Донецький національний технічний університет

Якімішина Вікторія Вікторівна

УДК 621.311.031

Розвиток методів оцінки надійності структурно-складних схем систем електропостачання з урахуванням трьох видів відмов електрообладнання

Спеціальність 05.14.02. – Електричні станції, мережі і системи

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник | доктор технічних наук, професор

Ковальов Олександр Петрович,

Донецький національний технічний університет,

завідувач кафедри “Електропостачання промислових підприємств і міст”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Саєнко Юрій Леонідович,

Приазовський державний технічний університет,

професор кафедри “Електропостачання промислових підприємств”;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Гостищев Валентин Митрофанович,

Український науково-дослідний, проектно-конструкторський та технологічний інститут вибухозахищеного та рудникового електрообладнання з дослідно-експериментальним виробництвом (УкрНДІВЕ), науково-дослідний відділ надійності, стандартизації і метрології

Провідна установа Інститут електродинаміки НАН України, відділ аналізу режимів електроенергетичних систем, м. Київ

Захист відбудеться 27.04.2006 р. о 14-40 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д11.052.02 Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 8 навчальний корпус, к. 8.704.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ДонНТУ (83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 2 навчальний корпус).

Автореферат розісланий 17.03. 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Д11.052.02, к.т.н., доц. Ларін А.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема оцінки надійності електропостачання електроенергетичних систем (ЕЕС) і мереж промислових підприємств 10-0,38 кВ займає центральне місце, як при експлуатації, так і при проектуванні.

На промислових підприємствах, наприклад, хімічної промисловості, вихід з ладу електрообладнання в 10% випадків приводить до вибухів і пожеж, а в 60% - викликає аварії, які пов'язані з відключенням неушкоджених споживачів. Аварійне відключення відповідального споживача до 1 кВ може привести до аварійної зупинки всієї технологічної лінії. Аналогічні аварії зустрічаються на металургійних підприємствах, вугільних шахтах, електричних станціях та ін.

Аварії в системах електропостачання промислових підприємств із масовим відключенням споживачів виникають із випадковою появою, наприклад, короткого замикання (КЗ) у елементі мережі, що захищається, й відмові в спрацьовуванні ряду захисних комутаційних апаратів, через які пройшов наскрізний аварійний струм. В експлуатації мереж промислових підприємств необхідно прогнозувати подібні аварії й розробляти організаційні й технічні заходи, що дозволяють частоту появи таких аварій зробити величиною малоймовірною.

В існуючих математичних моделях та методиках розрахунків надійності мереж, як правило, робиться припущення про абсолютну надійність засобів захисту й ураховується один вид відмов електрообладнання – відмова типу “обрив кола”. В дійсності, у мережах електропостачання промислових підприємств всі відмови, що зустрічаються при експлуатації електрообладнання, з деякими наближеннями можна віднести до трьох видів: відмова типу “обрив кола”, відмова типу “коротке замикання” і відмова в спрацьовуванні. Тому розвиток й удосконалення методів розрахунку надійності систем електропостачання й живучості вузлів навантаження з урахуванням трьох видів відмов електрообладнання й строків профілактики системи відключення захисних комутаційних апаратів є актуальною науково-прикладною задачею, рішення якої дозволить у деяких випадках підвищити точність розрахунків більш ніж на порядок, а це, у свою чергу, дасть можливість розробляти ефективні технічні й організаційні заходи щодо запобігання аварій у мережах промислових підприємств України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно наукового напрямку ДонНТУ в рамках розробок, які виконувалися за держбюджетною темою “Підвищення ефективності систем електропостачання й електроспоживання” (Н27/2000), госпдоговірною темою № 03-105 “Оцінка вибухобезпеки й пожежобезпеки виробітків при експлуатації відособленої системи електропостачання напругою 6 кВ” і держбюджетною темою Д-6-03 (0103U001579) “Розвиток основ теорії оцінки пожежної безпеки систем електропостачання 380-220 В житлових приміщень”.

Мета і задачі дослідження. Удосконалення методу розрахунків надійності структурно-складних схем систем електропостачання 10-0,38 кВ і виявлення заходів і засобів, які дозволяють підвищити живучість вузлів навантаження.

Ідея роботи. Виявлення впливу частоти появи й тривалості існування струмів короткого замикання в елементі мережі, що захищається, надійності систем відключення основного й резервного захисного комутаційного апарата, а також системи автоматичного введення резерву на живучість вузлів навантаження систем електропостачання промислових підприємств та їх споживачів.

