При расчетах и оценках надежности главной схемы электрических соединений особое место занимает моделирование надежности выключателей, которые являются наиболее сложными, ответственными и наименее надежными среди АВН.
Несмотря на многообразие моделей выключателей, условно их можно разделить на две группы: сложные (полные), учитывающие большое число факторов, определяющих надежность, и упрощенные, учитывающие наиболее распространенные и существенные из них. К сложным по существу можно отнести только модель [57, 136], к упрощенным - модель [2, 137, 138, 54], а также модель оптимизации ТО выключателей [139] и др.
Сложные модели.
Ниже дается обобщенное описание сложной модели выключателя, приведенное в [57, 136] и отчетах ВНИИЭ.
В качестве КА расчетной схемы рассматриваются выключатели, отделители, разъединители и др., включая их ошиновку в пределах ячеек, а для выключателей и отделителей также измерительные трансформаторы и устройства РЗА, а иногда и разъединители, если они не являются оперативными. В этом случае они рассматриваются в качестве самостоятельных КА расчетной схемы.
При моделировании процесса коммутации электрических цепей, содержащих КА, считается, что он происходит при отказе оборудования или КА; выводе их из работы в резерв; проведении предупредительного ремонта и др.; вводе их в работу из резерва, после завершения аварийных или предупредительных ремонтов и проведения других видов работ. Учитывается, что отказы оборудования и КА в общем случае могут быть как полными, так и частичными, как устойчивыми, так и неустойчивыми.
При расчетах в модель КА в общем случае включаются следующие показатели: интенсивности частичных и полных отказов КА в статическом состоянии и при оперативных переключениях, относительная интенсивность отказов КА при автоматическом отключении КЗ, коэффициент тяжести отключения токов КЗ, учитывающий отличие условий работы КА от нормированных в операции отключения и циклах ВО, относительная интенсивность отказов КА при его автоматическом включении, относительные интенсивности отказов в срабатывании устройств релейной защиты, действующей на отключение КА, и устройств автоматики, действующих на КА при АПВ и АВР, расчетные длительности выполнения аварийного ремонта и завершения предупредительного ремонта КА.
Определение показателей надежности КА расчетной схемы на основании статистических данных может производиться в соответствии с методикой и алгоритмами, приведенными в отчетах ВНИИЭ.
Сбор большого числа статистически обоснованных показателей, необходимых для проведения расчетов согласно вышеописанной методике, представляет определенные трудности. Поэтому она может наиболее эффективно применяться при сопоставительных расчетах. В этом случае значения некоторых отсутствующих показателей могут задаваться в диапазоне их вероятного изменения. Однако когда проводится расчет надежности какой-либо конкретной электрической схемы, возможно обоснованное упрощение модели КА. Это является одним из достоинств данной методики.
Некоторые показатели надежности для сравнительных расчетов и оценок приведены в [140].
Упрощенные модели.
Структуры моделей выключателей в [2, 137, 138, 54] близки друг к другу. Ниже приведены модели выключателя, описанные в [2, 138]. В них под выключателем понимается весь комплекс оборудования в ячейке РУ (выключатели, разъединитель, измерительные трансформаторы, изоляторы и др.). Отказы самих выключателей классифицируются следующим образом:
- отказ типа ’’разрыв”, ”КЗ в одну (каждую) сторону”, ”КЗ в обе стороны” в статическом состоянии или при оперативных переключениях;
- отказ при автоматическом отключении поврежденных элементов;
- отказ при автоматическом отключении смежных отказавших выключателей (развитие аварии).
Под отказами типа ’’разрыв” подразумеваются отказы, требующие лишь вывода выключателя во внеплановый ремонт, т. е. приводящие к разрыву цепи, в которой находится отказавший выключатель. Отказ типа ”КЗ в одну сторону” сопровождается отключением как самого выключателя, так и всех выключателей с одной стороны от него. При отказе типа ”КЗ в обе стороны” отключаются все выключатели по обе стороны от отказавшего.
Учет всех видов отказов выключателей в модели надежности главной схемы, как это следует из п. 8.4.2, значительно усложняет и затрудняет расчет, тем более что по отдельным висам отказов отсутствует статистика. Поэтому в зависимости от решаемой задачи используются различные упрощенные модели надежности выключателей, учитывающие наиболее распространенные из указанных видов отказов.
