На правах рукописи
Абдурахманов
Абдула Мухтарович
РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ
КОММУТАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ И РЕКОМЕНДАЦИЙ
ПО ИХ ПРИМЕНЕНИЮ В ЗАДАЧАХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ
05.14.02 − Электростанции и электроэнергетические системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва, 2008 г.
Работа выполнена на кафедре электрических станций Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский энергетический институт (Технический университет)»
Научный руководитель: | Доктор технических наук, профессор |
Официальные оппоненты: | Доктор технических наук, профессор Кандидат технических наук, доцент |
Ведущая организация: | «Энергосетьпроект», г. Москва |
Защита состоится 22 февраля 2008 г. в аудитории Г-200 в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.157.03 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский энергетический институт (Технический университет)» по адресу: Москва, ул. Красноказарменная, д. 17, 2 этаж, корпус «Г».
Отзывы и замечания на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Cовет «МЭИ (ТУ)».
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «МЭИ (ТУ)».
Автореферат разослан «___»января 2008 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.157.03
к. т.н., доцент
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы исследования.
Проблема обеспечения надежности электроэнергетических систем (далее сокращенно энергосистем или систем) была и остается актуальной. При этом уже долгое время специалисты-электроэнергетики уделяют пристальное внимание моделям отказа коммутационного оборудования. На то имеются веские причины. Так, в общей повреждаемости элементов распределительных устройств (РУ) электростанций и подстанций доля выключателей велика и достигает 30−50%. С позиций надежности выключатель – один из наиболее сложных элементов. В его модели отказа требуется учитывать параметры надежности электрических аппаратов (собственно выключателя с приводом, измерительных трансформаторов, разъединителей), устройств релейной защиты и автоматики (РЗА), условия ремонтно-эксплутационного обслуживания, природно-климатические и ряд других факторов.
Моделями надежности коммутационного оборудования необходимо располагать при оценке надежности схем электрических соединений электроустановок, при обосновании и выборе конструкций выключателей, а так же планировании их ремонтно-эксплуатационного обслуживания. В свою очередь в стране существует более десяти методик для оценки надежности схем электрических соединений электроустановок. Основное отличие методик кроется в моделях надежности коммутационного оборудования. Обнаруживается большой разброс в публикуемых значениях соответствующих показателей надежности. Следовательно, возникает проблема обоснованного выбора моделей надежности коммутационного оборудования и рекомендаций по их использованию в задачах электроэнергетики.
Теоретические основы проблемы отражены в многочисленных отечественных и зарубежных публикациях (, , , Allan R. N., Billinton R., Endrenyi J. и др.). Однако в ранее выполненных работах имеется определенный пробел. Так, не приводятся расчетные условия, при которых получена модель надежности коммутационного оборудования. В итоге за полувековую историю у специалистов так и не сформировалось его общепринятой модели отказа, а по большому счету и доверия к результатам оценки надежности схем электрических соединений электроустановок.
Таким образом, существо научно-технической проблемы, которой была посвящена диссертационная работа, состояла в исследовании структуры отказов коммутационного оборудования в энергосистемах путем обобщения обширных фактических статистических данных, выявлении причинно-следственных связей основных влияющих факторов и на этой основе − разработке научно обоснованных рекомендаций по формированию и использованию моделей надежности рассматриваемого оборудования при решении проектно-конструкторских и эксплуатационных задач.
Цель работы и задачи исследований.
Цель работы заключается в создании теоретических и практических положений, связанных с разработкой и уточнением моделей надежности коммутационного оборудования в энергосистемах с учетом фактических эксплуатационных данных одной из крупнейших электросетевых компаний страны, совокупность которых представляет решение научно-технической задачи, имеющей существенное значение для электроэнергетической отрасли.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
– выявлены статистические закономерности в структуре отказов коммутационного оборудования путем обобщения обширного фактического материала и исследования динамики соответствующих параметров надежности в сетях 110–750 кВ энергосистем;
– проанализирована эволюция моделей надежности коммутационного оборудования в схемах коммутации электроустановок, обоснованы причинно-следственные связи в структуре отказов;
– сформированы научно обоснованные рекомендации по применению моделей надежности коммутационного оборудования в схемах коммутации 110 кВ и выше.
Достоверность основных теоретических положений определяется тем, что полученные результаты подтверждены значительными объемами фактических статистических данных, детальным анализом основных влияющих факторов, расчетных условий и причинно-следственных связей, а так же опытом проектирования и эксплуатации электросетевых объектов на современном этапе.
Научная новизна работы и личный вклад автора состоит в решении научно-технической задачи, имеющей существенное значение для электроэнергетической отрасли и заключающейся в разработке научно обоснованных рекомендаций, связанных с выбором моделей надежности коммутационного оборудования в энергосистемах при решения проектно-конструкторских и эксплуатационных задач.
Новое решение этой задачи заключается в исследовании причинно-следственных связей, проявляющихся в структуре, параметрах и динамике отказов коммутационного оборудования сетей 110–750 кВ одной из крупнейших электросетевых компаний. Такая концепция реализована впервые и потребовала привлечения обширных статистических данных. В результате автором диссертационной работы впервые получены следующие новые научные результаты:
1. Реализован комплексный подход к разработке и уточнению моделей надежности коммутационного оборудования в сетях 110–750 кВ, заключающийся в исследовании причинно-следственных связей основных влияющих факторов, а также поиске и учете новых свойств этих моделей. Это позволило предложить в рассматриваемой предметной области новые взгляды на традиционно принимаемые решения, влияющие на надежность и экономичность энергосистем.