Для досягнення поставленої мети визначені задачі дослідження:

1. Розробити математичну модель надійності захисного комутаційного апарата, що враховувала б помилкові, зайві спрацьовування засобів релейного захисту, а також відмови в спрацьовуванні системи відключення захисного комутаційного апарата з випадковою появою струму короткого замикання в зоні дії його максимального струмового захисту.

2. Розробити математичну модель надійності системи “елемент, що захищається – основний струмовий захист – резервний струмовий захист”, що враховувала б у динамічному режимі відмови в спрацьовуванні захисних комутаційних апаратів.

3. Розробити математичну модель надійності системи автоматичного введення резерву (АВР) на секційному вимикачі.

4. Розробити методику оцінки надійності схем систем електропостачання промислових підприємств із урахуванням трьох видів відмов: відмова типу “коротке замикання”, відмова типу “обрив кола” і відмова в спрацьовуванні захисного комутаційного апарата, а також строків його профілактики.

5. Розробити методику оцінки живучості вузлів навантаження.

Об'єкт дослідження – система електропостачання 10-0,38 кВ промислового підприємства, його електрообладнання й засоби захисту від струмів КЗ.

Предмет дослідження – надійність системи електропостачання 10-0,38 кВ, живучість вузлів навантаження, надійність електрообладнання й строки його профілактики.

Методи досліджень. Для досягнення поставленої мети в роботі використовувалися аналітичні й експериментальні методи: математичного моделювання, засновані на теорії ймовірностей і математичної статистики, теорії надійності; математичного моделювання фізичних процесів, засновані на теорії кіл Маркова; експериментальних досліджень функціонування електрообладнання й спостереження за ним у ході експлуатації.

Основні наукові положення, що виносяться на захист, та їх новизна.

1. Математична модель надійності захисного комутаційного апарата, яка відрізняється від відомих тим, що дозволяє враховувати частоту помилкових відключень споживачів, імовірність відмов у спрацьовуванні й строки профілактики системи відключення захисного комутаційного апарата з випадковою появою струмів короткого замикання в зоні дії його максимального струмового захисту.

2. Математична модель надійності системи “елемент, що захищається –основний захист – резервний захист”, яка відрізняється від відомих тим, що враховується частота появи струмів короткого замикання в зоні дії розглянутих захистів, тривалість їхнього існування, надійність системи відключення основного, резервного захисного комутаційного апарата, строки їх профілактики, а також імовірність появи помилкових вимкнень споживачів.

3. Математична модель надійності системи автоматичного введення резерву на секційному вимикачі, яка відрізняється від відомих тим, що дозволяє враховувати частоту відмов типу “обрив кола” ввідних комутаційних апаратів і частоту відмов системи увімкнення АВР, а також строки її профілактики.

4. Аналітична залежність живучості вузла навантаження від частоти появи й тривалості існування струмів короткого замикання в зоні дії розглянутого захисту, надійності системи відключення захисного комутаційного апарата й строків його профілактики.

Обґрунтування й вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується коректним застосуванням основних теоретичних й експериментальних методів досліджень (теорії однорідних марковських процесів, теорії матриць; теорії ймовірностей), відповідністю обсягу даних спостережень РД 50-69-89 і ДСТУ 286-94; гіпотезами про види розподілу досліджуваних випадкових величин, підтверджуваних з довірчою ймовірністю не нижче 0,8 і граничною відносною помилкою не вище 0,2; позитивними результатами впровадження розробленої методики розрахунку й рекомендацій.

Наукове значення роботи: Розроблено нові математичні моделі й одержані аналітичні залежності, що дозволяють прогнозувати живучість вузла навантаження й робити оцінку надійності системи електропостачання. Уперше запропоновані аналітичні залежності втрати живучості вузла навантаження від частоти появи й тривалості існування струмів короткого замикання в зоні дії релейного захисту, надійності системи відключення захисного комутаційного апарата, системи АВР й строків їх профілактики.

Практичне значення роботи полягає в розробці методики оцінки надійності схем систем електропостачання 10-0,38 кВ із урахуванням трьох видів відмов електрообладнання; методики оцінки живучості вузлів навантаження системи електропостачання промислового підприємства; обґрунтуванні норм надійності на системи відключення захисних комутаційних апаратів, систему увімкнення секційних вимикачів разом із системою АВР й строки їх профілактики, при яких забезпечується заданий відомчими інструкціями рівень живучості вузла навантаження; у виявленні ступеня впливу автоматичного введення резерву на секційному вимикачі на живучість вузла навантаження.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Основні наукові результати роботи використані в держбюджетній темі ДонНТУ “Підвищення ефективності систем електропостачання й електроспоживання” (Н27/2000), госпдоговірній темі № 03-105 “Оцінка вибухобезпеки й пожежобезпеки виробітків при експлуатації відособленої системи електропостачання напругою 6 кВ” і держбюджетній темі Д-6-03 (0103U001579) “Розвиток основ теорії оцінки пожежної безпеки систем електропостачання 380-220 В житлових приміщень”, а також у навчальному процесі.

