Отказы электрооборудования в системах электроснабжения

Важным методическим аспектом при исследовании свойства надёжности электрической сети является понятие «отказа». Под отказом понимается непредусмотренное прекращение или утрата объектом способности выполнять в необходимом объёме (размере) свои функции свыше допустимого времени.

Причинами отказов в электрической сети в большинстве случаев могут быть повреждения в оборудовании, аппаратуре и конструкциях электросетевых объектов или появление недопустимых режимных параметров в элементах сети, требующее принятия неотложных действий по их устранению.

Согласно Инструкции [19] все случаи повреждения элементов электрической сети, недопустимых отклонений параметров технического (технологического) состояния энергетических установок, а также полных или частичных незапланированных отключений энергоустановок (в т.ч. без повреждения оборудования) и энергоприёмников относятся к технологическим нарушениям, которые в зависимости от тяжести последствий подразделяются на аварии и инциденты. Все технологические нарушения подлежат расследованию и учёту, что позволяет сформировать базу данных по аварийности в электрических сетях за продолжительный срок эксплуатации.

Можно показать, что не все технологические нарушения приводят к случаю отказа. Так, например, при обрыве провода в одной цепи 2-х цепной ВЛ имеет место технологическое нарушение, при этом, если оставшаяся в работе другая цепь линии позволяет передавать необходимую мощность, то случай отказа линии отсутствует. Не будет отказа линии и при допустимом кратковременном отключении одноцепной ВЛ, если, например, она отключилась вследствие удара молнии в линию и успешно была включена действиями АПВ.

В теории надежности, как правило, предполагается внезапный отказ, который характеризуется скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров объекта.

На практике приходится анализировать и другие отказы, к примеру, ресурсный отказ, в результате которого объект приобретает предельное состояние, или эксплуатационный отказ, возникающий по причине нарушения установленных правил или условий эксплуатации. Т.о., отказы можно классифицировать по разным признакам:

1 Характер изменения выходного параметра объектадо момента возникновения отказа:

— внезапные отказы;

— постепенные (износные) отказы;

— сложные отказы.

Внезапные отказы проявляются в результате резкого, скачкообразного изменения основных параметров системы, связанных с нарушением условий работы, ошибочными действиями персонала и т.д.

При постепенных отказах наблюдается плавное изменение параметров оборудования в результате старения, износа. Постепенные отказы часто проявляются в форме внезапных.

Отказ, который включает особенности двух предыдущих, называется сложным отказом.

2 Возможность последующего использования объектапосле возникновения отказа:

— полные отказы;

— частичные отказы.

При полном отказе (полной утере работоспособности) оборудование или установку надо выводить из работы в ремонт. При частичном отказе оборудование или установка может какое-то ограниченное время выполнять часть заданных функций.

3 Связь между отказамиобъекта:

— независимые отказы;

— зависимые отказы.

Независимый отказ— отказ, не обусловленный другими отказами или повреждениями объекта.

Зависимый отказ—отказ, обусловленный другими отказами или повреждениями объекта.

4 Устойчивость состояния неработоспособности:

— устойчивые отказы;

— самоустраняющиеся отказы;

— сбои;

— перемежающиеся отказы.

Устойчивые отказы— отказы, которые можно устранить только путем восстановления (ремонта). Отказы, устраняемые без операций восстановления путем регулирования или саморегулирования, относятся к самоустраняющимся.

Сбой— самоустраняющийся отказ или однократный отказ, устраняемый незначительным вмешательством оператора.

Перемежающийся отказ— многократно возникающий самоустраняющийся отказ одного и того же характера.

5 Наличие внешних проявлений отказа:

— явные отказы;

— скрытые отказы.

Явный отказ— отказ, обнаруживаемый визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования при подготовке объекта к применению или в процессе его применения по назначению.

Скрытый отказ— отказ, не обнаруживаемый визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования, но выявляемый при проведении технического обслуживания или специальными методами диагностики.

Большинство параметрических отказов относятся к категории скрытых.

6 Причина возникновения отказа:

— конструктивные отказы;

— производственные отказы;

— эксплуатационные отказы;

— деградационные отказы.

Конструктивный отказ— отказ, возникший по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленных правил и (или) норм проектирования и конструирования.

Производственный отказ— отказ, возникший по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленного процесса изготовления или ремонта, выполняемого на ремонтном предприятии.

Эксплуатационный отказ— отказ, возникший по причине, связанной с нарушением установленных правил и (или) условий эксплуатации.

Деградационный отказ— отказ, обусловленный естественным процессом старения, изнашивания, коррозии и усталости при соблюдении всех установленных правил и (или) норм проектирования, изготовления и эксплуатации.

7 Природа происхождения отказа:

— естественные отказы;

— искусственные отказы.

Отказы, происходящие без преднамеренной организации их наступления в результате направленных действий человека (или автоматических устройств), относят к категории естественных отказов.

Искусственные отказывызываются преднамеренно, например, с исследовательскими целями, с целью необходимости прекращения функционирования и т.п.

8 Время возникновения отказа:

— отказы при испытаниях;

— приработочные отказы;

— отказы периода нормальной эксплуатации;

— отказы последнего периода эксплуатации.

9 Возможность устранения отказа:

— устранимые отказы;

— неустранимые отказы.

10 Критичность отказа(уровень прямых и косвенных потерь, трудоемкость восстановления):

— критические отказы;

— некритические отказы (существенные и несущественные).

Отказом в работе называют отказ, выявившийся в момент выполнения заданной функции, а дефектом — отказ, обнаруженный при наладке, профилактическом осмотре или плановом ремонте.