Отказы типа ”КЗ в обе стороны” — это внезапные отказы, приводящие к действию УРОВ или к действию защиты сборных шин и отключению всех выключателей, смежных с отказавшим. Отказы типа ’’разрыв” выявляются при обходах и осмотрах оборудования ячеек и требуют лишь вывода выключателя во внеплановый ремонт. Коэффициент, характеризующий долю внезапных отказов в общем числе отказов выключателей, kвн= 0,6-0,7. Если обозначить интенсивность отказов выключателя λ, интенсивность отказов, выявленных при осмотрах, λ'=(1-kвн) λ, то интенсивность внезапных отказов типа ”КЗ в обе стороны ”λ" =kвнλ.
При внезапных отказах выключателей отключившиеся элементы (генераторы, трансформаторы, линии электропередачи) могут быть введены в работу раньше, чем будет закончен ремонт выключателя. Длительность простоя определяется временем, необходимым для выполнения переключений в РУ: Tпep=То+Тpnp, где То - постоянная составляющая - время, необходимое для того, чтобы установить характер повреждения (для станций и РУ с обслуживанием То= 0,1-0,3 ч); Тр=0,1 ч - время отключения разъединителя; nр - число разъединителей, которые должны быть отключены (включены) для отделения поврежденного выключателя и ввода отключившихся элементов в работу.
В РУ с шиноизбирательными разъединителями, например с двойной системой шин и одним выключателем на присоединение, наблюдаются отказы из-за неправильных операций с разъединителями, заземляющими ножами, а также в цепях защиты, автоматики и пр., приводящие к одновременному отключению обеих систем шин в нормальных режимах работы или к отключению системы шин во время планового ремонта второй. Эти отказы следует учитывать дополнительно к отказам выключателей. Интенсивность отказов с отключением обеих систем сборных шин можно приближенно оценить по формуле
где k2СШ - доля отказов в РУ, приводящих к погашению обеих систем сборных шин, по данным [2]
0,05 для подстанций и ГЭС; λi - интенсивность отказов i-го выключателя; п - общее число цепей, присоединенных к секции сборных шин.
При этом не нужно рассматривать отдельно режимы работы РУ с выведенной в ремонт одной системой шин.
Для остальных типов РУ со сборными шинами плановый ремонт системы (секции) следует учитывать, принимая его длительность в часах (в расчете на один год),
где nр - число разъединителей, присоединенных к системе сборных шин.
При отказах выключателя в автоматическом отключении КЗ на поврежденных элементах длительность КЗ увеличивается. Если КЗ произошло на линии основной системообразующей сети ОЭЭС, то задержка в его отключении может привести к нарушению устойчивости или к действию противоаварийной автоматики. Поэтому, оценивая надежность РУ высшего напряжения мощных станций и узловых подстанций основной сети ОЭЭС, следует пользоваться моделью, учитывающей различную длительность КЗ при безотказной работе выключателей и при отказе срабатывания.
Надежность выключателей в выполнении функции автоматического отключения можно характеризовать относительной интенсивностью отказа срабатывания при наличии требования нa срабатывание (условная вероятность отказа) Q.
Аналогичным показателем можно характеризовать и отказы при оперативных переключениях (с дифференциацией по последствиям).
При отказе выключателя в автоматическом отключении поврежденного элемента действует УРОВ, которое отключает все выключатели, смежные отказавшим.
В эксплуатационной статистике различают оценки ОКЗ, Qо.п и Q∑, т. е. - вероятность отказа в отключении КЗ, выполнении оперативных переключений (отключение номинального тока) и в сумме всех операций.
Предположим, что к выключателю присоединен элемент с интенсивностью устойчивых отказов λКЗ и относительной частотой неуспешных АПВ kа, тогда:
Настоящая модель выключателя может использоваться в исследованиях надежности главной системы электрических соединений. Однако при практическом использовании модель, как правило, упрощается [138].
Отказы выключателей при оперативных переключениях без возникновения КЗ в их ячейках при расчетах надежности главной схемы можно в первом приближении не учитывать. Эти отказы определяют небольшую вероятность срыва операции по восстановлению схемы после локализации повреждения.
Отказы выключателя типа ”КЗ в одну сторону” по своим последствиям легче, чем отказы типа ”КЗ в обе стороны”. Однако их отдельное рассмотрение усложняет расчет, тем более что оценки интенсивности отказов ”КЗ в одну сторону” з существующей статистике отсутствуют. Поэтому в большинстве проводимых расчетов отказы выключателей принимаются как ”КЗ в обе стороны”. Это приводит к некоторому завышению интенсивности наиболее опасных аварий.