2. Доказано, что параметр потока отказов коммутационного оборудования имеет сложную структуру, кроме того, зависящую от срока эксплуатации оборудования, и приводит к многократным разбросам значений рассматриваемого параметра: в 2−6 раз по компонентам и в 4−5 раз по сроку эксплуатации. Это принципиально и важно учитывать при совершенствовании конструкций выключателей, планировании их ремонтно-эксплуатационного обслуживания, а так же при обосновании и выборе схем электрических соединений электроустановок.
3. Установлена взаимосвязь между продолжительностью эксплуатации коммутационного оборудования и его надежностью, что позволило сформулировать рекомендации по повышению качества работ в электроустановках и совершенствованию системы учета технологических нарушений в энергосистемах.
4. Уточнены модели надежности коммутационного оборудования в энергосистемах, что дает возможность более обоснованно подойти к решению комплексной задачи обеспечения надежности и экономичности режимов работы электростанций, электрических сетей и энергосистем в целом.
Практическое значение и внедрение.
1. Примененный подход и полученные на его основе рекомендации по моделям надежности коммутационного оборудования в энергосистемах позволяют на практике повысить достоверность и устойчивость принимаемых решений, а также надежность и экономичность электроустановок.
2. Разработанные практические рекомендации, а так же обобщенные статистические данные используются в «Магистральных электрических сетях Центра» (МЭС Центра) - филиале ЕЭС» при решении широкого спектра задач ремонтно-эксплуатационного обслуживания: совершенствования конструкций выключателей, планирования их ремонтов, а также обоснования и выбора схем энергообъектов при новом строительстве, реконструкции и техническом перевооружении.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Применение комплексного подхода к оценке моделей надежности коммутационного оборудования в сетях 110–750 кВ энергосистем.
2. Обоснование структуры и параметров отказов коммутационного оборудования в энергосистемах.
3. Оценка областей применения моделей надежности коммутационного оборудования в схемах коммутации 110 кВ и выше.
Апробация работы.
По результатам исследований сделаны доклады на следующих конференциях: 11-я, 12-я и 13-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов (Москва, 2005, 2006, 2007).
В полном объеме диссертация докладывалась на 79-м международном научном семинаре им. «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики» (Вологда, 2007) а также на заседании кафедры электрических станций Московского энергетического института (Технического университета) (Москва, 2007).
Публикации по проведенным исследованиям имелись в журналах «Электричество» (2007), «Электрические станции» (2005, 2005, 2007, 2007), в трудах трех конференций. Количество публикаций по теме диссертации составляет девять печатных работ, из них пять в центральных изданиях.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения (актов внедрения результатов работы).
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение. Во введении показано, что выбор моделей надежности коммутационного оборудования и соответствующих показателей надежности – важная технико-экономическая задача. Обосновано, что параметр потока отказов имеет определенную структуру, которую необходимо в первую очередь согласовать с классом решаемой задачи: проектно-конструкторской или эксплуатационной. Сформулированы цель и задачи исследований.
Глава первая. АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ КОММУТАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Анализу подвергнуты модели отказов коммутационного оборудования и методы оценки надежности схем электрических соединений. Проведен критический обзор публикаций по рассматриваемой проблеме. Выполнена общая постановка задачи. Сформулирована методологическая направленность исследований. Показано, что структура параметра потока отказов коммутационного оборудования должна соответствовать классу решаемой задачи, будь то анализ конструкций электрических аппаратов, планирование их ремонтно-эксплуатационного обслуживания, а так же обоснование и выбор схем электрических соединений электроустановок.
Исследована эволюция моделей отказа выключателей за более чем полувековую историю. Показано, что изначально за основу бралась модель отказа присоединения. Под ним понималось все оборудование, входящее в ячейку РУ, включая системы сборных шин. С позиций надежности различались линейные и прочие присоединения. Позднее для рассматриваемой модели из состава присоединений были выведены сборные шины. В последующем на данную модель опирались практически все авторы, занимающиеся надежностью коммутационного оборудования. Дальнейшее ее развитие пошло по пути непрерывного усложнения, введения новых влияющих факторов, зачастую, не подтвержденных статистическими выкладками.
Как уже отмечалось ранее, в общем случае параметр потока отказов коммутационного оборудования используется при решении относительно разноплановых задач. В литературных источниках не приводятся расчетные условия, при которых получен искомый параметр. Поэтому не представляется возможным соотнести значения параметра потока отказов классу решаемой задачи. Он может иметь многокомпонентную структуру, что требуется принимать во внимание при проектировании и эксплуатации электроустановок;
Модели отказа коммутационного оборудования делятся на полные (уточненные) и упрощенные. Они так же различаются в зависимости от функции присоединения (линейные и прочие), условий возникновения отказа (в статическом состоянии, при отключении КЗ и при оперативных переключениях), последствий отказа («КЗ в обе стороны», «КЗ в одну (каждую) сторону», «разрыв»). Считается, что коммутационное оборудование линейных присоединений отказывают в 2–7 раз чаще, по сравнению с прочими присоединениями, а коэффициент, характеризующий долю отказов, например, «КЗ в обе стороны», оценивается на уровне k=0,6–0,7 и выше.
Получение статистически обоснованных показателей для полных моделей отказов до сих пор представляет трудности. Более того, отсутствуют данные по менее сложным составляющим модели отказа выключателя, например, таким, как доля отказов «КЗ в одну сторону». Заметно расхождение данных по моделям отказа коммутационного оборудования у различных авторов. Таким образом, с учетом важности вопроса представлялось оправданным обратиться в диссертации к составляющим модели отказа коммутационного оборудования с использованием фактических эксплуатационных данных последнего десятилетия.