Розроблені математичні моделі й методики були використані МакНДІ для оцінки пожежобезпеки підземних кабельних мереж 6 кВ й шахтою ім. Калініна для оцінки живучості головних знижувальних підстанцій, що постачають електроенергією підземним й поверхневим споживачам. Системи відключення для КРУ-6 кВ, які розробляє УкрНДІВЕ забезпечують живучість підземних кабельних мереж 6 кВ при випадковій появі струмів металевого короткого замикання в зоні дії їх максимального струмового захисту.

Особистий внесок автора міститься в розробці математичних моделей й одержанні залежностей, які дозволяють прогнозувати живучість вузлів навантаження системи електропостачання; у розробці схем заміщення й методики оцінки надійності схем систем електропостачання 10-0,38 кВ промислових підприємств із урахуванням трьох видів відмов елементів: відмова типу “коротке замикання”, відмова типу “обрив кола” і відмова в спрацьовуванні; у статистичній обробці результатів спостереження за надійністю електрообладнання.

Апробація роботи. Результати дисертаційної роботи доповідалися на наступних конференціях:

1. Науково-практична конференція “Донбас - 2020. Наука й техніка - виробництву” м. Донецьк, 05-06.02.2002 р. 2. ІІ міжнародна науково-технічна конференція “Керування режимами роботи об'єктів електричних систем - 2002” м. Донецьк, 12-14 вересня 2002 р. 3. II науково-практична конференція “Донбас - 2020. Наука й техніка - виробництву” м. Донецьк, 03-04.02.2004 р. 4. Міжнародна науково-технічна конференція “Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації” м. Кременчук, 19-21 травня 2004 р. 5. III-я Міжнародна науково-технічна конференція “Керування режимами роботи об'єктів електричних систем - 2004 (Автоматика-2004)” м. Донецьк, 9-11 вересня 2004 р. 6. V міжнародна науково-технічна конференція “Ефективність та якість електропостачання промислових підприємств” EPQ 2005, 18-20 травня 2005 р., м. Маріуполь.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 19 наукових праць, з них 15 у виданнях, рекомендованих ВАК України, отримано один патент України на винахід, 3 статті в матеріалах науково-технічних конференцій.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розглянута актуальність проблеми, зазначена мета роботи, ідея, викладені основні наукові положення й результати, що виносяться на захист та їх новизна.

Перший розділ роботи “Основні методи та підходи до оцінки надійності систем електропостачання і живучості вузлів навантаження з урахуванням відновлення елементів” присвячений огляду основних методів і підходів до оцінки надійності систем електропостачання й живучості вузлів навантаження. Розглянуто засоби й заходи, за допомогою яких забезпечується високий ступінь надійності сучасних електроенергетичних систем (ЕЕС). Наведено конкретні приклади, що вказують на втрату живучості вузлів навантаження.

Обґрунтована мета роботи й поставлені завдання дослідження. Проаналізовані існуючі припущення й положення, які використовуються при розрахунках надійності систем електропостачання з урахуванням відновлення елементів.

Розглядаються відмови, яким піддається електрообладнання в процесі експлуатації: відмова типу “обрив кола” і відмова типу “коротке замикання”. Розглянуто способи одержання мінімальних перетинів. Приводяться інженерні формули для зведення схем заміщення до одного еквівалентного по надійності елемента. Розглянуто спосіб перетворення складних за структурою схем заміщення для оцінки їхньої надійності, заснований на застосуванні перетворень “трикутник - зірка” й “зірка - трикутник”. Зроблено аналіз існуючих способів оцінки відмов у спрацьовуванні захисних комутаційних апаратів. У першому розділі обґрунтовується висновок про те, що для збільшення точності розрахунків надійності систем електропостачання промислових підприємств і живучості вузлів навантаження необхідно розробити більш досконалу математичну модель надійності захисного комутаційного апарата, що враховувала б три види відмов: відмова типу “обрив кола”, відмова типу “коротке замикання” і відмова в спрацьовуванні.

Другий розділ “Оцінка надійності захисного комутаційного апарата” присвячено розробці математичної моделі роботи захисного комутаційного апарата в динамічному режимі.