Отказы типа ’’разрыв” можно было бы учесть, увеличивая частоту ремонтов (плановых и внеплановых), но имеющиеся статистические данные свидетельствуют о том, что по сравнению с ежегодными текущими ремонтами эта поправка ничтожна.
Таким образом, высоковольтный выключатель может представляться в упрощенной модели следующими параметрами: интенсивностью отказов (”КЗ в обе стороны”) λ"< λ, интенсивностью плановых ремонтов λпл, интенсивностью внеплановых ремонтов λ, временем восстановления tв и вероятностью отказа в отключении КЗ QКЗ.
Методики расчетов с применением описанной модели надежности выключателя приведены в материалах авторов по расчету надежности конкретных главных схем электрических цепей.
Из моделей надежности выключателей зарубежных авторов можно отметить модели, описываемые в [52, 53]. Поскольку надежность зарубежных выключателей выше, чем отечественных (см. § 8.5), то в этих моделях учитываются только три вида отказов выключателей: при КЗ (наиболее часты КЗ на землю), в срабатывании и ложное срабатывание. При этом ложное срабатывание выключателей, вызванное неправильным действием релейной защиты и устройств автоматики, в моделях не учитывается.
В отечественной практике модели зарубежных авторов не применяются.
Кроме таких упрощенных, но все же обобщенных моделей надежности выключателей имеются так называемые модели отказов выключателей.
Модель отказов выключателей, учитывающая начальные, внезапные отказы и отказы из-за износа ДУ, приведена в [141, 137]. В ней вероятность отсутствия начальных и внезапных отказов оценивается по данным многолетней статистики о выключателях аналогичного типа. Ресурс и степень его сработки при коммутациях различных токов КЗ и нагрузки на присоединении, где установлен выключатель, определяются на основании лабораторных испытаний. Безотказность выключателя зависит от ожидаемой интенсивности коммутации и располагаемого ресурса к началу рассматриваемого периода работы, а также от степени сработки ресурса при каждой коммутации.
Вероятность безотказной работы за время t для выключателя
где λj — интенсивность коммутаций в единицу времени; N — располагаемый ресурс; Γ(Ν) — гамма-функция, зависящая от величины ресурса. (Здесь и ниже обозначения приведены в соответствии с [137] и [141]).
Штриховыми линиями показаны аналогичные зависимости в случае применения модели равномерного износа (8.3). Анализируя эти кривые, можно заметить, что учет неравномерности сработки ресурса необходим. В противном случае необоснованно завышается вероятность безотказной работы.
Рис. 8.7. Зависимость Р2 (t) в моделях неравномерного и разномерного износа ДУ для различных условий сработки ресурса
Рис. 8.6. Зависимость Р2 (t) в модели равномерного износа ДУ при различной интенсивности коммутаций за единицу времени [141,137]
Прогнозирование надежности выключателей при сработке ресурса сводится к определению вероятности отсутствия отказов Ррасч для различных условий и режимов эксплуатации выключателя и сравнении их с нормированной вероятностью отсутствия отказов, заданной в технической документации на выключатель. Конкретные расчеты с использованием данной модели приведены в [137,141].
В модели отказов выключателей, описанной в [154], принято допущение, что отказ в работе выключателя вызывается эрозией контактов.
Оптимизация ΤΟ выключателей с использованием моделей и алгоритмов предупредительных ремонтов. Универсальным критерием, учитывающим все производственно-хозяйственные затраты, является критерий минимума приведенных затрат. Данный критерий использован для определения оптимального периода между ТО. Это представляет сложную задачу, так как необходимо знать закон распределения и интенсивность отказов, в том числе интенсивность отказов при коммутации рабочих токов, КЗ различных значений вплоть до Iо.ном, интенсивность отказов выключателя при работе в режиме АПВ, после различных видов ТО, при одном и том же виде ТО, но в зависимости от их числа.
Ввиду недостаточной информации по влиянию вышеуказанных факторов на надежность выключателей в модели оптимизации их ТО [139] приняты следующие допущения: стоимость ревизии выключателя не зависит от числа ревизий, после ревизии выключатель полностью восстанавливает свои свойства, срок службы выключателя имеет постоянное значение, момент необходимости ремонта выключателя совпадает с моментом проведения очередной ревизии, под отказом понимаются все неисправности, которые приводят к автоматическому отсоединению от электрической сети поврежденного выключателя смежным или необходимости включения резервного выключателя.
