Оценка отказоустойчивости систем электроснабжения промышленных предприятий

УДК 621.3

ОЦЕНКА ОТКАЗОУСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

А. А. Шпиганович, Е.П. Зацепин

Рассмотрена оценка отказоустойчивости систем электроснабжения промышленных предприятий путем использования вероятностных методов, а именно на основе теории случайных импульсных потоков.

Ключевые слова: надежность, амортизационные отчисления, затраты, экономический эффект, электрооборудование, время отработки, средний параметр.

В последнее время необходимым условием научных исследований производственных процессов является математическое моделирование. Наибольшее распространение при оценке безотказности электротехнических систем нашли применение вероятностно-статистические методы. Математическая статистика и теория вероятностей используются практически во всех отраслях народного хозяйства. Вероятностно-статистические методы стали традиционными в физике, теории измерений, энергетике, геодезии, горном деле и др. Они также применяются в медицине, биологии, военной науке, космонавтике, теории стихосложения, лингвистике, психологии, теории обучения. Необходимо отметить, что как теоретически, так и практически основные задачи топливно-энергетического комплекса, металлургии, машиностроения, строительства и многих других отраслей невозможно решать без использования вероятностных и статистических методов. Развитие электронно-вычислительной, микропроцессорной техники способствует возрастанию прикладного значения теории вероятностии математической статистики. На их основе появилось целый ряд новых наук. Это теория информации, теория надежности, теория случайных импульсных потоков, статистический контроль качества, планирование эксперимента и др.

В результате многочисленных теоретических и эксплуатационных исследований установлено, что отказы электрооборудования воздействуют на эффективность функционирования технологических машин независимо от места его установки в системе. Их значимость зависит от взаимосвязи электрооборудования с рабочими машинами. Применение импульсных потоков независимо от функциональной взаимосвязи электрооборудования в системах, а также их соединения между собой позволяет разветвленные системы сводить к системам с жесткими технологическими связями. В результате теоретически оказывается возможным оценка влияния средств и способов повышения отказоустойчивости системы на эффективность функционирования технологического процесса предприятия.

Теория вопроса. Для выполнения одних и тех же функций в производственном процессе могут использоваться машины и оборудование, отличающееся по типу (марке). Естественно, они будут обладать различной производительностью, надежностью, стоимостью, потребностью в уровне квалификации и затратах труда обслуживающего персонала, снабжении запасными частями и т.д. Применение машин и оборудования должны отвечать требованию взаимосвязи и взаимодействия со смежным оборудованием, в то же время, при относительно небольших затратах на его приобретение и эксплуатацию, иметь соответствующую величину надежности. Чтобы оценить отказоустойчивость системы, разделим ее на подсистемы (отдельные уровни). Это позволяет математическую модель работы подсистем отображать в виде случайного потока с единичной выстой импульсов. Надежность подсистемы может быть повышена за счет

29

увеличения надежности электрооборудования. Целесообразность повышения отказоустойчивости должна основываться на экономическом расчете с учетом технических параметров и использования характеристик надежности оборудования.

Изложение проведения эксперимента. Согласно теории случайных импульсных потоков оценка функционирования оборудования осуществлялась по таким параметрам как вероятность безотказной работы, наработке на отказ и частоте отказов. При этом учитывалось, что вероятность отказов является противоположным событием вероятности наработки на отказ. Наработки на отказ в строгой последовательности следуют с отказами. Как правило, их законы распределения длительностей не одинаковы. В основном закон распределения отказов зависит о квалификации обслуживающего персонала, а закон распределения наработки от заложенной надежности заводом изготовителем и условий работы оборудования на производстве.

Описание методов исследования. Суточная нагрузка Асут, связанная с электрическим соединением отдельного уровня, может быть определена путем использования сменного коэффициента машинного времени рабочих машин Ксмкак

А = К бТ п ,

сут см см см

где б - средняя производительность рабочей машины за машинное время; Тсм - длительность рабочей смены; Псм - число рабочих смен в сутки.