Элементы ЭСН относятся к восстанавливаемым при отказах. Надежность системы или элемента обеспечивается такими свойствами надежности, как например свойствами безотказности, долговечности, ремонтопригодности, сохраняемости, управляемости, устойчивоспособности, живучести и безопасности.

Безотказность– свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.

Долговечность– свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность– свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонта.

Сохраняемость– свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способность объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования.

А при анализе надежности объекта как системы используются следующие свойства характеризующие надежность.

Устойчивоспособность – свойство системы непрерывно сохранять устойчивость в течение некоторого интервала времени.

Устойчивость – способность системы переходить от одного устойчивого режима к другому при различных возмущениях.

Режимная управляемость – это свойство системы обеспечивать включение, отключение и изменение режима работы элементов по заданному алгоритму.

Живучесть – свойство системы противостоять крупным возмущениям режима, не допуская их цепочечного развития и массового отключения потребителей, не предусмотренного алгоритмом работы противоаварийной автоматики.

Безопасность определяется, как свойство объекта не создавать опасности для людей и окружающей среды во всех возможных режимах работы и аварийных ситуациях.

В процессе эксплуатации элементов системы ЭСН в материалах, из которых они изготовлены, вследствие термических и механических воздействий, а также воздействий электромагнитных полей, агрессивной среды, снижения показателей качества электроэнергии накапливаются необратимые изменения, снижающие прочность, нарушающие координацию и взаимодействие частей. Эти изменения в случайные моменты времени могут приводить к отказу элемента.

При рассмотрении показателей надежности любого элемента различают три периода его эксплуатации: I — период приработки; II — период нормальной эксплуатации; III — период интенсивного износа и старения. Эти периоды наглядно нанесены на кривую интенсивности отказов, иногда ее называют кривой жизни технического изделия (см. рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Кривая интенсивности отказов
На кривой интенсивности отказов показаны значения средней долговечности изделия T1 и средней наработки до первого отказа Tср> T1. Средняя наработка до первого отказа Tср обычно значительная и характеризует запас надежности устройства в период нормальной эксплуатации. Обычно T1 ненамного превышает время t2,т. е. соответствует начальному участку периода старения и износа.

Период приработки(0 < t < t1) начинается с выхода нового изделия из цехов завода (t = 0) ихарактеризуется высокой интенсивностью отказов, которая постепенно падает. Эти отказы обусловлены технологическими, производственными или конструкционными недостатками, присущими как самому изделию, так и производству (включая также производство материалов, их хранение и транспортировку).

Отказы, возникающие в период приработки, стремятся исключить путем выявления скрытых дефектов монтажа и изготовления, отбраковкой элементов. Отказы в период приработки подчиняются закону Вейбулла.

Период нормальной эксплуатации( t1 < t < t2) характеризуется минимальной интенсивностью отказов. В период нормальной эксплуатации происходят внезапные отказы, которые имеют случайный характер (механические повреждения, повреждения вследствие неблагоприятных внешних условий и т.д.). Природа таких отказов обусловлена неожиданной концентрацией нагрузок внутри изделия (или извне).

Подразделение отказов на внезапные и постепенные условно и служит для удобства анализа и количественной оценки протекающих явлений. Основной причиной внезапных отказов является превышение механической прочности элемента.

Регулярность событий в период нормальной эксплуатации не наблюдается. Закон распределения отказов в этот период экспоненциальный.

Период старения и износа(t > t2)характеризуется резким увеличением интенсивности отказов и связан с интенсивным износом и старением, необратимыми физико-химическими процессами в материалах, из которых изготовлены элементы и их части (постепенные отказы).

Закон распределения отказов — либо нормальный, либо логарифмически-нормальный (могут быть и другие случаи).

Т.о., отказ оборудования может произойти в любом из рассматриваемых периодов работы и зависит это от суммарного воздействия той или иной комбинации факторов, основными из которых являются следующие.

Особое значение имеют производственные факторы. Влияние этих факторов учитывают отдельно, потому что, во-первых, они не могут быть конкретно учтены при проектировании, и, во-вторых, после отработки конструкции и внедрения ее в производство уровень надежности оборудования полностью определяется стабильностью производства. Кроме того, одно и то же оборудование, изготовленное на разных предприятиях, нередко очень резко отличается друг от друга по качеству.

К конструктивным факторам относят прежде всего:

— скорость замыкания и размыкания контактов;

— раствор, провал и нажатие контактов;

— вибрацию контактов при включении;

— трение в элементах подвижных частей;

— особенности привода;

— особенности дугогасящего устройства и др.

Факторы, определяемые свойствами применяемых материалов — это, в основном, особенности контактных и изоляционных материалов, а также материалов для пружин, термобиметаллических элементов и т.п.

При эксплуатации электрооборудование подвергается разнообразным воздействиям, зависящим от нагрузки, режима и условий работы. По влиянию на характеристики работоспособности оборудования эксплуатационные факторы делят на две группы:

1. ток и напряжение, род тока, характер нагрузки, частота срабатывания, продолжительность включения и др.;
2. окружающая температура, влажность воздуха, давление и запыленность воздуха, агрессивные газы, особенности монтажа, внешние вибрации, действия обслуживающего персонала и др.

Возникновению отказов способствуют также следующие часто встречающиеся недостатки при эксплуатации оборудования:

— пренебрежение указаниями заводских инструкций по монтажу, регулировке и обслуживанию, не качественно выполненные электромонтажные работы;

— недопустимые замены материалов изношенных деталей, в особенности контактных;

— нарушение правил хранения и транспортировки;

— неправильное использование в непредусмотренных режимах или условиях;

— неправильная, небрежная или несвоевременная профилактика и др.