Диагностика технического состояния электрооборудования (стр. 1 )

5 Диагностика технического состояния электрооборудования

5.1 Основные понятия и определения

Диагноз в переводе с греческого означает «распознавание», «определение». Техническая диагностика – это теория, методы и средства, с помощью которых делается заключение о техническом состоянии объекта.

Чтобы определить техническое состояние электрооборудования, необходимо с одной стороны установить, что и каким способом следует контролировать, а с другой стороны – решить, какие средства для этого потребуются. В данной проблеме просматривается две группы вопросов:

·  анализ диагностируемого оборудования и выбор методов контроля для установления его действительного технического состояния,

·  построение технических средств контроля состояния оборудования и условий эксплуатации.

Итак, для проведения диагноза нужно иметь объект и средства диагноза. Объектом диагноза может быть любое устройство, если оно может находиться в двух взаимно исключаемых состояниях – работоспособном и неработоспособном. При этом в нем можно выделить элементы, каждый из которых также характеризуется различными состояниями. На практике реальный объект при исследованиях заменяют диагностической моделью.

Воздействия, специально создаваемые для целей диагноза технического состояния и подаваемые на объект диагноза от средств диагноза, называются тестовыми воздействиями. Различают контролирующие и диагностирующие тесты. Контролирующим тестом называется совокупность наборов входных воздействий, позволяющих провести проверку работоспособности объекта. Диагностическим тестом называется совокупность наборов входных воздействий, позволяющих осуществить поиск неисправности, т. е. определить отказавший элемент или неисправный узел.

Центральной задачей диагностики является поиск неисправных элементов, т. е. определение места, а возможно, и причины появления отказа. Для электрооборудования такая задача возникает на различных этапах эксплуатации. В силу этого, диагностика является эффективным средством повышения надежности электрооборудования в процессе его эксплуатации.

Этапы поиска неисправностей в установке обычно включает в себя следующие этапы:

·  логический анализ имеющихся внешних признаков;

·  составление перечня неисправностей, которые способны привести к отказу;

·  выбор оптимального варианта проверок;

·  переход к осуществлению поиска неисправного узла.

Рассмотрим простейший пример. Электродвигатель вместе с исполнительным механизмом не вращается при подаче на него напряжения. Возможные причины – сгорела обмотка, двигатель заклинило. Следовательно, нужно проверять обмотку статора и подшипники. С чего начать диагностирование? Проще с обмотки статора. С нее и начинаются проверки. Затем уже, в случае необходимости, осуществляется разборка двигателя и оценка технического состояния подшипников и других элементов.

Методы поиска неисправностей. Каждый конкретный поиск носит характер логического исследования, для которого необходимы знания, опыт, интуиция обслуживающего электрооборудование персонала. При этом помимо знания устройства оборудования, признаков нормального функционирования, возможных причин выхода из строя необходимо знать методы поиска неисправностей и уметь правильно выбрать требуемый метод из них.

Различают два основных вида поиска отказавших элементов – последовательный и комбинационный.

При использовании первого метода проверки в аппаратуре выполняются в некотором порядке. Результат каждой проверки сразу же анализируется, и если отказавший элемент не определен, то поиск продолжается. Порядок выполнения операций диагноза может быть строго фиксированным или зависеть от результатов предыдущих опытов. Поэтому программы, реализующие этот метод можно подразделить на условные, в которых каждая последующая: проверка начинается в зависимости от исхода предыдущей, и безусловные, в которых проверки выполняются в некотором заранее фиксированном порядке. При участии человека всегда используются гибкие алгоритмы, чтобы избежать лишних проверок.

Для оптимизации процедуры поиска неисправностей при использовании рассматриваемого метода должны быть заданы вероятности отказа элементов. При экспоненциальном законе распределения наработки до отказа:

, (5.1)

где Qi (t) – вероятность отказа i-го элемента;

li – интенсивность отказов i-го элемента в данных условиях работы;

t – время.

При использовании комбинационного метода состояние объекта определяется путем выполнения заданного числа проверок, порядок выполнения которых безразличен. Отказавшие элементы выявляются после проведения всех испытаний путем анализа полученных результатов. Для этого метода характерны такие ситуации, когда не все полученные результаты необходимы для определения состояния объекта.

В качестве критерия для сравнения различных систем поиска неисправностей обычно используется среднее время обнаружения отказа. Могут быть применены и другие показатели – количество проверок, средняя скорость получения информации и пр.