Если использовать более надежное электрооборудование, рассматриваемого уровня, то это вызовет увеличение коэффициента машинного времени. В результате уменьшается частота вынужденных перерывов в производственном процессе. Осуществится возрастание нагрузки на технологические машины. Относительный прирост нагрузки составит

К'

а = ,

Ксм

где К'см, Ксм - сменный коэффициент машинного времени после и до замены электрического оборудования уровня более надежным.

Значение сменного коэффициента машинного времени рабочей машины определяется согласно выражению

К„, =

1

К,

- + 8

1

К

V 2Т

-1

+К

Р

v сэ

-1

+

IК

(

1

V

—1

V Р.

где К1Т и К2Т - коэффициенты готовности по группам последовательных и параллельных перерывов без учета коэффициентов готовности (вероятности работы) рассматриваемого уровня; б - расчетный коэффициент; Рсэ - вероятность работы электроснабжения без учета электрооборудования, подлежащего замене; Р. - вероятность работы 1-ой единицы, подлежащей замене; п - число единиц электрооборудования, подвергшихся замене на более надежное; КСЭ, К. - коэффициенты связи, показывающие, во сколько раз уменьшается вероятность остановок рабочих машин от отказов электрооборудования, подвергшегося замене.

В соответствии с (3) выражение (2) примет вид

а =

1 - К УК.

см / V 1

Р Р'

1

1

где Р'1- вероятность работы 1 - ой единицы замененного электрического оборудования.

Относительный прирост нагрузки обеспечивает экономический эффект. Его значение можно рассчитать по формуле

Э = ТСАсутпдн

100

-1

=1

=1

где Э - годовой экономический эффект; у - удельный вес условно-постоянных расходов на обслуживание оборудования рассматриваемого уровня; С - себестоимость выпускаемой продукции; Пдн - число рабочих дней в году.

Применение более надежного электрооборудования вызывает дополнительные затраты. Они обусловлены капитальными единовременными вложениями, амортизационными отчислениями, расходами на материалы и запасные части, монтажом и демон-тажом электрооборудования, увеличением фонда заработной платы обслуживающего персонала.

Капитальные единовременные вложения равны произведению нормативного коэффициента эффективности капитальных вложений Ен на капитальные дополнительные вложения Кд:

Зк=ЕнКд .

Значение нормативного коэффициента Е н в промышленности принимается 0,15. Дополнительные капитальные вложения без учета расходов на монтаж электрооборудования устанавливаются как

Кд =

где 0,06 - коэффициент, учитывающий транспортные расходы; К - стоимость электрооборудования.

Амортизационные отчисления за счет ввода электрооборудования составят

ЗА = ^,

А 100

где НА - норма амортизационных отчислений на восстановление и капитальный ремонт оборудования.

Затраты на материалы и запасные части

Зм = 0,05К,

где 0,05 - коэффициент, учитывающий расходы на материалы и запасные части из расчета 5% стоимости оборудования.

Затраты на монтаж и демонтаж электрооборудования определяются из выражения

тДМ , _ч

з = к р у нир2.,

мд доп дм / - Р1 21

1=1

где Кдоп - коэффициент, учитывающий доплату к заработной плате; Рдм - количество дней на демонтаж и монтаж электрооборудования; тдм число рабочих, участвующих на демонтаже и монтаже оборудования; Нр1 - число рабочих 1-го разряда, занятых на де-монтажных и монтажных работах; р21- тарифная ставка электриков 1-го разряда.

Увеличение фонда заработной платы персонала, занятого на профилактическом обслуживании электрооборудования:

т

ззп =р дмкд0п у

1=1

где т - число рабочих, занятых на обслуживании электрооборудования; Нг и Н'г - численность обслуживающего персонала 1-го разряда до и после внедрения мероприятий по повышению надежности подсистемы; Р11 и я'ц - тарифная ставка 1-го разряда электрика, обслуживающего рассматриваемое электрооборудование до и после его замены.

Зная экономический эффект (5) и затраты (6)-(11), прибыль от применения более надежного оборудования

Эг=Э-ЕнКд-ЗА-Зм-Змд-Ззп .

Если затраты обозначить через Эз , то

Эг = Э-Эз.