Відповідно оцінки надійності система, яка складається з релейного захисту (РЗ), соленоїда, що відключає, й привода вимикача, була розглянута як система, що складається із трьох логічно послідовно з'єднаних елементів. Система захисного комутаційного апарата (ЗКА) із часом може перебувати в одному з наступних станів: нормальна робота, відмова типу “обрив кола” і відмова в спрацьовуванні.

Було зроблене припущення про те, що інтервали часу між появами ушкоджень типу “обрив кола”, відмова в спрацьовуванні й тривалість спрацьовування захисту не суперечать експоненціальним функціям розподілу ймовірностей. Відмову, що може привести до відмови в спрацьовуванні можна виявити тільки при проведенні профілактичних оглядів системи відключення. Перевірки системи відключення абсолютно надійні. У елементах мережі, що захищаються, враховуються тільки ті відмови, які приводять до коротких замикань (КЗ).

До відмов типу “обрив кола” були віднесені всі види помилкових спрацьовувань ЗКА. Обидві різновиди відмов ЗКА є подіями незалежними і неспільними, і по різному впливають на режим роботи споживачів електричної енергії. Тому

, (1)

де – імовірність того, що за час t не відбудеться помилкового відключення й відмови в спрацьовуванні захисного комутаційного апарата з появою КЗ у зоні дії його струмового захисту; – імовірність безвідмовної роботи захисного комутаційного апарата при урахуванні відмов типу “обрив кола”; – імовірність безвідмовної роботи захисного комутаційного апарата при урахуванні “схованих відмов” системи відключення.

Імовірність безвідмовної роботи ЗКА при урахуванні відмов типу “обрив кола” можна визначити за допомогою формули

, (2)

де – параметр потоку відмов ЗКА типу “обрив кола”.

Імовірність R1(t) визначається виразом:

R1(t) = P1(t) + P2(t) + P3(t), (3)

де P1(t) – імовірність знаходження ЗКА в режимі очікування (в мережі, що захищається, відсутнє КЗ); P2(t) – імовірність відмови ЗКА (в мережі, що захищається, відсутнє КЗ); P3(t) – імовірність знаходження ЗКА в режимі очікування (в мережі, що захищається, відбулося КЗ).

Імовірності P1(t) … P3(t) визначаються із системи рівнянь:

P'1(t)= – (л1 + л2) ·P1(t) + м1·P2(t)+ м2·P3(t) ,

P'2(t)= л1·P1(t) – (л2 + м1)·P2(t) , (4)

P'3(t)= л2·P1(t) – (л1 + м2)·P3(t) ,

де л1 – параметр потоку КЗ у зоні дії ЗКА; м1 – параметр потоку спрацьовувань ЗКА; л2 – параметр потоку відмов системи відключення ЗКА; м2 – параметр потоку відновлення системи відключення ЗКА.

Система (4) вирішується при початкових умовах: P1(0)=1,P2(0)=P3(0) = 0.

Застосовуючи до системи (4) пряме перетворення Лапласа й з огляду на початкові умови, одержимо:

P1(s)·(s + л1 + л2) – м1·P2(s)– м2·P3(s) = 1, –

л1·P1(s) + (s + л2 + м1)·P2(s) = 0, (5)–

л2·P1(s) + (s + л1 + м2)·P3(s) = 0.

Після розв’язання системи (5) щодо зображення шуканих функцій одержимо:

P1(s) =(s + л1 + м2) ·( s + л2 + м1) / (s3 + a·s2+ b·s + c),

P2(s) = л1·(s + л1 + м2) / (s3 + a·s2·+ b·s + c), (6)

P3(s) = л2·( s + л2 + м1) / (s3 + a·s2·+ b·s + c),

де a = 2·л1 + 2·л2 + м1 + м2; b = л1·л2 + (л1+ л2 + м2)·(л1+ л2 + м1);

c = л1·л2·(л1 + л2 + м1 + м2).

Імовірність безвідмовної роботи ЗКА при урахуванні тільки відмов у спрацьовуванні визначається виразом:

R1(t) = L-1 [(1 – ш(s) ) / s], (7)

де

ш(s) = 1 – s·(P1(s)+ P2(s)+ P3(s)), (8)

L-1 – символ зворотного перетворення Лапласа.