На практике помимо рассматриваемых методов нередко используется эвристический метод диагноза. Строгие алгоритмы здесь не применяются. Выдвигается определенная гипотеза о предполагаемом месте отказа. Осуществляется поиск. По результатам его гипотеза уточняется. Поиск продолжается до определения неисправного узла. Зачастую такой подход использует радиомастер при ремонте радиоаппаратуры.

Помимо поиска отказавших элементов понятие технической диагностики охватывает также процессы контроля технического состояния электрооборудования в условиях применения его по назначению. При этом лицо, осуществляющее эксплуатацию электрооборудования, определяет соответствие выходных параметров агрегатов паспортным данным или техническим условиям (ТУ), выявляет степень износа, необходимость регулировок, потребность в замене отдельных элементов, уточняет сроки проведения профилактических мероприятий и ремонтов.

5.2 Контроль технического состояния электроустановок

Модель электроустановки. Функционирование любой технической системы можно рассматривать как реакцию на входные воздействия. Например, для механических систем такими воздействиями являются силы и моменты, для электротехнического оборудования – напряжения и токи. Схематически модель электроустановки можно представить в виде некоторого двухполюсника (рисунок 5.1), на вход которого поступает совокупность входных воздействий (сигналов) Х = х (t), а на выходе получается совокупность выходных сигналов У = у (t).

Любая система обладает множеством свойств, определение которых связано с установлением реакции системы на входное воздействие.

Рисунок 5.1 – Схема функционирования системы

Рассмотрим, например, статическую характеристику релейного элемента с зоной нечувствительности (рисунок 5.2)

Рисунок 5.2 – Статическая характеристика релейного элемента

Из приведенного рисунка видно, что при достижении входной величиной значений ± х1 форма выходного сигнала резко изменяется.

Пространство состояний системы. Оценка состояния электрооборудования является существенной стороной многих эксплуатационных процессов. При этом необходимо стремиться к достижению достаточно точной оценки, ибо от этого зависит правильность принятия решения о дальнейших способах и формах проведения эксплуатационных мероприятий.

Состояние системы считается известным, если известно значение каждого из ее параметров из заданного набора. Поскольку речь идет о совокупности свойств (параметров), то состояние системы А имеет смысл рассматривать в пространстве состояний в некоторый момент времени.

Из множества свойств обычно выделяют те, без которых система не может быть использована по назначению в данных условиях. Эти свойства обычно называются функциональными или основными. Аналогичное название получили и соответствующие этим свойствам параметры. Для электроустановок, например, такими параметрами являются напряжение, ток, частота и др. Вспомогательными параметрами называются такие параметры, которые характеризуют выполнение узлами своих частных задач, например, коэффициент трансформации отдельного трансформатора. Нефункциональные свойства могут характеризовать удобство эксплуатации, защиту от окружающей среды и т. д.

Обычно различают три основных области пространства состояний:

·  область исправных состояний Р, в которой все параметры находятся в пределах установленных допусков;

·  область дефектных состояний Q, в которой за пределами установленных допусков могут находиться лишь вспомогательные (нефункциональные параметры);

·  область нерабочих состояний S, которой значения функциональных параметров не соответствуют требованиям НТД.

Последние две области составляют область неисправного состояния электроустановки. На рисунке 5.3 показан график указанных областей для двухмерной системы.

Рисунок 5.3 – Пространство состояний системы

При относительно большом количестве параметров, характеризующих систему, ее возможные состояния могут быть представлены в виде таблицы состояний (таблица 5.1).

Таблица 5.1 – Таблица состояний

Состояние системы	Параметры
П1	П2	…	Пi	…	Пn
Р1	1	0	…	1	…	0
Р2	0	1	…	0	…	1
Р3	1	1	…	1	…	1
…	…	…	…	…	…	…
Рn	1	1	…	0	…	1

Из таблицы видно, что состояние Р3 соответствует исправному состоянию системы, так как все параметры ее находятся в установленных пределах. Остальные Рn – 1 состояний являются неисправными. Если каждый из параметров характеризует вполне определенный элемент, то приведенная таблица может быть преобразована в таблицу неисправностей (таблица 5.2), в которой отражается влияние каждого из элементов системы на ее выходные параметры.

Таблица 5.2 – Таблица неисправностей

Отказавший элемент	Параметры
П1	П2	…	Пi	…	Пn
Э1	0	1	…	1	…	1
Э2	1	0	…	1	…	1
…	…	…	…	…	…	…
Эi	1	0	…	0	…	0
…	…	…	…	…	…	…
Все элементы исправны	1	1	…	1	…	1

Возможность перехода системы из одного состояния в другое можно оценить количественно, используя вероятностную меру.