При выборе электрооборудования с учетом надежности на стадии проектирования системы из расчетов исключаются затраты на демонтаж. Для электрооборудования, производящего трансформацию электроэнергии или преобразование ее в механическую работу, необходимо учитывать затраты, связанные с расходом электроэнергии.

Используя изложенное, путем сравнения прибыли Эг выявляется электрооборудование, обеспечивающее наибольшую экономически оправданную производительность рабочих машин. Определение соответствия поставленному требованию первоначально осуществляется для электрооборудования технологических машин. Обусловлено это тем, что их мощность, число, частота включения являются основными факторами выбора трансформаторных подстанций, кабельных сетей, автоматических выключателей, магнитных пускателей систем электроснабжения.

Статическая обработка. Полученная зависимость (12) может быть использована для любого мероприятия, связанного с повышением отказоустойчивости системы электроснабжения. Например, необходимо экономически оценить безотказность электроснабжения по весовому износу контактов аппаратов сталеплавильного производства металлургических заводов. Для этой цели в выражении (1) вместо суточной нагрузки на подсистему необходимо подставить суточный выпуск продукции сталеплавильного производства. Применение электрических аппаратов с меньшим износом контактов приведет к увеличению средневзвешенного коэффициента машинного времени технологических машин. Это вызовет уменьшение перерывов в производстве выплавки металла и увеличит выпуск продукции. Относительный прирост продукции рассчитывается по зависимости, аналогичной (2). Чтобы определить сменный коэффициент машинного времени сталеплавильных машин, используется формула (3). Относительный прирост выплавки металла обеспечит экономический эффект, который определяется по (5). Капитальные единовременные вложения, дополнительные вложения, амортизационные отчисления, затраты на материалы и запасные части, монтаж и демонтаж аппаратов, увеличение фонда заработной платы обслуживающего персонала устанавливаются согласно уравнениям (6)-(11). Полученная прибыль от внедрения более безотказных аппаратов выразится зависимостью (12). Сравнение значений прибылей, рассчитанных по (12), позволяет установить область экономически оправданного использования аппаратов в системе электроснабжения сталеплавильного производства. На производствах непрерывной разливки стали металлургических заводов применяются слябо-возы, клещевые краны, сталкиватели, тянущие клети, дымососы, рольганы, подъемники и т.д. Тип аппаратов для такого технологического оборудования разный. Для всех аппаратов технологического оборудования напряжение равно 220 В, за исключением подъемников слябов, устройств перемещения и насосов клетей, где напряжение аппаратов составляет 380 В. Номинальные токи и пропускные мощности различны. Они лежат в пределах: токи 0,04-0, 63 кА, мощности 10-150 кВт.

Из используемой серии контакторов КПВ60 наибольшую стоимость имеют контакторы типа КПВ605. Сравнение значений прибылей, рассчитанных по формуле (12) в зависимости от сменной нагрузки на технологическое оборудование, позволило установить области экономически оправданного применения контакторов. Анализ полученных результатов показывает, что работе технологического оборудования, оснащенного контакторами типов КТ6053, КПВ605, КПВ 6053, должна соответствовать пропускная мощность не менее 900 кВА. Для меньших мощностей следует применять контакторы типа МК. Аналогично контакторам были проведены технико-экономические исследования для магнитных пускателей, командоаппаратов, высоковольтных выключателей. В наиболее тяжелых условиях в сталеплавильных производствах работают магнитные пускатели, которыми оснащены тележки промковшей и насосов вторичного охлаждения. Они работают в повторно-кратковременных режимах. Используются для этих целей пускатели типов ПМА5200 и ПМА4200. Особенно частые включения выполняются командоаппаратами, которыми оснащены подъемники слябов. Области экономически оправданного применения аппаратов сталеплавильных производств, устанавливаются по (12).

Обсуждение результатов. Предложенный подход можно использовать для выявления экономически оправданного применения оборудования и технологических машин любых производств. В нашем случае в качестве примера рассмотрено электро-

снабжение систем сталеплавильных производств. В системах электроснабжения металлургических предприятий самым надежным и мощным должно быть оборудование вводов. С этой целью на вводах подстанций приметают выключатели типов ВМПЭ-10, ВМГТ-10П, Э25В. Используя зависимость (12), для магнитных пускателей, командоап-паратов и высоковольтных выключателей определяются области их оправданного применения.

