Оценка параметров надежности электроснабжения от отказов выключателя при провалах на-пряжения

© В.И. Зацепина, И.Г. Шилов, 2009

В.И. Зацепина, И.Г. Шилов

ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ НАДЕЖНОСТИ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОТ ОТКАЗОВ

ВЫКЛЮ ЧА ТЕЛЯ ПРИ ПРОВАЛАХ НАПРЯЖЕНИЯ

Произведена оценка параметров надежности электроснабжения с учетом отказов выключателей при провалах напряжения, и излагается подход определения вероятности бесперебойного электроснабжения узла схемы, основанный на расчете параметров потока отказов и восстановлений.

Ключевые слова: электрооборудование, цепи релейной защиты, аварийные отключения элементов.

~П абота электрооборудования характеризуется случайными -МГ величинами -отказами и наработками на отказ. Они описываются средними параметрами, законами распределения. По плотности вероятности длительностей импульсов и пауз случайного потока определяют надежность электроснабжения с позиции безотказности: параметр потока отказов, интенсивность отказов и вероятность безотказной работы. Возможен обратный переход от параметров безотказности к зависимостям импульсного потока. Такой подход позволяет описывать прерывные и изменяющиеся во времени физические процессы.

При оценке надежности схемы электроснабжения (СЭС) предлагается под ее узлами понимать пункты, которые непосредственно связаны не менее чем с тремя направлениями передачи электроэнергии - это сборные шины или секции распределительных устройств. Для такой системы введем понятия: отказ типа «обрыв цепи» и отказ типа «короткое замыкание». С позиции безотказности предлагается учитывать переход аварии через коммутационный аппарат - скрытый отказ. Как правило, он обусловлен недопустимыми провалами напряжения в сети ниже напряжения срабатывания выключателя.

Перечисленные виды отказов необходимо относить к следующим типам электрооборудования. Отказ типа «короткое замыкание» происходит во всех элементах схемы, через которые проходит ток нагрузки в нормальном режиме работы. Короткие замыкания

для таких элементов отключаются основной релейной защитой, в зоне действия которой находится элементы сети. Для выключателей будем учитывать два вида отказов. К «обрыву цепи» следует отнести ложные и излишние отключения выключателей из-за действий релейной защиты. Они ликвидируются ручным переключением и автоматическими отключениями выключателей в результате повреждений во вторичных цепях релейной защиты. Отказы выключателя в срабатывании при осмотрах оценивает возможность перекрытия изоляции при перенапряжениях с проверкой путей утечки тока.

Когда происходит отказ всей системы, то следует использовать критерий, который обеспечивает непрерывность электроснабжения в узлах нагрузки. В этом случае необходимо оценить вероятность бесперебойного электроснабжения R(t) приемников, получающих энергию от заданной секции шин и среднее время тст восстановления узла нагрузки. Здесь следует принять допущения, позволяющие реальный элемент представить схемой замещения: участок электрической сети может находиться только в двух состояниях -работоспособное (0) и отказавшее (1); защитные коммутационные аппараты могут отказывать двумя различными способами - отказ типа «обрыв цепи» и отказ в срабатывании; интервалы времени между отказами элементов и их длительности не противоречат экспоненциальным функциям распределения вероятностей; устройство автоматического включения резерва (АВР) и системы релейной защиты могут выходить из строя только в режиме ожидания.

Каждый элемент СЭС характеризуется следующими событиями: Xji - ьй элемент работает, в нем не наблюдается отказ j-гo вида; Xji - в ьом элементе произошел отказ j-гo вида; Лсх - >й коммутационный аппарат работает и в нем не наблюдается отказ j-гo вида; у^ - в ьом коммутационном аппарате произошел отказ j-гo вида. Каждое событие характеризуется параметром потока отказов

- Л и параметром потока восстановлений - ; индекс i - номер

элемента в схеме, а j - вид отказов элемента, т.е. j = 1 - «короткое замыкание»; j = 2 -«обрыв цепи», j = 3 - отказ в срабатывании. Отказы АВР, средств защиты, систем отключения выключателей и

самих выключателей обнаруживаются и устраняются только в результате профилактических проверок П1:

ПЛ 3 < 0,1,/ = 1,...,m.

Предполагается, что проверки П1 абсолютно надежные. При этом после отказа электрооборудования или средств защиты его работоспособность полностью восстанавливается. Интервалы между отказами (поток отказов) электрооборудования (средств защиты) и длительность их восстановлений (поток восстановлений) взаимно независимы; восстановление электрооборудования неограниченное и полное, все работоспособное электрооборудование находится в работе, а отказавшее - в процессе восстановления. Соблюдение указанных допущений позволяет каждую единицу электрооборудования распределительной сети представить в виде элемента, характеризующегося параметром потока отказов Л и параметром потока восстановлений при соблюдении:

Л

< 0,01.

т

Целесообразно рассмотреть условия, позволяющие реальную схему понизительной подстанции при оценке ее безотказности заменить на эквивалентную.

- выделяется вход и выход системы, т.е. узлы, относительно которых определяется надежность электроснабжения. Все источники питания соединяются в одну точку, которая принимается абсолютно безотказной;

- учитываются только те повреждения элементов сети (линии электропередачи, сборные шины, трансформаторы), которые сопровождаются КЗ;

- при расчете безотказности систем электроснабжения оцениваются длительные аварийные отключения элементов, а перерывы питания приемников на время действия АПВ и АВР не рассматриваются;

- определяются двойные совпадающие в пространстве и времени отказы: короткое замыкание в сети и отказ в срабатывании защитного коммутационного аппарата.