Використовуючи (6) і (8), одержуємо:

ш(s) = (2·s·л1·л2 + с) / (s3 + a·s2·+ b·s + c). (9)

Середній час до першої відмови в спрацьовуванні ЗКА ф1 і дисперсію D1 знаходимо з виразів:

ф1 = – ш'(0) , (10)

D1 = ш'' (0) – [ш'(0)]2 . (11)

Використовуючи (9), (10), (11), одержуємо:

ф1 = (b – 2· л1·л2) / c , (12)

D1 = [b2 – (2· л1·л2)2 – 2·a·c] / c2 . (13)

Використовуючи вираз (6) із застосуванням зворотного перетворення Лапласа, одержуємо:

R1(t) = L-1 [P1(s)+ P2(s)+ P3(s)]. (14)

Після підставлення у формулу (14) значень Р1(s), Р2(s) і Р3(s) одержимо:

R1(t) = L-1 {(s2+a·s+b)/(s3+a·s2+b·s+c)}. (15)

Позначимо через G(s) = s2+a·s+b; Z(s) = s3+a·s2+b·s+c.

Для одержання зворотного перетворення Лапласа скористаємося формулою (16):

де sk – корінь кубічного рівняння.

s3+a·s2+b·s+с = 0. (17)

Підставляючи отримані значення коренів рівняння (17) s1, s2, s3 у формулу (16), одержимо(18):

За допомогою формули (2) ймовірність безвідмовної роботи захисного комутаційного апарата можна визначити з виразу (19):

Якщо система відключення захисного комутаційного апарата перевіряється через певний інтервал часу И і перевірки абсолютно надійні, тоді м2 можна визначити:

. (20)

У тому випадку, якщо й дотримуються умови л1 < 100·м1; л2 < 100·м2 и л2·И< 0,1 тоді формула для визначення ймовірності безвідмовної роботи захисного комутаційного апарата приймає вид:

. (21)

Визначено ймовірність безвідмовної роботи R(t) захисного комутаційного апарата, користуючись точною й наближеною формулами. На рис. наведені графічні залежності отриманих функцій, з яких видно, що різниця між точними й наближеними значеннями R1(t) і R1*(t) в інтервалі часу t = {0,8; 1,5} року для даного прикладу не перевищує 1%.

Рис.1. Графіки функції ймовірності безвідмовної роботи, побудовані за точною R1(t) і наближеною R1*(t) формулах

Третій розділ “Розробка математичної моделі системи: “елемент, що захищається – основний струмовий захист – резервний струмовий захист” в мережах 10-0,38 кВ” присвячений розробці математичної моделі надійності системи та сформульовано загальні поняття й припущення.

Зміну стану елемента мережі, що захищається, представимо у вигляді марковського випадкового процесу , що може приймати із часом два стани: 0 – працездатне й 1 – відмовне, і характеризується параметрами й . На схемі рис. 2 елемент, що захищається, позначений номером 1. Аналогічними випадковими функціями й представимо зміну в часі станів захисних комутаційних апаратів під номерами 2 й 3 з відповідними параметрами , і , . Відмова у спрацьовуванні “системи” наступає в момент зустрічі розглянутих процесів у стані 1, тобто коли , і .

Приймаємо, що в початковий момент часу , тобто КЗ у елементі мережі, що захищається, відсутнє; у системі відключення захисного комутаційного апарата 2 й 3 відсутні ушкодження і їхні струмові захисти перебувають у режимі очікування. Визначити середній час до першої відмови в спрацьовуванні “системи”, ймовірність безвідмовної роботи “системи” протягом часу t і дисперсію часу до першої відмови “системи” при урахуванні тільки відмов у спрацьовуванні ЗКА під номерами 2 й 3.

Рис. 2. Схема електропостачання вузла навантаження

Сукупність процесів , і розглянемо як один регулярний однорідний марковський процес , у якому вісім дискретних станів й безперервний час, що повністю характеризується матрицею інтенсивностей переходів виду:

.

Визначаємо середній час до відмови системи

, (22)

де , матриця Q виходить із матриці Р шляхом виключення з її поглинаючого стану (останній рядок й останній стовпець); r – вектор-стовпець, всі елементи якого дорівнюють 1; – вектор-стовпець; I – одинична матриця.

Ймовірність знаходження розглянутої системи в кожному з можливих станів: , ..., , визначимо з рішення системи лінійних диференційних рівнянь:

, (23)

де – вектор-рядок; – вектор-рядок; .

Дисперсія часу до влучення системи у відмовний стан :

, (24)

де – фундаментальна матриця;

– вектор-стовпець; – вектор-стовпець.

У тому випадку, коли , ймовірність визначимо:

. (25)

Ймовірність безвідмовної роботи “системи” з урахуванням відмов типу: “обрив кола” ввідних комутаційних апаратів; КЗ у елементі мережі, що захищається; й відмов у спрацьовуванні систем відключення фідерних комутаційних апаратів (26):

де – параметри потоку відмов типу “обрив кола”; – параметри потоку відмов у спрацьовуванні; – параметр потоку відмов типу КЗ.

