РЕФЕРАТ

На тему:

«Надійність електропостачання»

Для забезпечення надійності живлення споживачів можуть застосовуватися різні способи, включаючи резервування. В загальному випадку необхідна надійність живлення для системи електропостачання промислових підприємств може бути забезпечена необхідною кількістю генераторів, трансформаторів, секцій шин, живлячих ліній та засобами автоматизації.

Надійність характеризується здатністю системи електропостачання та її елементів (ліній, силових трансформаторів, електричних апаратів) забезпечити підприємство і окремі об'єкти електроенергією належної якості без аварійних перерв, що приводять до порушення плану виробництва, аварій в електричній і технологічній частинах обладнання.

Надійність системи електропостачання залежить від побудови її схеми, ступеня резервування і надійності окремих елементів з врахуванням їх перевантажувальної здатності.

Оцінюючи степінь надійності, необхідно поняттям „електроспоживач“ об'єднати як електротехнічну, так і технологічну частину механізму, агрегати або установки. Категорія надійності споживача повинна визначитися з врахуванням резервування в технологічній частині агрегату. Недоцільно резервувати електричну частину агрегату або схему його живлення при відсутності резерву в технологічній частині. Наприклад, неможливо одним насосом забезпечити повну надійність охолодження нагрівальної печі; цього можна досягнути, тільки встановивши один або два резервних насоси, передбачивши їх живлення від незалежних джерел, а також переключення робочого і резервного агрегатів як на стороні електропостачання, так і на стороні водоводів.

Проектування схем електропостачання промислових підприємств завжди починається з визначення електричних навантажень окремих вузлів споживання електричної енергії (як правило це майбутні цехові підстанції і головна понижувальна підстанція.) Так, наприклад, якщо взяти майбутню систему електропостачання, приведену на рис.5.1., то проектування схеми для цієї системи електропостачання починається насамперед з вирішення питання про вибір числа і потужності трансформаторів в вузлах 1, 2, 3 і т.д.

Після того як буде вирішене це питання, переходять до визначення кількості і пропускної здатності мереж, що в.'взують вказані вузли навантажень з джерелами живлення. Ці питання можуть вирішуватися і одночасно з вибором числа і потужності трансформаторів, що в основному так і робиться.

Розглянемо найбільш прості схеми і на їх прикладі докажемо що результати будуть одинакові і для більш складних випадків проектування схем електропостачання промислових підприємств.

Розглядаючи питання про вибір числа і потужності трансформаторів в вузлі 1, будемо вважати його живильним центром (майбутньої ГПП) і за технічними обґрунтуваннями (струми короткого замикання, номінальні струми, напруги та ін) встановлюємо в цьому вузлі трансформатори з вимикачами на сторонах високої та низької напруги з шинними роз'єднувачами. Виходячи з вищесказаного для цього вузла можуть бути запроектовані дві схеми живлення - з одним і з двома колами живлення. Допускаємо також, що у відповідності з технічної точки зору і вимог ПУЕ обі схеми можуть бути достатньо обґрунтовані. Завдання полягає в тому, щоби з двох намічених схем вибрати одну з кращими техніко-економічними показниками.

Оптимальний варіант схеми вибирається на основі порівняння розрахункових приведених затрат по кожному з варіантів:

де - абсолютна величина приведених затрат; - нормативний коефіцієнт приведення затрат, для енергетики його рекомендується приймати рівним, 0,12; - капітальні вкладення в кожен з варіантів; - щорічні експлуатаційні витрати по кожному з варіантів; - річні збитки від перерв в електропостачанні.

Як правило величина капітальних затрат і річних експлуатаційних витрат в порівнянні з величиною річних збитків знаходяться в оберненій залежності (рис.5.3), і з збільшенням затрат зростає надійність схеми електропостачання і, відповідно, зменшуються річні збитки від перерв в електропостачанні.

Збитки споживача електричної енергії від перерв в електропостачанні складаються з двох складових: збитки від самого факту перерви в електропостачанні (незалежно від тривалості перерви) і збитки, пропорціональні тривалості перерви в електропостачанні. З врахуванням цього сумарні річні збитки споживача можна визначити по такій формулі

(5.1)

де - збитки від самого факту перерви в електропостачанні; - збитки на одиницю тривалості перерви в електропостачанні; - кількість перерв в електропостачанні за рік; - сумарна тривалість перерв в електропостачанні на протязі року (год.).

Вираз для розрахункових затрат, з врахуванням (5.1) може бути записаний в такому вигляді:

(5.2)

Таким чином, для вибору оптимального варіанта системи електропостачання необхідно вирішити три взаємозв'язані технічні і технічно-економічні задачі:

1. визначення надійності передбачуваних варіантів системи електропостачання;

2. визначення капітальних затрат і річних експлуатаційних витрат, що відповідають кожному з варіантів системи електропостачання;

3. оцінка збитків споживача від перерв в електропостачанні в залежності від надійності живлення.