Для определения оптимального межревизионного срока службы выключателя используется метод приведенных затрат
3=(Ен+Еа)К+С+У, (8.5)
где 3 - приведенные затраты руб/год; Ен - нормативный коэффициент эффективности, отн.ед./год; Еа - нормативные отчисления на амортизацию, отн.ед./год; К - капитальные вложения на выключатель, руб; С - эксплуатационные расходы на ревизию и восстановительный ремонт (после отказа в работе) выключателя, руб/год; У - ущерб от ремонтного и аварийного недоотпуска электроэнергии, руб/год. Под ущербом понимается математическое ожидание возможного недоотпуска электроэнергии вследствие отказа выключателя.
Минимальным затратам будет соответствовать оптимальный межревизионный срок.
Решая совместно (8.5) и выражения, определяющие К, С и У [139], получим уравнение приведенных затрат как функцию межревизионного срока службы выключателя:
вызывает меньшее увеличение З, чем проведение ревизии ранее Тм.опт (это вызвано различным влиянием на З стоимостей ревизий и оплаты аварийного перерыва энергоснабжения [139]), при отсутствии резерва необходимо строже контролировать проведение. ТО при Тм.опт;
увеличение N в 1,5 раза, что связано с повышением надежности выключателя, привело к увеличению К на 20%, позволило снизить Зmin 36% и увеличить Тм.опт на 20%.
Математическую модель межревизионного срока выключателя можно применять для расчета З и Тм.опт и других АВН, вводя уточнения в выражение (8.5) в соответствии с конкретными функциональными особенностями работы АВН.
На основании опыта эксплуатации, диагностики и техникоэкономических расчетов некоторые зарубежные фирмы и энергокомпании разрабатывают концепции оптимального ТО выключателей [142-144]. Среди них показательной является концепция планово-предупредительного ТО элегазовых выключателей фирмы Sprecher Enerque, реализованная в виде алгоритма ТО [144]. Данная фирма и швейцарская энергокомпания BKW ввиду высокой надежности считают нецелесообразным применять специальную диагностическую технику для элегазовых выключателей на напряжения вплоть до 420 кВ.
Модели и методы оценки безотказности работы КРУ 6-10 кВ.
Большинство КРУ имеют встроенные выключатели, поэтому при оценке безотказности работы таких ячеек необходимо учитывать, что в отличие от другого оборудования в них (трансформаторов, реакторов и т. д.) ячейки могут отказать как в статическом состоянии, так и при выполнении ими коммутаций.
Математические модели. В [146] разработаны модели оценки безотказности работы КРУ на основе обобщения статистических эксплуатационных данных для случаев, когда частота коммутаций рабочих токов или цепей без тока преобладает над частотой коммутаций токов КЗ.
Полное и адекватное реальным процессам описание безотказности работы ячеек КРУ в этом случае может быть достигнуто либо с помощью семейства одномерных случайных функций ω(t), каждая из которых описывает поток отказов ячеек одного назначения, с узким спектром частот коммутаций ν (за одну коммутацию принимается один цикл ВО выключателя ячейки), либо с помощью двухмерной случайной функции ω(t, ν) [146]. В первом случае в качестве модели безотказности
ячеек назначения к предлагается система полиномиальных функций третьей степени
Экспериментальная оценка. Количественная оценка коэффициентов функций (8.8) - (8.13) выполняется на основании обработки результатов наблюдения за отказами, восстановлениями ячеек, а также на основании учета частот их коммутаций.
Безотказность работы ячеек разных поколений. На основании сопоставления усредненных параметров потока отказов ячеек разного времени выпуска, но одного и того же назначения и эксплуатируемых в одинаковых условиях устанавливаются зависимости между параметрами потоков отказов ячеек предшествующего ωc(t, ν) и последующего ωп(t, ν) поколений.
Адекватность моделей. Проверка адекватности моделей (8.8) - (8.13) реальным процессам приработки, функционирования и старения выполняется на основе обработки статистических данных с использованием в качестве критерия адекватности величины R2.
Конкретное применение изложенной методики для оценки безотказности ячеек КРУ серий КСО-2У и КРУ2-6Э приведено в [146].