Для вузла системи з АВР на секційному вимикачі була розроблена математична модель й отримана матриця інтенсивностей переходів. Використовуючи отриману матрицю інтенсивностей переходів і системи рівнянь (22), (23), (24) надається можливість за допомогою ЕОМ визначати необхідні характеристики вузла навантаження.

Четвертий розділ “Статистична обробка інформації про пошкодження електрообладнання підприємства ВО “Ямбурггаздобича” присвячений аналізу статистичних даних про надійність електрообладнання напругою 10-0,38 кВ.

За дослідженнями EPRI - Electric Power Research Institute (США) збитки від аварійного виходу з ладу електрообладнання й аварійних відключень у системах електропостачання дорівнюють в 15-24 млрд. доларів на рік. Дані щодо збитків для економіки України через ненадійність електрообладнання й аварійних відключень систем електропостачання промислових підприємств у офіційних “відкритих” документах відсутні.

Однією з основних проблем при оцінюванні надійності конкретних проектованих систем електропостачання – є використання статистичних даних про параметри потоку відмов електрообладнання, які використовувалися у проектній практиці колишнього СРСР, тому що вони не відрізняються особливою вірогідністю.

Аналіз даних показав, що через великий розкид у значеннях параметрів потоку відмов для того самого типу електрообладнання їх доцільно використовувати тільки для порівняльних розрахунків схем систем електропостачання. Для одержання найбільш достовірних оцінок необхідно для кожного, найбільш важливого для економіки України підприємства, організувати спостереження за обладнанням кожного приєднання й фіксувати: рік, місяць, день, годину виникнення ушкодження; вид відмови; причину; час відновлення обладнання, що вийшло з ладу; час перерви електропостачання споживача.

Отримана інформація буде використана при розробленні цілеспрямованих організаційних і технічних рекомендацій щодо підвищення надійності електрообладнання, систем електропостачання й живучості вузлів навантаження конкретного підприємства.

П'ятий розділ “Розробка методики оцінки надійності структурно-складних схем з урахуванням трьох видів відмов обладнання” присвячений розробці методики оцінки надійності структурно-складних схем систем електропостачання промислових підприємств 10-0,38 кВ й розрахунку живучості вузлів навантаження.

Розглянуто наступні види відмов елементів схеми: відмова типу “коротке замикання”, відмова типу “обрив кола” і відмова у спрацьовуванні (схована відмова). Для ЗКА враховуються два види відмов: відмова типу “обрив кола” і відмова в спрацьовуванні, а для інших елементів схеми враховується відмова типу КЗ.

Як критерій оцінки надійності системи електропостачання будемо використовувати ймовірність безперебійного електропостачання споживачів, які одержують електроенергію від розглянутого вузла навантаження й середній час відновлення електропостачання вузла навантаження .

Розроблені припущення, які дозволяють реальну схему системи електропостачання при оцінці її надійності з урахуванням трьох видів відмов елементів мережі замінити еквівалентною.

Параметр потоку відмов у спрацьовуванні захисного комутаційного апарата визначається:

, (27)

де – параметр потоку КЗ в j-тому елементі, що перебуває в зоні дії розглянутого струмового захисту i-того захисного комутаційного апарата; – параметр потоку відмов, виявлених у системі відключення вимикача при регулярних профілактичних перевірках з інтервалом часу ; – заданий відомчими інструкціями інтервал часу між перевірками системи відключення захисного комутаційного апарата.

Параметри надійності схеми:

, , , (28)

де , – еквівалентні параметри потоку аварійних відключень і відновлень електропостачання вузла навантаження через ушкодження: вимикачів – типу “обрив кола”; для інших елементів типу КЗ; – параметр потоку аварійних відключень вузла навантаження через КЗ у лініях, що відходять, і відмови в спрацьовуванні i-того ЗКА; – параметр потоку відновлень електропостачання вузла навантаження після виявлення ушкодженого i-того ЗКА й від'єднання його від мережі.

Використовуючи розроблену методику розрахунків надійності схеми, вихідні параметри потоків відмов, була зроблена оцінка надійності типової схеми системи електропостачання промислового підприємства. Отримано: 1/рік, і години.

Запропоновано формулу для оцінки живучості об'єктів енергетики:

, (29)

де – параметр потоку незалежних КЗ в j-тому елементі мережі; – параметр потоку відмов у спрацьовуванні i-того захисного комутаційного апарата. Тут індекс s указує на те, що враховується потік відмов у спрацьовуванні i-того захисного комутаційного апарата; – інтервал часу між профілактичними оглядами системи відключення i-того захисного комутаційного апарата разом з його релейним захистом або системи автоматичного введення резерву; m – число захисних комутаційних апаратів, через які пройшов наскрізний аварійний струм (при цьому дія їх основного або резервного релейного захисту обов'язкова) або число секційних комутаційних апаратів з системою автоматичного введення резерву, що відмовили у включенні; n – число одиниць електрообладнання, які одержують електроенергію від даного вузла навантаження.