Глава вторая. ФОРМИРОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ КОММУТАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Обоснованы и выбраны методы для формирования моделей надежности коммутационного оборудования. Методы связаны с большим объемом вычислительного эксперимента, опирающегося на комплексный анализ статистических данных по отказам коммутационного оборудования в энергосистемах.
Как известно, основным показателем надежности коммутационного оборудования является параметр потока отказов. В общем случае он характеризуется, как предел отношения вероятности отказа объекта Q(t, t+Δt) непосредственно после момента времени t в интервале (t, t+Δt) к продолжительности этого интервала при его неограниченном уменьшении: λ=limQ(t, t+Δt)/Δt, при Δt→0.
Также выделяют средний параметр потока отказов (частоту отказов), являющегося отношением математического ожидания числа отказов объекта M(t, t+t0) за заданный после момента времени t интервал (t, t+t0) к продолжительности этого интервала ω=M(t, t+t0)/t0, что является приближенным значением ω=limM[m(t+ Δt)– m(t)]/Δt=limM[m(Δt)]/Δt; при Δt→0, где m(t) – число отказов (случайная величина), наступивших от начального момента времени до достижения наработки t; m(Δt)=m(t+Δt)–m(t) – число отказов на отрезке времени Δt.
Из теории вероятностей следует: при достаточно большом числе наблюдений N математическое ожидание можно заменить средним арифметическим значением, поэтому M[m(Δt)]≈Σ[mi(Δt)ni(Δt)]/N, где mi(Δt) – число отказов; ni(Δt) – число событий появления mi(Δt). Таким образом,
| (1) |
где 
– общее число отказов за период времени Т.
На практике применяют статистический аналог (1), представляющий собой среднее количество отказов одного восстанавливаемого объекта в единицу времени ω = m/gT, где g – общее количество наблюдаемых объектов.
Обоснованы требуемые математические модели коммутационного оборудования, а так же расчетные условия вычислительного эксперимента. Особенностью предложенных моделей является комплексный анализ отказов оборудования и учет изменения характеристики надежности объекта – параметра потока отказов во времени (так называемые «кривая жизни» или «характеристика жизни» объекта). Это позволяет более наглядно изучить динамику изменения рассматриваемого параметра и, при необходимости, учесть как дополнительный аргумент при решении того или иного класса задач, а так же оценить влияние приемо-сдаточных испытаний и эксплуатации на надежность оборудования.
Пристальное внимание в моделях уделено структуре результирующего параметра потока отказов
| (2) |
,где ωакт – параметр потока отказов выключателя, учтенных актами расследования технологических нарушений; ωособ – то же, но учтенных особо, т. е. не учтенных актами; ωвыкл – параметр потока отказов собственно выключателя с приводом; ωРЗА – то же, но из-за отказов устройств РЗА, а так же вторичных цепей ячейки выключателя; ωТТ – то же, но из-за отказов трансформаторов тока в ячейке выключателя; ωр. о – то же, но из-за отказов разъединителей и ошиновки в ячейке выключателя.
Кратко остановимся на составляющих (2). Необходимо разделить отказы, учтенные актами расследования технологических нарушений, и отказы, учитываемые особо. К ωособ относятся повреждения, произошедшие в процессе комплексного опробования до ввода и приемки в эксплуатацию или выявленные при плановых ремонтах и испытаниях оборудования. Они учитываются особо при проведении соответствующих работ.
Сформирована модель надежности систем сборных шин, которая классифицирует все повреждения по последствиям, как отключение одной или двух систем сборных шин в зависимости от количества присоединений к РУ:
ω1ш=ω1n; ω2ш=ω2n, |
где n – количество присоединений, ω1 и ω2 – параметр потока отказов (на одно присоединение), приводящих к отключению соответственно одной и двух систем сборных шин.
Наконец, для сформированных моделей надежности выполнена статистическая обработка полученных результатов. Она сводилась к определению доверительных интервалов и представлению результатов в виде среднего арифметического значения параметра потока отказов, вычисленного по выборке, и значений оцененных доверительных интервалов.
Глава третья. ОБОСНОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ КОММУТАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Анализ фактических эксплуатационных данных по 32 подстанциям 330–750 кВ за 1992–2002 гг. одной из крупнейших электросетевых компаний страны и обобщение статистических данных показали, что результирующий параметр потока отказов коммутационного оборудования в общем случае соответствует предложенной модели (2).
Установлено (табл.1), что отказы собственно выключателей с приводами mвыкл составляют далеко не основную часть (16–24%) общего числа отказов. Сопоставимую размерность (13–23%) занимают отказы mРЗА, связанные с ненадежностью функционирования устройств РЗА, воздействующих на выключатель (табл.2), по причине отказа, излишнего или ложного их срабатывания. Значительно реже возникают отказы выключателей вследствие неисправностей трансформаторов тока, а так же разъединителей и ошиновки в ячейках выключателей – соответственно количество отказов mТТ и mр. о в табл. 1.
Таблица 1. Структура отказов выключателей 110–750 кВ
| Напря- | Количе- | Количество отказов, шт./%, в том числе: | ||||||
жение, | ство яче- | mакт | mособ | всего |
| ||||
кВ | ек, шт. | mвыкл | mРЗА | mТТ | mр. о | всего |
| ||
110 | 279 | 30/24 | 17/13 | 5/4 | 6/5 | 58/46 | 68/54 | 126/100 |
|
220 | 226 | 22/18 | 16/13 | 5/4 | 14/11 | 57/46 | 67/54 | 124/100 |
|
330 | 59 | 14/20 | 9/13 | 5/7 | 4/6 | 32/46 | 37/54 | 69/100 |
|
500 | 151 | 63/16 | 92/23 | 8/2 | 20/5 | 183/46 | 214/54 | 397/100 |
|
750 | 17 | 7/19 | 5/14 | 3/8 | 2/5 | 17/46 | 19/54 | 36/100 |
|
110–750 | 732 | 136/18 | 139/18 | 26/4 | 46/6 | 347/46 | 405/54 | 752/100 |
|
Числитель – количество отказов, знаменатель – доля от общего количества отказов.