Информация о системе. Процесс приема, обработки и получения информации, которая оценивает состояние системы предъявляемым к ней требованиям и обеспечивает принятие решения или выдачу управляющих воздействий, называется контролем.

Информация об объекте контроля обычно получается путем измерения, под которым понимают процесс сравнения измеренной величины с эталонной величиной. Однако контроль состояния системы (ее качества) не может быть сведен только к измерениям, поскольку даже при исправности всех элементов могут быть нарушены их взаимные связи, а отклонения отдельных параметров скомпенсированы. Другим важным аспектом контроля является тот факт, что оценка качества рассматривается как процесс, протекающий во времени. С этих позиций под контролем технического состояния следует понимать определение состояния объекта в данный момент времени путем получения и анализа технической информации, характеризующей этот объект.

Нередко понятие контроля и измерения отождествляются. Однако это нельзя признать правильным. При измерениях некоторая физическая величина сравнивается с другой, выбранной в качестве единицы измерения. При проведении контроля, так же как и при измерениях производится операция сравнения, однако если основным результатом измерения является количественное определение измеряемой величины, то основным результатом контроля является не только получение количественных значений параметров, но и составление определенного суждения о последующих действиях по управлению объектом.

Рассмотрим в качестве примера действия диспетчера электросетевого предприятия. В данном случае оператора интересует работа не только отдельных элементов сети, но и общая (внешняя по отношению к элементу) обстановка, о которой он судит по световым сигналам мнемосхемы и контролируемым параметрам.

Особенности процесса контроля различных объектов выражаются в методах контроля. В настоящее время наиболее широко применяются следующие методы контроля: внешний осмотр, проверка работоспособности по внешним признакам, проверки с помощью контрольно-измерительной аппаратуры.

Внешний осмотр заключается во всесторонней визуальной проверке состояния электрооборудования. При внешнем осмотре необходимо убедиться: в отсутствии загрязнений, повреждений и поломок оборудования, ослабления степени затяжек гаек и болтов; наличии маркировки и пломб; исправности коммутационных аппаратов; соответствии уровня заполнения электроустановок жидкими диэлектриками т. п.

Несмотря на очевидные недостатки этого метода, связанные с субъективностью оценки и большой трудоемкостью, он пока остается одним из важнейших методов контроля.

Проверка по внешним признакам осуществляется визуально и на слух путем наблюдения за перемещением устройств, состоянием сигнализации, восприятием специфического шума, характерного для определенного режима работы электроустановки. Такая проверка обеспечивает получение информации о наличии или отсутствии внутренних повреждений и явных признаков нарушения нормального функционирования.

Оба рассмотренных метода наряду с простотой обладают существенным недостатком – они не дают количественной оценки состояния объекта контроля, не обеспечивают тем самым проведение настроечных и регулировочных работ, не позволяют прогнозировать дальнейшее состояние электроустановки.

Проверка с помощью контрольно-измерительной аппаратуры не имеет недостатков, свойственным двум предыдущим методам, однако отличается сложностью и высокой стоимостью оснащения электроустановок контрольно-измерительными приборами и устройствами. Тем не менее, этот метод получил широкое распространение при определении технического состояния электрооборудования, выявлении отказов, обеспечении регулировочных и ремонтных работ, восстановлении работоспособности. Алгоритм работы контрольно-измерительной аппаратуры при контроле и ее структура полностью определяются задачами контроля, которые в свою очередь, обусловлены функциональным назначением электроустановки, степенью ее сложности, местом проведения контроля и другими предъявляемыми требованиями.

5.3 Методы поиска отказов в электроустановках

Метод последовательных поэлементных проверок. Применение метода требует наличия статистических данных, характеризующих вероятность появления неисправностей в элементах оборудования, и данных по трудозатратам на проверки. В качестве критерия оптимальности в этом случае используется минимум отношения:

, (5.2)

где ti – время проверки i-го элемента;

ai – условная вероятность отказа i-го элемента.

При распределении наработки до отказа по экспоненциальному закону

(5.3)

где Qi – вероятность отказа i-го элемента;

n – число элементов.

Проведя анализ объекта диагноза, и определив отношения ti/ai, их располагают в порядке возрастания. В этом случае критерий оптимальности будет иметь вид:

(5.4)

Первой проводят проверку, для которой выполняется условие .

Основным достоинством метода является возможность оптимизации программы по суммарному времени диагноза. К недостаткам метода следует отнести ограниченные возможности его применения при сложных взаимных связях функциональных элементов, необходимость иметь данные о времени поиска отказавшего элемента и интенсивностях отказов, а также неопределенность в выборе последовательности проверок при равенстве отношений:

(5.5)

При равной вероятности появления неисправностей, т. е. a1 = a2 = ...= an поиск проводится в последовательности, определяемой минимальным временем, затрачиваемым на проверки.