Формули (27) і (29) справедливі при виконанні умови . У тому випадку, якщо ці умови не виконуються, тоді живучість вузла навантаження визначається за допомогою розробленої в дисертації методики рішення систем лінійних диференціальних рівнянь на ЕОМ.

Нижньою оцінкою втрати живучості вузла навантаження пропонується величина 1/рік. Використовуючи розроблену методику, була зроблена оцінка живучості двох вузлів навантаження з автоматичним введенням резерву і без нього. Визначено живучість вузлів навантаження для типової схеми системи електропостачання промислового підприємства. Оцінено живучість головної поверхневої знижувальної підстанції 110/6 кВ, що живить поверхневі й підземні споживачі вугільної шахти, і розроблені рекомендації з підвищення її живучості за рахунок вибору строків профілактики системи відключення вступних ЗКА, при яких забезпечується нормований рівень живучості.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі поставлена й вирішена актуальна для енергетики України науково-технічна задача, що полягає в розробці нової математичної моделі надійності захисного комутаційного апарата й одержанні нових аналітичних залежностей, що дозволяють прогнозувати рівень надійності систем електропостачання 10-0,38 кВ із урахуванням трьох видів відмов електрообладнання й оцінювати живучість вузлів навантаження.

Основні результати виконаної роботи:

1. Аналіз існуючих методів і підходів до оцінки надійності систем електропостачання показав, що для підвищення точності розрахунків варто розробити нову, більш досконалу математичну модель надійності захисного комутаційного апарата, яка б ураховувала два види відмов: відмова типу “обрив кола” і відмова у спрацьовуванні.

2. На основі теорії регулярних однорідних марковських процесів запропонована нова математична модель надійності захисного комутаційного апарата, яка відрізняється від відомих тим, що вона враховує в статичному режимі помилкові й зайві спрацьовування засобів захисту, а в динамічному режимі відмови в спрацьовуванні системи відключення (релейний захист, соленоїд, що відключає, привод вимикача), а також строки профілактики його системи відключення.

3. Запропоновано формули для визначення середнього часу до першої відмови в спрацьовуванні захисного комутаційного апарата, дисперсії, а також точна й наближена формули для визначення ймовірності безвідмовної роботи захисного комутаційного апарата.

4. Розроблено математичну модель надійності системи “елемент, що захищається – основний струмовий захист – резервний струмовий захист”, що враховує частоту появи струмів КЗ і тривалість їх існування в зонах дії основного й резервного струмового захисту, надійність їх системи відключення й строки їх профілактики.

5. Розроблено математичну модель надійності системи автоматичного введення резерву на секційному вимикачі й отримана матриця інтенсивностей переходів, що враховує параметри потоків відмов типу “обрив кола” для ввідних комутаційних апаратів і параметр потоку відмов у спрацьовуванні й строки профілактики системи АВР на секційному вимикачі.

6. За період з 1998 по 2004 р. у кабельних мережах 6(10) кВ ВО “Ямбурггаздобича” РФ, загальною довжиною 234 км зафіксовано 121 випадок міжфазних КЗ, з яких 39 привели до загоряння ізоляції в місці її ушкодження. Установлено, що інтервали часу між КЗ не суперечать експоненціальним функціям розподілу ймовірностей з параметрами потоків відмов типу КЗ у кабельній мережі 0,0738 1/рік і параметром потоку загорянь ізоляції (втрата живучості) 0,0238 1/рік. У кабельних мережах 0,38 кВ довжиною 618 км відбулося 356 КЗ, з яких 22 привели до загоряння ізоляції в місці її ушкодження й отримано параметр потоку появи КЗ у мережі 0,082 1/рік і параметр потоку загорянь ізоляції в місці появи КЗ (втрата живучості) 0,0051 1/рік.

7. Збір й аналіз статистичних даних про пошкоджуваність електрообладнання на напрузі 0,38-6(10) кВ на різних підприємствах м. Макіївки показав, що пошкодження кабельних ліній 0,38 кВ на 100 км довжини для різних підприємств коливається в межах від 46 до 186 ушкоджень у рік; пошкодження збірних шин 0,38 кВ на одне приєднання коливається в межах від 3 до 11.