Значения из табл. 1 дают представление о весомости тех или иных отказов в структуре параметра потока отказов выключаВ табл.2 сгруппированы составляющие параметра потока отказов выключателей, рассчитанные по данным табл.1.
Таблица 2. Составляющие параметра потока отказов выключателей 110–750 кВ
Напряжение, кВ | Параметр потока отказов, | ||||
ωвыкл | ωсх=ωакт | ωособ | ωконст= ωвыкл+ωособ | ωΣ | |
110 |
|
|
|
|
|
220 |
|
|
|
|
|
330 |
|
|
|
|
|
500 |
|
|
|
|
|
750 |
|
|
|
|
|
За 100% в табл. 2 принят параметр потока отказов собственно выключателя с приводом. При оценке надежности схем электрических соединений необходимо, помимо ωвыкл, принять во внимание составляющие ωРЗА, ωТТ и ωр. о, поскольку данные события сопряжены с отключением присоединений в схемах и, в общем случае, с возникновением экономических последствий из-за ненадежности
ωсх=ωакт=ωвыкл+ωРЗА+ωТТ+ωр. о. |
Здесь параметр потока отказов выключателя ωсх=ωакт=ωвыкл+ωРЗА+ωТТ+ωр. о примерно в 2–2,5 раза превышает ωвыкл.
При решении задач, связанных с анализом конструкций выключателей и планированием их ремонтно-эксплуатационного обслуживания, важно учесть все связанные с этим отказы выключателей, независимо от того, введен или не введен выключатель в эксплуатацию, а также находится он в рабочем состоянии или выведен в ремонт, т. е.
ωконст=ωвыкл+ωособ. |
При этом ωконст=ωвыкл+ωособ в 3–4 раза превосходит (табл.2) ωвыкл. Данное обстоятельство требует дальнейшего анализа и принятия принципиального решения для практических работников энергосистем.
Наконец, результирующий параметр потока отказов ωΣ в табл. 2 оказывается в 4–6 раз выше ωвыкл. Но это механическое сложение составляющих параметра ω, не привязанное к решению конкретной прикладной задачи.
Таким образом, говоря о значении параметра потока отказов выключателя, принципиально важно указать состав принятых во внимание факторов. Так, в используемых на сегодняшний день статистических данных при определении параметра ω учтены отказы собственно выключателей с приводами. Как следует из приведенных статистических данных – это лишь незначительная, но базовая часть отказов выключателей, которую используют все электроэнергетики.
Выполнен анализ взаимосвязи параметра потока отказов выключателей от функции присоединения, в котором они установлены. Нередко различают выключатели в цепях воздушных линий (ВЛ) и в прочих цепях. Считают, что выключатели в цепях ВЛ имеют параметр потока отказов в 2–7 раз более высокий, чем в других цепях. Классификация отказов по присоединениям, как правило, проявляется в так называемых радиальных схемах с коммутацией каждого выключателя одним выключателем. Все рассматриваемые схемы РУ 110–220 кВ подстанций были радиальными с одной–двумя системами сборных шин и с обходной системой шин. В табл.3 приведены статистические данные по отказам выключателей линейных и прочих присоединений 110–220 кВ и соответствующие параметры потока отказов. В качестве прочих присоединений были приняты ячейки выключателей в цепях (авто)трансформаторов, а так же секционные и шиносоединительные выключатели. Обходные выключатели отнесены к выключателям, установленным в цепях ВЛ. Причина заключается в том, что они часто задействованы в цепях ВЛ при ремонтах выключателей.
Таблица 3. Характеристики надежности выключателей в зависимости от функции присоединения
Напряжение, кВ | Количество ячеек, шт., по присоединениям | Количество отказов, шт., по присоединениям | ωакт, 1/год, по присоединениям | |||
линейным | прочим | линейным | прочим | линейным | прочим | |
110 | 209 | 70 | 44 | 14 | 0,019 | 0,018 |
220 | 151 | 75 | 41 | 16 | 0,025 | 0,020 |
Таким образом, классификация отказов по месту установки выключателей в схемах коммутации в целом себя оправдывает, поскольку аварийность выключателей в цепях ВЛ на 6–25% выше, чем в других цепях. Однако данный фактор менее важен по сравнению с учетом многофакторности при определении параметра потока отказов выключаПоэтому для упрощения расчетов надежности схем электрических соединений, допустимо не разделять отказы выключателей по месту их установки. Необходимо, однако, учитывать возможную специфику частоты КЗ на отдельных присоединениях.
Показано, что отказы выключателей в статическом состоянии, при оперативных переключениях и при отключении КЗ проявляются достаточно равномерно: их частота возникновения в среднем составляет 30–40% (табл.4–6). Следовательно, в модели отказа выключателя не имеет большого смысла особо выделять режимы КЗ.
Отказы собственно выключателей с приводами преимущественно связаны с отказами привода, дугогасительной камеры, опорно-стержневой изоляции, уплотнений газонаполненных объемов, а так же оборудования и контактных соединений в шкафах управления (соленоиды, сигнально-блокировочные контакты и др.).