Під надійністю системи електропостачання вважається властивість системи виконувати задані функції, зберігаючи свої експлуатаційні показники в заданих межах на протязі необхідного часу або необхідного напрацювання.

Будучи комплексною величиною, надійність системи електропостачання не може з достатньою повнотою характеризуватися одним показником. Для об'єктивної кількісної характеристики надійності системи електропостачання вибирається ряд параметрів, що визначають одну з сторін надійності електропостачання:

- безвідмовність - властивість системи електропостачання зберігати працездатність на протязі певного напрацювання без вимушених перерв;

- ремонтноздатність - властивість системи електропостачання, що полягає в здатності її до попередження, виявленню і усуненню відмов і несправностей шляхом проведення технічного обслуговування і ремонту;

- працездатність - стан системи електропостачання, при якій вона здатна виконувати задані функції з параметрами, що встановлені вимогами технічної документації.

Зокрема, для розглядуваного класу системи електропостачання, що є системами тривалого використання з відновленням, приймаються слідуючі основні характеристики надійності:

- параметр потоку відмов системи електропостачання, що визначається середньою кількістю відмов системи за одиницю часу (наприклад, за рік);

- середній час відновлення системи електропостачання, що визначається як середній час вимушеної перерви в електропостачанні, викликаного відшукуванням і усуненням даної відмови;

- ймовірність безвідмовної роботи системи електропостачання, що визначається як ймовірність того, що на протязі часу не станеться відмови системи;

- коефіцієнт готовності системи електропостачання, він визначає ймовірність того, що система буде працездатна в довільно вибраний момент часу в проміжках між виконанням планового технічного обслуговування.

Крім цих основних характеристик надійності, використовуються ще додаткові, для відображення тих або інших властивостей конкретної системи електропостачання, це такі:

- - тривалість планово-попереджувального ремонту;

- - періодичність планово-попереджувального ремонту;

- - коефіцієнт простою, або стаціонарна ймовірність перебування системи електропостачання в стані простою.

Між кількісними характеристиками надійності існує певний зв'язок. Ймовірність безвідмовної робота системи електропостачання при довільному законі розподілу часу роботи системи між відмовами може бути визначена як:

звідки для експоненціального розподілу при

(5.3)

Середній час роботи системи між відмовами

а для експоненціального закону розподілу

(5.4)

звідси видно взаємозв'язок середнього часу роботи і параметра потоку відмов.

Коефіцієнт готовності системи електропостачання

при - коефіцієнт простою

а (5.5)

Оцінюючи надійність електропостачання окремого споживача, практично неможливо розглянути всю схему, починаючи від агрегатів електростанцій. Енергетична система або окрема електростанція в цьому випадку повинна розглядатися як елемент системи електропостачання - джерело живлення з заданою надійністю.

Основною задачею аналізу надійності електропостачання є оцінка кількісних показників надійності електропостачальної системи, включаючи джерело живлення, якщо різні варіанти передбачають використання різних джерел. Для цього реальна схема електропостачання замінюється структурною, або блок-схемою, в якій елементи електропостачання зображуються в вигляді окремих блоків.

Блок-схема заміняє реальні зв'язки між елементами системи електропостачання умовними, що відображають вплив надійності кожного елемента на надійність системи в цілому.

З'єднання блоків в блок-схемі може бути послідовним, коли відмова кожного з елементів приводить до відмови системи, і паралельним, коли відмова системи наступає тільки при одночасній відмові хоча би одного елемента в кожному колі. Наявність паралельного і послідовного з'єднань в різних сполуках визначають всю багатогранність блок-схем електропостачання.

Для розрахунку надійності системи електропостачання необхідно мати, як вихідну інформацію, числові показники надійності всіх елементів, що входять в систему: трансформаторів, повітряних і кабельних ліній, роз'єднувачів, вимикачів, шин та ін. Числові показники окремих елементів системи електропостачання одержують, як правило, в результаті обробки методами математичної статистики дослідних даних про відкмови та відновлення.

Статистичний параметр потоку відмов елемента

де - число відмов елементів і-^го типу до моменту часу ;

Т - середнійнійчас відновлення елемента; - час відновлення системи електропостачання при j-й відмові і-го елемента, год; - тривалість планово-попереднього ремонту і-го елемента, год.; - параметр потоку (періодичність) планово-попередніх ремонтів елемента і-го типу, 1/год.