8. Розрахунок надійності системи електропостачання за розробленою методикою для споживачів ПО “Ямбурггаздобича” РФ, що одержують електроенергію від секції шин 0,38 кВ, показав, що параметр потоку аварійних відключень вузла навантаження склав 12,02 1/рік. Порівняння отриманого результату з результатами, які були зафіксовані в журналах диспетчерського обліку за 16 років, починаючи з 1986 по 2000 р. показав, що розрахункове значення не відрізняється від зафіксованого більш, ніж на 18%. Наприклад, для 1987 року розрахункове число відключень у рік попадає в довірчий інтервал , побудований за статистичною інформацією про дійсне число аварійних відключень вузлів навантаження в рік.

9. Запропоновано методику, яка дозволяє вибирати строки профілактики систем відключення захисних комутаційних апаратів, при яких забезпечується нормований відомчими інструкціями рівень живучості. Показано, що застосування автоматичного введення резерву на секційному вимикачі 6 кВ дозволяє підвищити живучість вузла навантаження в рамках конкретного прикладу не менш ніж у 72 рази, а зміна строків профілактики систем відключення захисних комутаційних апаратів з рік на роки дозволила підвищити живучість вузла навантаження в 16 разів.

10. Зроблено оцінку живучості ГПП 110/6 кВ, що живить підземні й поверхневі споживачі вугільної шахти. Обрано строки профілактики систем відключення ввідних КРУ годин, при яких забезпечується нормований відомчими інструкціями рівень живучості 1/рік.

11. Для підвищення живучості електропроводок 0,38 кВ запропоновано використати пристрій захисного відключення, що випускається серійно, а ізоляцію провідника, що живить споживач електричної енергії, укласти в гнучкий металевий екран, тоді будь-яке дугове КЗ буде супроводжуватися витоком струму на землю, і у всіх випадках при ушкодженнях провідників буде спрацьовувати пристрій захисного відключення.

Основні публікації по темі дисертації:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

Особистий внесок здобувача у роботах, які написані у співавторстві: [2,3,18] – одержання інженерних формул, приклад розрахунку, висновки по роботі; [1,4,14] – розробка математичної моделі; [5] – розробка фізичної моделі процесу загоряння пожежонебезпечного пилу при експлуатації асинхронних двигунів; [6] – розробка математичної моделі, одержання наближеної формули, постановка прикладів та їх рішення; [7] – розробка математичної моделі для оцінки пожежобезпеки асинхронного двигуна при його експлуатації, приклад розрахунку; [8] - положення й припущення, що дозволяють одержати наближену формулу для оцінки появи цепочечних аварій; [9,15] - розробка дерева формування відмов у схемі мінімальних перетинів; [10,15] - розробка методики розрахунків; [17,11] - розв’язання розрахункових формул, приклад розрахунків; [12] - розрахункові формули й схеми заміщення; [16] - ідея приведення будь-якого дугового КЗ до замикань фази на землю.

АНОТАЦІЯ

Якімішина В.В. Розвиток методів розрахунку надійності структурно-складних схем систем електропостачання з урахуванням трьох видів відмов електрообладнання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.02 - “Електричні станції, мережі і системи”. Донецький національний технічний університет, Донецьк 2006.

Дисертація присвячена питанням удосконалювання методів оцінки надійності структурно-складних схем систем електропостачання й живучості вузлів навантаження.

Зроблено аналіз існуючих методів розрахунку надійності структурно-складних схем. Розроблено математичну модель надійності захисного комутаційного апарата, що відрізняється від відомих тим, що дозволяє враховувати помилкові спрацьовування засобів релейного захисту. А також відмови в спрацьовуванні системи відключення захисного комутаційного апарата з випадковою появою струмів КЗ у зоні дії його максимального струмового захисту.

Розроблено математичну модель надійності системи “елемент, що захищається – основний захист – резервний захист”, яка відрізняється від відомих тим, що враховуються відмови в спрацьовуванні двох захисних комутаційних апаратів. Запропоновано систему рівнянь, яка дозволяє визначити ймовірність відмов у спрацьовуванні системи автоматичного введення резерву на секційному вимикачі з появою короткого замикання в лінії, що відходить від вузла навантаження. Зроблено аналіз статистичних даних про відмови електрообладнання напругою 10-0,38 кВ й отримані відповідні параметри потоку відмов.

На основі отриманих математичних моделей були розроблені: методика оцінки надійності структурно-складних схем з урахуванням трьох видів відмов обладнання; методика оцінки живучості вузлів навантаження. Наведено приклади розрахунків.

Результати роботи використані в держбюджетній темі ДонНТУ (Н27/2000), держбюджетній темі Д-6-03 (0103U001579) і госпдоговірній темі № 03-105, а також у навчальному процесі.

Ключові