Таблица 4. Отказы собственно выключателей с приводами в различных режимах
Отказ | Распределение отказов, %, по напряжениям, кВ: | |||||
110 | 220 | 330 | 500 | 750 | 110–750 | |
В статическом состоянии | 30,0 | 18,2 | 28,6 | 19,0 | 28,6 | 22,8 |
При оперативных переключениях | 20,0 | 36,3 | 50,0 | 42,9 | 42,8 | 37,5 |
При отключении КЗ | 50,0 | 45,5 | 21,4 | 38,1 | 28,6 | 39,7 |
Итого | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 100,0 |
Всего отказов, шт | 30 | 22 | 14 | 63 | 7 | 136 |
Таблица 5. Отказы выключателей из-за устройств РЗА в различных режимах
Отказ | Распределение отказов, %, по напряжениям, кВ: | |||||
110 | 220 | 330 | 500 | 750 | 110–750 | |
В статическом состоянии | 23,5 | 31,2 | 22,2 | 40,2 | 60,0 | 36,7 |
При оперативных переключениях | – | 31,2 | 22,2 | 22,8 | 20,0 | 20,9 |
При отключении КЗ | 76,5 | 37,6 | 55,6 | 37,0 | 20,0 | 42,4 |
Итого | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 100,0 |
Всего отказов, шт | 17 | 16 | 9 | 92 | 5 | 139 |
Таблица 6. Отказы собственно выключателей с приводами и отказы из-за устройств РЗА в различных режимах
Отказ | Распределение отказов, %, по напряжениям, кВ: | |||||
110 | 220 | 330 | 500 | 750 | 110–750 | |
В статическом состоянии | 27,7 | 23,7 | 26,1 | 31,6 | 41,7 | 29,8 |
При оперативных переключениях | 12,8 | 34,2 | 39,1 | 31,0 | 33,3 | 29,1 |
При отключении КЗ | 59,5 | 42,1 | 34,8 | 37,4 | 25,0 | 41,1 |
Итого | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 100,0 |
Всего отказов, шт | 47 | 38 | 23 | 155 | 12 | 275 |
Отказы устройств РЗА (табл.5) возникали по причине отказа, излишнего или ложного их срабатывания. Так, наблюдалось, когда при КЗ на присоединении происходил отказ срабатывания в силу различных причин основных и резервных устройств РЗА, воздействующих на выключатель данного присоединения. При этом КЗ ликвидировалось действием устройства резервирования при отказе выключателя, приводя к потере не только данного, но и, в ряде случаев, смежных присоединений. Излишнее срабатывание обусловлено в основном нарушением селективности РЗА при внешних КЗ, т. е. не в защищаемой зоне. Здесь выключатель рассматриваемого присоединения отключался при наличии требования отключения выключателей иных присоединений и отсутствии таковых на отключение выключателя данного присоединения. Ложное срабатывание заключалось в отключении от устройств РЗА выключателя при отсутствии на то соответствующего требования, как на данном, так и на других присоединениях. Они имели место, например, при дефектах изготовления и монтажа устройств РЗА, а так же из-за ошибочных действий персонала при работе с ними.
По статистическим данным отношение количества отказов выключателей из-за нарушений работы устройств РЗА к отказам собственно выключателей с приводами составляет 0,57; 0,77; 0,64; 1,46 и 0,71 при напряжении соответственно 110; 220; 330; 500 и 750 кВ. Таким образом, в ряде случаев влияние РЗА на параметр потока отказов выключателей более весомый фактор по сравнению с их конструктивными особенностями и условиями ремонтно-эксплуатационного обслуживания.
В табл.5 отражена структура отказов выключателей из-за нарушения работы устройств РЗА в статическом состоянии, при оперативных переключениях и отключении КЗ. Из табл.5, как и из табл.4, следует, что работа выключателя в наиболее тяжелых расчетных режимах не всегда является основной причиной их отказов. Наконец, в табл.6 дана результирующая структура отказов собственно выключателей с приводами и отказов из-за нарушения работы устройств РЗА.
Влияние устройств РЗА на надежность выключателей (табл.1 и 5) выявляет недостаточную полноту моделей отказов типа «КЗ в одну сторону», «КЗ в обе стороны» и «разрыв». Причина заключается в том, что заметная часть отказов выключателей происходит из-за устройств РЗА и, причем, не при КЗ (табл.6). Поэтому целесообразно анализировать отказы выключателей и по количеству теряемых при этом присоединений в схемах коммутации – см. табл.7. В последней графе табл.7 даны средние арифметические значения отказов по всем классам напряжения, т. е. 110–750 кВ.
Таблица 7. Структура отказов собственно выключателей с приводами и отказов из-за устройств РЗА по количеству теряемых присоединений
Напряжение, кВ | Отказы, приводящие к потере одного присоединения, % | Отказы, приводящие к потере более одного присоединения, % | Отказы, не приводящие к потере присоединений, % | Итого, % | Всего отказов, шт |
110 | 38,3 | 34,0 | 27,7 | 100,0 | 47 |
220 | 23,7 | 47,4 | 28,9 | 100,0 | 38 |
330 | 39,2 | 30,4 | 30,4 | 100,0 | 23 |
500 | 51,0 | 23,9 | 25,1 | 100,0 | 155 |
750 | 41,7 | 33,3 | 25,0 | 100,0 | 12 |
110–750 | 43,6 | 29,8 | 26,6 | 100,0 | 275 |
Долевое участие различных отказов (табл.7), хотя и отличается друг от друга, тем не менее, находится в узком диапазоне. Отдельно коснемся отказов, не приводящих к потере присоединений. Они зависят от схемы коммутации. На рассматриваемых подстанциях при напряжении 110–220 кВ использована схема с двумя (реже – с одной) системами сборных шин с обходной системой шин (радиальные схемы), при 330 кВ – схемы трансформаторы–шины и трансформаторы–шины с подключением линий по схеме 3/2 (кольцевые схемы), а при напряжении 500 кВ – трансформаторы–шины.