Элементы схемы замещения характеризуются параметрами потока отказов и восстановлений. Зададимся двумя отказами выключателя (отказ типа «обрыв цепи» и отказ в срабатывании), они по-разному действуют на обеспечение надежности. Отдельно составим две схемы замещения системы электроснабжения без учета приемников узлов нагрузки. Каждый элемент схемы характеризуется параметрами: Л - поток отказа j-гo типа в 1-том элементе

схемы замещения; т^ - поток восстановления 1-го элемента от j-гo вида отказов:

1

т„ = =-,

1 вг]

где 611 - среднее время восстановления электроснабжения узла нагрузки в результате аварийного ремонта (замены) 1-го электрооборудования после отказа j-го вида () = 1, 2); 6г,л - среднее время, затрачиваемое обслуживающим персоналом на ручное переключение и восстановление электроснабжения при отказе в срабатывании (j = 3) 1-го защитного коммутационного аппарата при появлении отказов типа «КЗ» () = 1) в защищаемом элементе.

Для удобства расчета безотказности схемы обозначим Л = Л ;

Эквивалентный параметр потока отказов Лк и восстановлений тк системы из п последовательно соединенных в отношении надежности элементов предлагается определять по зависимостям, где учитывается отказ типа «обрыв цепи», а для защищаемого элемента - повреждение «короткое замыкание»:

где Л - параметр потока отказов 1-го элемента; тi - параметр потока восстановлений 1-го элемента; к - номер эквивалентного элемен-

ту = тк; 61 = 6 у

п

та; п - общее число логически последовательно соединенных элементов.

Эквивалентный параметр потока отказов и восстановлений системы из т логически параллельно соединенных элементов определяются по формулам:

где т - общее число логически параллельно соединенных элементов.

Для сложных схем замещения, имеющих в составе «мостико-вую» структуру приведение к последовательно-параллельной схеме целесообразно использовать преобразование «треугольник-звезда». Используя зависимости (1-5) и схему замещения устанавливаются: Х0 - параметр потока аварийных отключений узла нагрузки при учете отказа выключателя типа «обрыв цепи»; то0 - параметр потока восстановлений электроснабжения узла нагрузки при учете отказов выключателя типа «обрыв цепи» и «короткое замыкание».

Схема замещения, которая учитывает отказы в срабатывании коммутационных аппаратов и появление КЗ в зоне действия их релейных защит приведено на рис. Аварийный перерыв в электроснабжении узла нагрузки произойдет при коротком замыкание в точке п и отказе в срабатывании коммутационного аппарата т. Короткое замыкание отключается выключателем т + 1 с выдержкой времени. Обеспечение электрической энергией секции 0,4 кВ восстановится после того, как будет обнаружен поврежденный участок и отключен аппарат т. С вводом выключателя т +1 неповрежденные элементы системы получат электроэнергию. Схемы минимальных сечений аварийных событий приведены на рис. Параметр потока Н аварийных отключений узла нагрузки (секция шин 0,4 кВ) из-за отказов в срабатывании для принятых допущений можно определить по зависимости:

где Лп 1 - параметр потока появления отказа типа «короткое замыкание» в п-й линии, отходящей от т-го коммутационного аппарата;

т

т

Ят 3 - параметр потока отказов в срабатывании (j = 3) m-гo выключателя; Пm - длительность между проверками системы отключения и средств защиты ш-го аппарата.

б) 1 2 У

Принципиальная схема электроснабжения секции шин I

Параметр потока аварийного отключения секции шин 0,4 кВ от КЗ в отходящих линиях и отказах в срабатывании (т.е. скрытых отказах) определяется как:

Я, = Х н,,

г =1

где i - номер номинального сечения; у - число минимальных сечений, полученных относительно данного узла схемы.

Параметр потока восстановления электроснабжения та,, узла нагрузки в результате обнаружения поврежденных элементов или отключения их от сети и восстановления питания узла нагрузки с помощью оперативных переключений:

a, = 7й------------------------------------------------------------------------------------,

IH,

i=1

у=1

где Tr - среднее время, затрачиваемое на обнаружение поврежденного элемента сети у = 1, n, отключение его и восстановление электроснабжения узла схемы с помощью оперативных переключений.

Определив параметры Я0, ш0 и *s, шs для двух схем замещения можно найти параметр потока отказов в электроснабжении узла нагрузки Ясх и среднее время тсх его перерыва:

Л = Л + Я,; г. = ЛI*''"'.

ш0 'ш,

Вероятность бесперебойного электроснабжения элемента схемы с учетом выполнения условия Ясх -t < 0,1:

R

В результате средний интервал времени между аварийными перерывами электроснабжения составит величину, обратную Ясх:

т 1 1

± —----------= —. шдзз

* К+К 4,

V.I. Zatsepin, I.G. Shilov

ESTIMATION OF PARAMETERS OF RELIABILITY ELECTRICAL SUPPLIES FROM REFUSALS THE SWITCH A T PRESSURE FAIL URES

The estimation of parametres of reliability of an electrical supply taking into account refusals of switches is made at pressure failures, and the approach of definition of probability of an uninterrupted electrical supply of knot of the scheme, based on calculation ofparametres of a stream of refusals and восстановлений is stated.

Key words: an electric equipment, chains of relay protection, failures ths of switching-off of elements.

___ Коротко об авторах

Зацепина В.И. - доцент кафедры электрооборудования, кандидат технических наук,

Шилов И.Г. - аспирант кафедры электрооборудования,

Липецкий государственный технический университет,

8 (4742) 32-80-48,