого момента времени.
Функционирование элементов ВЛ описывается процессом, в котором на квазимонотонное или дискретное снижение прочности наложены случайные по величине и времени экстремальные воздействия ветра, гололеда, увлажнений, грозовых и внутренних перенапряжений. На поток отказов от этих воздействий (элементы 1-го класса) могут накладываться отказы части неустраненных ранее дефектных мест (элементы 2-го класса) и отказов, не связанных с возрастом и прочностью (элементы 3-го класса).

Задачи оценки надежности элементов 1-го класса решаются в три основных этапа:
 1-й этап. Проведение натурных экспериментов для статистической оценки свойств элементов (прочности, деформативности, процессов нагружения и старения); анализ и статистические оценки параметров прогнозируемых и учитываемых воздействий. При этом предполагается, что имеются методы и подходящие системы алгоритмов пересчета воздействий в сопоставимые с прочностью нагрузки (усилия).
2-й этап. Осуществление вычислительных экспериментов для оценки с помощью ЭВМ функций распределения вероятностей времени работы стареющих элементов до достижения заданного уровня остаточной прочности и до отказа от учитываемых воздействий. Для нестареющих элементов (воздушные промежутки, арматура и провода в определенных условиях) достаточны не зависящие от срока эксплуатации оценки вероятностей и ожидаемого числа отказов за год.
Для каждого элемента ВЛ, различающегося конструкцией, материалом и расчетной схемой, разрабатываются специальные компьютерные программные комплексы, обеспечивающие имитационное стохастическое моделирование процессов ”прочность-воздействие-время”.

1. й этап. Реализация последовательных процедур учета замен элементов одного типа, их разделение на группы, различающиеся прочностью и стоимостью. Расчет числа аварийных и предупредительных замен элементов в связи с исследуемыми правилами ремонта и всех натуральных и стоимостных показателей эффективности, необходимых для принятия решения. Для гирлянд изоляторов с дискретным снижением прочности из-за отказов отдельных изоляторов 2-й и 3-й этапы совмещаются в одной последовательной процедуре расчета числа аварийных и предупредительных замен в каждый год работы ВЛ.

Метод имитационного моделирования является единственно возможным для исследования надежности ВЛ [104-106] и процессов обслуживания электрических сетей. Правдоподобие результатов моделирования достигается применением апробированных методов инженерных расчетов конструкций и экспериментальных данных.

2- й класс. Элементы с ослабленными местами (дефектами) и двумя идентифицируемыми состояниями ”исправен-неисправен”. Состояние ’’неисправен” через некоторый случайный промежуток времени приводит к отказу элемента.

Задачи обеспечения надежности состоят в предупреждении образования дефектов, предупредительных проверках и заменах обнаруженных дефектных элементов. Сроки проверок (осмотров, измерений, испытаний) должны минимизировать потери от проверок, аварийных и предупредительных ремонтов.
В качестве элементов с двумя состояниями можно рассматривать видимые дефекты проводов и тросов, арматуры, изоляторов и опор. Перечни и степени опасности дефектов обычно указываются в инструкциях по эксплуатации.

3- й класс. Элементы, опасность отказа которых не зависит от возраста и состояние не может быть проконтролировано.

Предупредительные меры технического обслуживания и ремонтов не могут улучшить ситуации, и стратегия сводится к аварийным заменам после отказа. Показатели безотказности могут быть оценены только по ретроспективным данным или экспертно.
Ситуация характерна для всех видов повреждений посторонними объектами (наезды на опоры, расстрелы гирлянд изоляторов и другие виды вандализма), недиагностируемых скрытых дефектов деталей опор, проводов, арматуры, изоляторов.
Ремонты после отказов без предупредительных работ оправданы также в двух распространенных ситуациях:
а) потери при аварийных ремонтах не превышают потерь от проверок и предупредительных ремонтов независимо от характера изменения интенсивности отказов;
б) показатели безотказности не известны или известно только среднее значение наработки на отказ элементов, состояние которых не контролируется.
Приведенные описания позволяют формализовать задачи оценки и учета надежности элементов при выборе эффективных решений воздушных линий.

7.2. ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ

Эффективность элементов линий оценивается первоначальными и последующими затратами ресурсов, связанными с ненадежностью конструкции. Основным и в ряде случаев достаточным критерием сравнительной эффективности решения может быть минимум приведенных затрат, который в случае изменяющихся во времени надежности и стоимостей эксплуатации элементов конкретизируется в следующие целевые функции задач:
технического обслуживания и ремонтов
(7.1)
выбора проектных решений, различающихся первоначальными затратами К и надежностью

где И(t) - математическое ожидание стоимости потерь от ненадежности в год t работы линий; В - коэффициент дисконтирования, который в случае нормативного коэффициента приведения затрат Енр=1,1 равен В=1/Енр = 0,91; Т - расчетный период планирования эксплуатации линий.
Потери от ненадежности элементов зависят от степени резервирования линий по схеме сети и характера событий: предупредительные проверки и ремонты, аварийные ремонты после устойчивых отказов, отключения после неустойчивых отказов на время до 10 с при АПВ и, как правило, на время 1-2 ч при ручном повторном включении (РПВ) линий. Различают также потери при однофазных (ОАГ1В) и трехфазных (ТАПВ) автоматических повторных включениях. Как правило, ВЛ 330 кВ и выше оборудованы ОАПВ.
Соответственно потери от ненадежности включают стоимости: а) проверок, предупредительных и аварийных ремонтов и связанных с ними ремонтных баз, запасов и управления; б) ущерба от простоя линии при ремонтах - ущерба потребителей от перерывов или ограничения электроснабжения, потери энергии и возможные другие потери энергосистем.
Целевые функции (7.1), (7.2) позволяют на основе единых критериев надежности и эффективности выбрать предпочтительное взаимосвязанное решение проектных и эксплуатационных задач, включая задачи замен и реконструкции, с учетом надежности (в широком смысле) элементов линий электропередачи.
Независимо от экономических показателей годовые вероятности отказов не должны, как правило, превышать следующих значений:

Поиск решений сводится к расчетам показателей эффективности альтернативных вариантов решения конструкции элементов и выбора лучшего из них. Расчетные оценки числа аварийных и предупредительных замен элементов и связанных с ними потерь составляют основную задачу расчета и исследования надежности.
Методы расчета должны позволить оценить следующие основные показатели надежности и эффективности конструктивных элементов при заданных воздействиях и стратегиях ремонтов:

1. ожидаемое число успешных АПВ (РПВ) без ремонтов после перекрытий гирлянд изоляторов и воздушных промежутков ВЛ фаза - опора и фаза - горизонтальный трос;
2. ожидаемое число повреждений (отказов) в год t (t=0 -  код ввода линии) и за Т лет эксплуатации ВЛ. Ожидаемое число повреждений в год на 100 км ВЛ далее называется аварийностью элемента;
3. вероятности отказов, АПВ (РПВ) и распределение вероятностей времени работы элементов ВЛ до достижения заданного уровня остаточной прочности и до разрушения гололедно-ветровыми нагрузками;
4. количество аварийных и плановых замен неисправных (отбракованных) элементов ВЛ;
5. затраты на ремонты и проверки денежных средств в натуральном и приведенном виде, трудовых и материальных ресурсов;
6. приведенные потери энергосистем и потребителей от отказов и АПВ, отключений для плановых ремонтов ВЛ.