При использовании кольцевых схем отказы, не приводящие к потере присоединений, могут быть вызваны: неисправностями, требующими вывода выключателя во внеплановый ремонт (отказ типа «разрыв»); устройствами РЗА, например, из-за их ложных срабатываний. При этом потери присоединений в кольцевой схеме не происходит, так как каждое из них коммутируется двумя и более выключателями.
В радиальной схеме отказы, не приводящие к потере присоединений, вызваны лишь неисправностями, требующими вывода выключателя во внеплановый ремонт. Это обеспечивается с помощью обходного выключателя и обходной системы сборных шин. В свою очередь отказы выключателей из-за нарушения работы устройств РЗА, допустим, из-за тех же ложных срабатываний приведут к внезапному отключению выключателя и потере присоединения. И такое событие в схеме будет классифицироваться как отказ, приводящий к потере одного присоединения.
Таким образом, если за основу берется модель отказа выключателя с дифференциацией по типам «КЗ в одну сторону», «КЗ в обе стороны» и «разрыв», то становится не ясным, каким образом классифицировать многочисленные отказы выключателей из-за нарушений работы устройств РЗА при кольцевых схемах коммутации. Таким образом, представляется полезным уточнить классификацию отказов оборудования.
Наконец, в зависимости от схемы электроустановки при отказах типа «КЗ в одну сторону» и «КЗ в обе стороны» при прочих равных условиях теряется различное число присоединений. В упомянутых радиальных и кольцевых схемах подстанций отказы, требующие отключения всех смежных выключателей («КЗ в обе стороны»), всегда приводили к потере более чем одного присоединения. Аналогичные события происходят в радиальной схеме и при отказе типа «КЗ в одну сторону» выключателя – в сторону сборных шин.
Ранжирование отказов по типам «КЗ в одну сторону», «КЗ в обе стороны», «разрыв» приведено в табл.8. Под отказами типа «разрыв» понимались не только неисправности, требующие вывода выключателей во внеплановый ремонт, но и их отказы из-за устройств РЗА в кольцевых схемах коммутации, когда не происходит потери присоединений. Кроме того, в составе отказов «КЗ в одну сторону» и «КЗ в обе стороны» учтены отказы из-за нарушения работы устройств РЗА, не обязательно связанные с КЗ. Без этого из состава рассматриваемых событий пришлось бы исключить большую группу отказов выключателей из-за устройств РЗА.
Таким образом, выявлено, что известные типы отказов выключателя («КЗ в одну (каждую) сторону», «КЗ в обе стороны», «разрыв») фактически можно рассматривать в качестве условно независимых случайных событий, поскольку на каждого из них ориентировочно пришлось 1/4 общего числа отказов выключателей. Поэтому публикуемые последние десятилетия в специализированной литературе значения коэффициента, характеризующего долю отказов типа «КЗ в обе стороны» на уровне 0,6–0,7, представляются завышенными.
Таблица 8. Структура типов отказов собственно выключателей с приводами, отказов из-за устройств РЗА, трансформаторов тока, линейных разъединителей и ошиновки выключателей
Напряжение, кВ | Отказы типа «КЗ в одну сторону», % | Отказы типа «КЗ в обе стороны», % | Отказы типа «разрыв»), % | Итого, % | Всего отка-зов, шт |
110 | 43,1 | 25,9 | 31,0 | 100,0 | 58 |
220 | 33,3 | 26,3 | 40,4 | 100,0 | 57 |
330 | 37,5 | 28,1 | 34,4 | 100,0 | 32 |
500 | 51,4 | 21,3 | 27,3 | 100,0 | 183 |
750 | 41,2 | 35,3 | 23,5 | 100,0 | 17 |
110–750 | 45,2 | 24,3 | 30,5 | 100,0 | 347 |
|
| ||||
Рис.1. Распределение отказов собственно воздушных выключателей 500 кВ с приводами по годам эксплуатации | Рис.2. Распределение отказов воздушных выключателей 500 кВ из-за нарушений работы устройств РЗА по годам эксплуатации | ||||
|
| ||||
Рис.3. Результирующее распределение отказов воздушных выключателей 500 кВ по годам эксплуатации | Рис.4. Распределение ω воздушных выключателей 500 кВ по годам эксплуатации | ||||
Анализ взаимосвязи между отказами выключателей и их сроком эксплуатации был выполнен преимущественно для воздушных выключателей 500 кВ (их 23% общего числа воздушных выключателей 110–750 кВ), так как на них пришлось 52% всех их отказов. В распределении отказов выделяется зона приработки оборудования (рис.1), имеющая большую продолжительность в 5−7 лет. Поэтому лишь с условностью можно говорить о раннем проявлении отказов. Так же обращает внимание некоторая цикличность, проявляющаяся «всплесками» отказов выключателей в определенные периоды.
В начальной зоне (зона приработки) на рис.1−4 – количество отказов достигает 10%/год, т. е. в пять раз больше, чем в зоне нормальной эксплуатации. На первые три года эксплуатации приходится четверть всех отказов выключателей, а на первые пять лет – почти 40%. Большое количество отказов выключателей в начальной зоне приработки заставляет обратить пристальное внимание на состояние работ по приемо-сдаточным испытаниям оборудования. Недопустимо, когда на первые годы эксплуатации приходится до 40% всех отказов выключателей.