Установлено, что ограничивающие области экономически оправданного использования оборудования электрических систем, соответствуют гиперболическому закону. Аналогичный вид графиков присущ любым другим временным параметрам, характеризующим безотказность электрического оборудования. Чтобы обеспечить наибольшую экономически оправданную производительность технологических машин, для выбора электрического оборудования получена эмпирическая формула

где В - коэффициент (его значения, установленные по зависимостям области экономически оправданного применения оборудования, приведены в таблице); К - стоимость оборудования; Асм - суммарная нагрузка технологических машин (пропускная мощность электрооборудования); t - время отработки оборудования; т - среднее значение исследуемого параметра; А - среднее время одного простоя технологических машин от отказов оборудования; а - относительный прирост нагрузки.

Если условие (14) выполняется, то оборудование соответствует необходимому уровню надежности системы. В противном случае требуется замена оборудования более надежным. Как показывают расчеты, в результате выбора трансформаторов и бронированных кабелей из условия надежности, они будут иметь тот же типоразмер, что и в случае их выбора по техническим параметрам (суммарной мощности электроприемников, напряжению, току и т.д.). Такой же результат получен для автоматических выключателей.

Значения пределов выражения (14) можно рассчитать аналитически. Пусть левым пределом (14) служит ymin, а правым - утах. Они соответственно равны

= _Cmm_. ,15ч

'min m-l С;' К J

с

_ ^max

Tmax~m-lJ]m Q' ^

где m - число однотипных единиц оборудования, применяемого в рассматриваемой системе электроснабжения; Q - стоимость i-ro оборудования; Cmin, Cmax - наименьшая, наибольшая соответственно рассматриваемого оборудования.

В зависимости от вида технологической машины и стоимости оборудования значения пределов ymin, ymax, рассчитанные по (15), (16), сведены в таблицу.

Значения коэффициентов оценки оправданного применения электрического оборудования

Наименование оборудования Значение у Значение В. соответствующее ПВ,%

Ymin Ymax 25 50 75 100

Трансформаторы 0,9 1,6 6 7 8 9

Выключатели 0,9 1,5 5 6 7 8

Электродвигатели 0,5 1,3 4 5 6 6

Бронированные кабели 0,8 1,4 5 6 7 7

Гибкие кабели 0,9 1,4 6 6 7 7

Автоматические выключатели 0,8 1,3 4 4 5 6

Магнитные пускатели 0,6 1,2 3 4 6 7

Командоаппараты 0,5 1,2 2 4 5 5

Заключение. Предложенный подход можно распространить на оборудование любой системы любых производств: технологической, электрической, автоматики, связи, транспорта и т.д. Выбранное таки образом оборудование обеспечивает увеличение производительности технологических машин, улучшает ритмичность технологического процесса, не требует лишних затрат на обслуживание, увеличивает производительность труда на предприятии.

Работа выполнена в рамках научного проекта № 17-48-480083 при финансовой поддержке РФФИ и администрации Липецкой области.

Список литературы

I. Шпиганович А.Н., Шпиганович А. А. Бош В.И. Случайные потоки в решении вероятностных задач. Липецк, 2003. 224 с.

2. Шпиганович А.А. Научно-технические основы анализа функционирования систем электроснабжения. Липецк: ЛГТУ, 2012. 99 с.

3. Шпиганович А. А. Современное состояние вопроса безотказности систем электроснабжения. Липецк: ЛГТУ, 2012. 79 с.

4. Шпиганович А.Н., Пестунов В.А. Повышение эффективности функционирования систем электроснабжения. Липецк. ЛГТУ, 2004. 281.с.

5. Шпиганович А.Н., Шпиганович А.А., Пушница К.А. Повышение безотказности кислородно-конверторных производств путем улучшениязащит систем их электроснабжения от коммутационных перенапряжений // Сталь, 2015. №6. С. 55-57.