Вказані характеристики є базовими і дають можливість визначити інші характеристики надійності, наприклад ймовірність безвідмовної роботи елемента за період часу (формула 5.3).

Блок-схеми електропостачання при відсутності резервування буде мати такий вигляд:

Така блок-схема являє собою одне коло послідовно з'днаних елементів в системі. Це може бути система електропостачання в цілому, або одне резервне коло системи.

Визначимо параметри надійності розглядуваної блок-схеми.

У відповідності з теорією множення ймовірностей появи незалежних подій маємо для ймовірності безвідмовної роботи системи електропостачання між двома відмовами:

(5.6)

де - число елементів в системі електропостачання.

Звідси легко визначити параметр потоку відмов системи електропостачання:

(5.7)

Середній час відновлення живлення в системі електропостачання при відсутності резервування можна визначити як математичне очікування суми значень часу відновлення живлення систем електропостачання при відмові кожного з елементів з врахуванням їх параметра потоку відмов відносно.

Параметр потоку відмов системи , тобто доля участі в формуванні потоку відмов системи електропостачання:

де - ймовірність того, що відмова системи електропостачання відбулася через відмову і-го елемента. Звідси

(5.8)

Коефіцієнт простою системи електропостачання при відсутності резерву

(5.9)

Графік залежності зміни ймовірності безвідмовної роботи кола від часу роботи показаний на рисунку 5.5. Де - відповідає одному колу (рис.5.2а) а - відповідає двом колам (рис.5.2б).

У відношенні забезпечення надійності електропостачання електроспоживачі поділяються згідно ПУЕ (п.1.2.17) на три категорії:

I категорія - електроспоживачі, перерва в електропостачанні яких може привести до: небезпеки для життя людей, значні збитки народному господарству, пошкодження дорогого основного обладнання, масовий брак продукції, розладнання складного технологічного процесу, порушення функціонування особливо важливих елементів комунального господарства.

Зі складу електроспоживачів I категорії виділяється група електроспоживачів, безперебійна робота яких необхідна для безаварійної зупинки виробництва з метою запобігання небезпеки для життя людей, вибухів, пожеж і пошкоджень дорогоцінного основного обладнання.

Електроспоживачі II категорії - це споживачі перерва в електропостачанні яких приводить до масового недовипуску продукції, масовим простоям робочих, механізмів і промислового транспорту, порушенню нормальної діяльності значної кількості міських і сільських жителів.

Електроспоживачі III категорії - всі інші електроспоживачі, що не попали під визначення I і II категорій.

Електроспоживачі I категорії повинні забезпечуватись електроенергією від двох незалежних взаємно резервованих джерел живлення, і перерва в їх електропостачанні при пошкодженні електропостачання від одного з джерел живлення може бути допущена лише на час автоматичного відновлення живлення.

Для електропостачання особливої групи електроспоживачів I категорії повинно передбачатися додаткове живлення від третього незалежного взаємно резервованого джерела живлення.

Електроспоживачів II категорії рекомендовано забезпечувати електроенергією від двох незалежних взаємно резервованих джерел живлення.

Для електроспоживачів II категорії при порушенні електропостачання від одного з джерел живлення допускаються перерви в електропостачанні на час, необхідний для включення резервного живлення діями чергового персоналу або виїзної оперативної бригади.

Допускається живлення електроспоживачів II категорії по одній лінії, якщо є можливість проведення аварійного ремонту цієї лінії за час не більше 1 доби.

При наявності централізованого резерву трансформаторів і можливості заміни пошкодженого трансформатора за час не більше 1 доби допускається живлення електроспоживачів II категорії від одного трансформатора.

Для електроспоживачів III категорії електропостачання може виконуватися від одного джерела живлення при умові, що перерви в електропостачанні, необхідні для ремонту або заміни пошкодженого елемента системи електропостачання не перевищують однієї доби.

Якщо вимагається висока надійність електропостачання, наприклад споживачів I категорії, то використовують резервування, яке скорочує час перерв в електроживленні. Найбільш поширеними варіантами резервування в системах електропостачання промислових підприємств є використання резервних трансформаторів, систем шин і ліній. До найважливіших видів резервування відносяться постійне резервування і резервування заміщенням.

При постійному резервуванні резервні елементи приєднані до основних на протязі всього часу роботи і знаходяться в одинаковому з ними робочому режимі.

У випадку резервування заміщенням резервний елемент (пристрій, лінія) заміщають основні під час їх відмови: при цьому заміщення може відбуватися автоматично, або шляхом проведення переключень обслуговуючим персоналом. Використання резервування не виключає перерв в електропостачанні. При постійному резервуванні можливі перерви, наприклад, в момент виконання ремонтних робіт, а при автоматичному вводі резервних елементів - через відмову переключаючих пристроїв автоматики або релейного захисту. Але введення резервування знижує ймовірність простою в сотні раз.