Таким образом, установлено, что параметр потока отказов коммутационного оборудования имеет объемную структуру, кроме того, зависящую от срока эксплуатации оборудования, и приводит к многократным разбросам значений рассматриваемого параметра: в 2−6 раз по компонентам и в 4−5 раз по сроку эксплуатации. Это говорит о том, что более предпочтительно принимать во внимание полный состав компонентов в структуре отказа, а не уточнять отдельные влияющие факторы в моделях отказа (например, по состоянию выключателей, в котором происходят отказы, или событиям, к ним приводящим, а так же по последствиям), на чем концентрировались исследования последних нескольких десятилетий.
Выполнен анализ отказов систем сборных шин 110−500 кВ на рассматриваемых подстанциях 330–750 кВ (см. выше) за 12-ти летний период 1993−2004 гг. Сопоставлена структура отказов с ранее полученными показателями надежности за предшествующий 15-ти летний период 1978–1992 гг. Структура отказов сборных шин приведена в табл.9.
Таблица 9. Структура отказов систем сборных шин
Причина отказов сборных шин | Данные за 1978–1992 гг. по РУ (%) напряжем (кВ): | Данные за 1993−2004 гг. РУ (%) напряжем (кВ): | |||
220 | 500 | 110 | 220 | 500 | |
Отказы шинных разъединителей | 25,0 | 15,8 | 38,9 | 22,2 | 23,0 |
Отказы в ячейках трансформаторов напряжения | 32,5 | 10,5 | 5,6 | 33,3 | – |
Отказы собственно ошиновки | 15,0 | 5,3 | 33,3 | 27,8 | 38,5 |
Ошибочное включение разъединителя на заземление | 12,5 | 5,3 | 5,6 | 11,1 | – |
Неисправности устройств РЗА, отказы во вторичных цепях | 10,0 | 63,1 | 16,6 | 5,6 | 38,5 |
Ошибки проектирования | 2,5 | − | – | – | – |
Неустановленные причины | 2,5 | − | – | – | – |
Итого | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 100,0 |
Погашения подстанций 500 кВ из-за отказов на сборных шинах 110−220 кВ преимущественно связаны с тем, что на них использованы схемы с двумя системами сборных шин. В таких схемах на каждом присоединении присутствуют развилки из двух шинных разъединителей. Поэтому часть отказов приводит к неустраненным КЗ, одновременно затрагивающим обе системы сборных шин. Ситуация усугубляется еще и тем, что шинные разъединители выполняют оперативные функции. Это так же увеличивает количество отказов, приводящих к одновременному погашению обеих систем сборных шин.
В целом 22−28% отказов привело к одновременному погашению обеих систем сборных шин 110−220 кВ. Аналогичная картина наблюдалась и в период 1978–1992 гг. (27,5%). Накопленные за 27 лет эксплуатации данные показывают стабильные отрицательные результаты с позиций эксплуатационной надежности электроустановок. Согласно им примерно четверть отказов на сборных шинах 110−220 кВ в схемах коммутации, выполненных по схеме с двумя системами сборных шин с обходной, приводят к полному погашению крупнейших подстанций 500 кВ страны. Указанное еще раз подтверждает, что при их проектировании необходимо стремиться к использованию в РУ 110−220 кВ схемы с одной секционированной системой сборных шин и с обходной системой шин и ограничить применение схемы с двумя системами сборных шин.
Глава четвертая. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА МОДЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ КОММУТАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Выполнена сравнительная оценка моделей надежности коммутационного оборудования на примере типовых схем РУ электростанций. Определены экономические последствия из-за ненадежности схем, используя полученные модели надежности рассматриваемого оборудования, в которых отказы дифференцированы по различным влияющим факторам. Проанализированы диапазоны изменения удельных ущербов из-за ненадежности схем, в том числе с учетом зарубежного опыта. Исследована чувствительность результатов оценки надежности на выбор предпочтительного варианта схемы.
Показано влияние параметров надежности систем сборных шин на технико-экономические показатели схем с одной секционированной и с двумя системами сборных шин с обходной системой шин электростанций.
Результаты исследований автора подтвердили важность расчетных условий, при которых получен параметр потока отказов, а так же соответствие модели надежности коммутационного оборудования классу решаемой задачи. Обосновано, что при оценке надежности схем электрических соединений целесообразно максимально ужесточить расчетные условия, предельно упростив модель отказа выключателей тем, что все их отказы принимаются отказами типа «КЗ в обе стороны». А при анализе результатов оценки надежности иметь в виду возможный широкий диапазон изменения параметра потока отказов, полученный на основании фактических эксплуатационных показателей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработаны теоретические и практические положения, связанные с выбором моделей и показателей надежности коммутационного оборудования в условиях фактической эксплуатации реальных энергосистем, совокупность которых представляет решение научно-технической задачи, имеющей существенное значение для электроэнергетической отрасли.
1. Реализован комплексный подход к разработке и уточнению моделей надежности коммутационного оборудования в сетях 110–750 кВ, заключающийся в исследовании причинно-следственных связей основных влияющих факторов, а также поиске и учете новых свойств этих моделей. Это позволило предложить в рассматриваемой предметной области новые взгляды на традиционно принимаемые решения, влияющие на надежность и экономичность энергосистем.
При этом необходимо, что бы структура параметра потока отказов коммутационного оборудования соответствовала классу решаемой задачи, будь то анализ конструкций электрических аппаратов, планирование их ремонтно-эксплуатационного обслуживания или обоснование и выбор схем коммутации электростанций и подстанций.
2. Доказано, что параметр потока отказов коммутационного оборудования имеет сложную структуру, кроме того, зависящую от длительности эксплуатации оборудования, и приводит к многократным разбросам значений рассматриваемого параметра: в 2−6 раз по компонентам и в 4−5 раз по сроку эксплуатации.