Метод последовательных групповых проверок. Если исходные данные по надежности элементов отсутствуют, то оптимальным методом поиска неисправных элементов может быть метод половинного разбиения. Сущность этого метода заключается в том, что участок схемы с последовательно соединенными, элементами делится на две равные части (рисунок 5.4) и равнозначно выбирается для проверки левая или правая часть.

Рисунок 5.4 – Схема групповых проверок

Если в результате проверки, например, правой ветви окажется, что отказ элемента произошел в левой ветви, то для локализации отказавшего элемента левая ветвь дополнительно делится на два равнозначных участка. Такое деление будет продолжаться до тех: пор, пока не будет обнаружен отказавший элемент. На рисунке 5.4 приведен случай, когда отказавший элемент является выходным (имеет номер 6).

Указанный способ отыскания неисправности хорош, если отсутствуют сведения о надежности элементов или все они имеют одинаковую надежность. На практике обычно известны (например, из справочников по надежности) интенсивности отказов элементов. Поэтому выбор средней точки для первой проверки указанным выше способом не будет оптимальным. Наилучшим решением по выбору точки первой проверки при наличии данных о надежности элементов будет такое, когда последовательное соединение делится этой проверкой на две части с равными суммарными вероятностями или интенсивностями отказов. Рассмотрим критерий выбора очередной проверки при таком подходе.

Каждая проверка характеризуется следующими основными величинами:

·  числом элементов, охваченных проверкой;

·  вероятностью получения отрицательного результата проверки (вероятность того, что неисправный элемент находится в проверяемой группе);

·  временем проведения проверки.

Учет всех факторов является сложным. Аналитическое решение задачи, если интенсивность отказов элементов и продолжительности проверок различны, не найдено. Упростим задачу. Предположим, что может отказать только один элемент и продолжительность проверок различных групп элементов является одинаковой. В этом случае требование определения минимального среднего времени поиска равносильно определению минимального среднего числа проверок, необходимых для обнаружения отказавшего элемента.

На практике в качестве оптимальной рекомендуется выбирать проверку, для которой модуль разности минимален. При этом –вероятность отрицательного исхода.

Подсчитав значения для всех проверок и используя предложенный критерий, можно выбрать место первой проверки. После того, как первая проверка выбрана, схема разбивается на две части, которые рассматриваются как самостоятельные объекты. Для каждого из них определяются коэффициенты отказов их элементов (сумма коэффициентов должна быть равна 1). Составляется перечень возможных проверок и выбирается проверка, для которой вероятности исходов наиболее близки к 0,5. Указанный процесс продолжается до отыскания неисправного элемента.

Пример 5.1. Пусть задан объект, состоящий из 5 элементов, функциональные связи между которыми показаны на рисунке 5.5. Буквами А, В, С, D, E, F, G обозначены входные и выходные сигналы элементов Известны коэффициенты отказов элементов b1 = 0,2; b2 = 0,1; b3 = 0,3; b4 = 0,3; b5 = 0,1.

Требуется составить алгоритм поиска неисправности объекта, обеспечивающий минимальное среднее количество проверок.

Рисунок 5.5 – Схема объекта

Р е ш е н и е. Для составления алгоритма поиска неисправностей необходимо вначале сформировать перечень возможных проверок объекта. Представим его в виде таблицы 5.3.

Таблица 5.3 – Перечень возможных проверок

Пк	Входной сигнал	Выходной сигнал	Код проверки
Элементы
1	2	3	4	5
П1	А	В	1	0	0	0	0	0,2
П2	С	D	0	1	0	0	0	0,1
П3	В	Е	0	0	1	0	0	0,3
П4	ED	F	0	0	0	1	0	0,3
П5	F	G	0	0	0	0	1	0,1
П6	А	D	1	1	0	0	0	0,3
П7	А	Е	1	0	1	0	0	0,5
П8	BD	F	0	0	1	1	0	0,6
П9	А	F	1	1	1	1	0	0,9
П10	СЕ	F	0	1	0	1	0	0,4
П11	СЕ	G	0	1	0	1	1	0,5
П12	Е	G	0	0	0	1	1	0,4 0,4

В таблице 5.3 в каждой проверке присвоен двоичный код – единицей обозначено событие, что данный элемент проверяется, а нулем – что элемент не охвачен проверкой. Вероятность отрицательного исхода рассчитывается по формуле