Блок-схема системи електропостачання при однократному постійному рівнонадійному резерві (дублюванні) (рис.5.2б) буде мати вид, показаний на рис.5.6.

Параметр потоку відмов дубльованої системи електропостачання буде визначатися двома причинами: по-перше, взаємним накладенням відмов елементів в дублюючих колах і, по-друге, накладанням відмов одного кола на планово-попередній ремонт другого кола. Першу складову параметра можна визначити на основі двох характеристик для резервованих систем:- середнього часу роботи системи між відмовами

- і середнього часу відновлення системи

де - кратність резервування; - параметр потоку відмов кола; - середній час відновлення кожного резервного кола.

Враховуючи, що для систем електропостачання характерне значне перевищення часу роботи порівняно з часом відновлення, тобто

приведені вище вирази можна спростити. Для дубльованої системи () будемо мати:

і

При закон розподілу часу безвідмовної роботи системи неістотно відрізняється від експоненціального і в цьому випадку параметр потоку відмов може бути визначений як

Для одержання остаточного виразу першої складової параметри потоку відмов дубльованої системи електропостачання необхідно замінити характеристики надійності кола в останній формулі характеристиками надійності елементів що входять в коло.

З врахуванням раніше приведених виразів (5.7) і (5.8) остаточно одержимо:

Другу складову параметра можна визначити виходячи з таких міркувань: число випадкових подій, що припадають на певний інтервал часу, можна визначити як добуток параметра потоку даних подій на тривалість цього інтервалу часу:

При цьому вважається, що елементи кожного дубльованого кола виводяться в планово попередній ремонт одночасно і його тривалість відповідає максимальній тривалості ремонту всіх елементів. Остаточно одержимо:

(5.10)

або з враховуванням виразів для параметра надійності одного кола системи електропостачання

де - коефіцієнт простою одного кола в планово-попередньому ремонті.

Коефіцієнт простою дубльованої системи електропостачання з врахуванням як взаємного накладення відмов, так і накладанням відмов на планово-попередні ремонти резервних кіл визначиться сумою добутків:

(5.11)

Ця формула з врахуванням (5.9) може бути записана в такому вигляді:

де (гамма) - коефіцієнт, що враховує можливість зсуву по часі планово-попереднього ремонту одного кола при відмові другого. Значення коефіцієнта через характеристики надійності системи електропостачання легко одержати, визначивши його фізичний зміст: - є відносне число накладень відмов одного кола системи електропостачання на планово-попередні ремонти другого кола в порівнянні з загальним числом можливих накладень відмов і планово попередніх ремонтів (без врахування зсуву останніх по часу).

За період часу число накладень відмов одного кола на планово-попередній ремонт другого можна визначити як добуток параметра потоку відмов першого кола на сумарний час планово-попереднього ремонту другого кола за час :

Можливе також накладення планово-попередніх ремонтів одного кола на відмови другого. При цьому число можливих накладень буде рівне:

де - характеристики надійності резервних кіл в системі електропостачання.

Цікавий для нас коефіцієнт може бути одержаний з приведених відношень на основі розгляду його фізичного змісту:

звідси

(5.12)

Користаючись взаємозв'язком коефіцієнта простою системи, параметра потоку відмов і середнього часу відновлення, визначимо слідуючу важливу характеристику надійності дубльованої системи по виразу

( 5.13)

Відмови системи електропостачання, які повторюються один за одним через випадкові проміжки часу, створюють потік випадкових подій, які з достатньою для інженерних розрахунків точністю можна вважати простим пуассонівським потоком, оскільки виконуються три основні умови:

1. одинарність - ймовірність двох або більшого числа відмов на протязі обмеженого проміжку часу - дуже мала в порівнянні з ймовірністю виникнення однієї відмови;

2. стаціонарність - ймовірність появи відмови в роботі системи електропостачання в усталеному режимі - не залежить від місця розглядуваного проміжка за час експлуатації;

3. відсутність наслідків - число відмов системи електропостачання на попередньому проміжку - не впливає на число відмов на слідуючих проміжках часу під час експлуатації.

Перша умова визначається високою надійністю системи електропостачання; факт відмови є рідким явищем (найпростіший потік - потік рідкісних явищ). Друга умова передбачає, що система обслуговування забезпечує підтримку надійності системи електропостачання на стабільному рівні. Третя умова вимагає відновлення системи електропостачання при відмові: надійність системи відновлюється до первинного рівня.

Ймовірність безвідмовної роботи дубльованої системи електропостачання при простому пуассонівському потоці відмов визначається експоненційною залежністю.