Это принципиально и важно учитывать при проектировании и эксплуатации электроустановок. По-видимому, предпочтительнее принимать во внимание полный состав компонентов в структуре отказа, а не уточнять отдельные влияющие факторы в моделях отказа (например, по состоянию выключателей, в котором происходят отказы, или событиям, к ним приводящим, а так же по последствиям), на чем концентрировались многие исследования последних нескольких десятилетий.
3. Установлена взаимосвязь между продолжительностью эксплуатации коммутационного оборудования и его параметром потока отказов, что позволило сформулировать рекомендации по повышению качества работ в электроустановках и совершенствованию системы учета технологических нарушений в энергосистемах. Большое количество отказов выключателей в начальной зоне приработки заставляет обратить пристальное внимание на состояние работ по приемо-сдаточным испытаниям оборудования. Недопустимо, когда на первые годы эксплуатации приходится до 25−40% всех отказов выключателей.
4. Уточнены модели надежности коммутационного оборудования в энергосистемах, что дает возможность более обоснованно подойти к решению комплексной задачи обеспечения надежности и экономичности режимов работы электростанций, электрических сетей и энергосистем в целом.
Получены новые практические результаты:
5. Даны рекомендации по выбору моделей надежности коммутационного оборудования в энергосистемах при решении проектно-конструкторских и эксплуатационных задач, позволяющие повысить надежность и экономичность электроустановок:
− отказы выключателей в статическом состоянии, при оперативных переключениях и при отключении КЗ проявляются достаточно равномерно: их частота возникновения в среднем составляет 30–40%. Следовательно, в модели отказа выключателя, надо полагать, не имеет большого смысла особо выделять отдельные режимы;
− известные типы отказов выключателя («КЗ в одну (каждую) сторону», «КЗ в обе стороны», «разрыв») фактически можно рассматривать в качестве условно независимых случайных событий, поскольку на каждого из них ориентировочно пришлось ¼ общего числа отказов выключателей;
− классификация отказов по месту установки выключателей в схеме коммутации в целом себя оправдывает, поскольку аварийность выключателей в цепях линий электропередачи на 6–25% выше, чем в других цепях. Однако данный фактор менее важен по сравнению с корректностью учета многокомпонентности при определении параметра потока отказов выключателя. Поэтому для упрощения расчетов надежности схем электрических соединений допустимо не разделять отказы выключателей по месту их установки;
− стабилизация количества отказов выключателей на уровне 2%/год (в пять раз меньше, чем на начальных этапах эксплуатации) на длительных временных интервалах, исчисляемых десятками лет, − положительный фактор. Однако необходимо тщательное технико-экономическое сопоставление целесообразности поддержания в работоспособном состоянии устаревших и снятых с производства выключателей по сравнению с заменой их на новые типы оборудования;
− при оценке надежности схем коммутации целесообразно максимально ужесточить расчетные условия, предельно упростив модель отказа выключателей тем, что все их отказы принимаются отказами типа «КЗ в обе стороны». А при анализе результатов оценки надежности иметь в виду возможный широкий диапазон изменения параметра потока отказов, полученный на основании фактических эксплуатационных показателей.
Использование практических результатов:
6. Примененный подход и полученные на его основе рекомендации по моделям надежности коммутационного оборудования в энергосистемах позволяют на практике повысить достоверность и устойчивость принимаемых решений, а также надежность и экономичность электроустановок.
7. Разработанные практические рекомендации, а так же обобщенные статистические данные используются в «Магистральных электрических сетях Центра» - филиале ЕЭС» при решении задач ремонтно-эксплуатационного обслуживания: совершенствования конструкций выключателей, планирования их ремонтов, а также обоснования и выбора схем энергообъектов при новом строительстве, реконструкции и техническом перевооружении.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих публикациях:
В изданиях по списку ВАК:
1. Еще раз о составляющих модели отказа выключателя / , , // Электрические станции.– 2005.– №4.– C. 41–48.
2. Об особенностях структуры параметра потока отказов выключателя / , , // Электрические станции.– 2005.– №5.– C. 54–57.
3. , , Шунтов эксплуатационной надежности сборных шин подстанций // Электрические станции.– 2007.– №1.– C. 42–45.
4. , , Шунтов моделей отказа выключателей в схемах коммутации электроустановок // Электричество.– 2007.– №4.– C. 2–11.
5. , , Шунтов продолжительности эксплуатации на отказы выключателей в высоковольтных электрических сетях // Электрические станции.– 2007.– №7.– C. 59–63.
В других изданиях:
6. , К вопросу о структуре параметра потока отказов выключателей в электрических сетях 110–750 кВ // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. XI Междунар. науч.–техн. конф. студентов и аспирантов (1-2 марта 2005г., г. Москва).– Москва, 2005.– Т. 3.– C. 318–319.
7. , Шунтов эксплуатационной надежности выключателей в электрических сетях 110–750 кВ // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. XI Междунар. науч.–техн. конф. студентов и аспирантов (1-2 марта 2005г., г. Москва).– Москва, 2005.– Т. 3.– C. 319–320.
8. , Шунтов характеристик надежности выключателей в зависимости от продолжительности эксплуатации в электрических сетях 110–750 кВ // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. XII Междунар. науч.–техн. конф. студентов и аспирантов(2-3 марта 2006г., г. Москва).– Москва, 2006.– Т. 3.– С. 383.
9. , Шунтов отказов систем сборных шин электроустановок // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. XIII Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов (1-2 марта 2007г., г. Москва).– Москва, 2007.– Т. 3.– C. 322–324.