6. Akagi H. New Trends in Active filters for Power Conditioning // IEEE Transactions on industry applications. 1996. №6. P.1312-1322.

7. Yu-Long C., Hong L., Jing-Gin W. Simulation and reliability analysis of shunt active power theory // Journal of Zhejiang University Science. 2007. №3. P.416-421.

8.Ajami A., Hosseini S.H. Implemention of a Novel Control Strategy for Shunt Active Filter // Ecti transactions on electrical eng., electronics and communications. 2006. №1. P.40-46.

9. Erickson R.W. Some Topologies of High Quality Rectifiers // First International Conference on Energy, Power, and Motion Control. 1997. P.1-6.

10.Graovac D., Katic V., Rufe^. Universal power quality system - an extension to universal power quality conditioner // 9th international conference on power electronics and motion control. 2000. №4. P. 32-38.

II. Шпиганович А.Н., Шпиганович А.А. Оценка эффективности безотказности систем // Вести вузов Черноземья. 2013. №1. С. 25-32.

12. Зацепина В.И., Шпиганович А.А. Математическое описание функционирования элементов систем электроснабжения //Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2008. №2. С. 239-242.

13. Зацепина В.И., Зацепин Е.П., Шпиганович А.А. Минимизация провалов напряжения при совместной работе группы дуговых сталеплавильных печей // Промышленная энергетика. 2009. №1. С. 22-24.

14. Шпиганович А. А., Шилова В. А. Экономические проблемы качества электрической энергии // Вести вузов Черноземья, 2010. №3. С. 100-104.

15. Шпиганович А. А., Зацепина В.И., Довженко С. В. Влияние частотного преобразователя на питающую сеть // Промышленная энергетика. 2009, №1. С. 52-54.

Шпиганович Александр Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, kaf-eoastu.lipetsk.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,

Зацепин Евгений Петрович, канд. техн. наук, доцент, kaf-eoastu. lipetsk.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет

ASSESSMENT OF THE FAILURE RESISTANCE OF ELECTRICAL POWER SUPPLY SYSTEMS OF INDUSTRIAL ENTERPRISES

A.A. Shpiganovich, E.P. Zatsepin

In this paper, using probabilistic methods, namely, on the basis of the theory of random impulse flows, an assessment of the fault tolerance of power supply systems of industrial enterprises is considered.

Key words: reliability, depreciation charges, costs, economic effect, electrical equipment, time of mining, average parameter.

ShpiganovichAleksandrNikolaevich, doctor of technical science, professor, the head of chair, kaf-eoastu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,

ZatsepinEvgeniyPetrovich, candidate of technical science, docent, kaf-eoastu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University

УДК 621.319.74

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕЙТРАЛИЗАТОРОВ СТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА В ПНЕВМОТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМАХ

В.М. Степанов, Ю.И. Горелов, В.Ю. Карницкий, Ю. В. Сухова, А.С. Филатова

Рассмотрены вопросы использования нейтрализаторов статического электричества в пневмотранспортных системах. Показано, что наиболее эффективным вариантом является применение автоматического устройства нейтрализации статических зарядов, включающего нейтрализатор статического электричества вентиляторного типа, датчик электростатического поля и систему автоматического управления интенсивностью генерации зарядов.

Ключевые слова: статическое электричество, пневмотранспортная система, нейтрализатор статического электричества, датчик электростатического поля, система автоматического управления.

В системах пневмотранспорта, широко используемых в современных производственных процессах, одной из важнейших проблем является образование свободных зарядов статического электричества, которые не только осложняют проведение технологического процесса, но и зачастую становятся причиной пожаров и взрывов, приносящих большой материальный ущерб.

Статическое электричество - это совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией свободного электрического заряда на поверхности, или в объеме диэлектриков, или на изолированных проводниках [1, 2, 3].

В пневмотранспортных системах обычно на входе в трубопровод устанавливаются механические фильтры механической очистки воздуха, в которых в качестве фильтрующих элементов применяются полимерные материалы. Это часто приводит к образованию за счет трибоэлектрического эффекта потока заряженных частиц, выносимых в трубопровод.