Расчет надежности системы электроснабжения участка железной дороги

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I»

(ФГБОУ ВО ПГУПС)

Специальность 23.05.05 «Системы обеспечения движения поездов»

Специализация «Электроснабжение железных дорог»

Факультет Автоматизация и интеллектуальные технологии

Кафедра Электроснабжение железных дорог

Пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине: «Основы теории надежности»

Расчет надежности системы электроснабжения участка железной дороги

Группа ЭС-704

Обучающийся

А.С. Михеев

Преподаватель

доцент И.А. Терехин

Санкт-Петербург

2021

Оценочная таблица к КР

Введение

ОАО РЖД и другие потребители электрической энергии являются наиболее заинтересованными в надежности электроснабжения. Проблемы обеспечения надежности не являются новыми, их актуальность за последние годы значительно увеличилась.

Система электроснабжения представляет собой сложную систему, состоящую из множества элементов. В такой системе возникновение отказа любого элемента, составляющего систему, или существенное отклонение параметров электроснабжения (частоты, уровня напряжения, мощности и т.д.) может привести не только к ухудшению его качества, но и к полному прекращению электроснабжения потребителей. Что в ряде случаев не допустимо.

Исходные данные

Схема замещения подстанции показана на рис. 1. Описание схемы и параметры расчета:

- длина линий: Л1 = 63 км; Л2 = 163 км. Линия Л2 - двухцепная.

- выключатели: В1, В2 и В3 - масляные, В4 - воздушный.

- период эксплуатации N = 5 года, период прогнозирования L = 2 года.

- минимально допустимый уровень надежности P_доп = 0,92.

- все выключатели и отделители включены.

Рисунок 1. Схема замещения подстанции

По таблицам приложения 1 выбираем только устойчивые отказы.

Таблица 1. Исходные данные по элементам схемы

В табл. 1 по данным приложения 1 подготовлена информация для раздела «справочные данные» для схемы замещения и расчетных условий.

Здесь жирным шрифтом и курсивом выделены параметры линий, пересчитанные на их конкретную длину.

Л1: 1,41*(63/100) =0,88 откл./год;

Л2: 0,44*(163/100) =0,71 откл./год;

По данным статистики отказов следует рассчитать оценки интенсивности отказов элементов с учетом временного «старения» справочных данных.

При отсутствии данных об отказах, остаются справочные значения. Для расчета оценки интенсивности отказов используем выражение:

где ?? = ??/??, N - период эксплуатации, M = N + 15 - полное время «старения» справочных данных, i - номер элемента, ??_?? - число отказов i-го элемента за период эксплуатации. В табл. 2 приведены результаты расчетов.

Таблица 2. Результаты расчета оценки интенсивности отказов

Исходя из заданной схемы замещения системы электроснабжения и учитывая все возможные пути от источника к потребителю, составим структурную схему надежности. При этом надо учесть, что объекты генерации и шины 10кВ по условию задачи абсолютно надежны. При составлении схемы для анализа надежности их можно не учитывать, если они не являются элементами связи или ветвления (например - шины 110кВ должны быть введены в структурную схему как узлы ветвления 2 и 3). Для рассматриваемой схемы подстанции структурная схема надежности имеет вид как представлено на рис. 1. Для определения, как изменяется функция вероятности безотказной работы во времени, применяем к структурной схеме надежности метод «свертки». Результаты расчетов на заданном периоде эксплуатации с разбивкой по кварталам приведены в табл. 3.

Рисунок 2. Структурная схема надежности

Таблица 3. Расчет показателей надежности на двухлетний период эксплуатации

По данным табл. 3 построим график изменения функции вероятности безотказной работы во времени (рис. 5), оценим необходимость и периодичность технического обслуживания, используя соотношение:

P(t)=P_доп

Из табл. 3 и графика видно, что указанный критерий нарушается уже во втором квартале 1-го года эксплуатации

P(0,25) > P_доп > P(0,5),

или: 0,946 > 0,92 > 0,718.

Поэтому t_доп = 0,25 и техническое обслуживание следует назначить в первом квартале.

Рисунок 3. Вероятности безотказной работы

Расчет функциональной надежности системы электроснабжения

Рассмотрим систему электроснабжения, структура которой приведена на рис. 4. Данная схема может представлять подстанцию, питаемую по двум ЛЭП (элементы 1 и 2), с 4 силовыми трансформаторами (элементы 3, 4, 5,6).

Рисунок 4. Основная схема

Таблица 4. Параметры основной схемы

Вероятности работоспособного состояния Р_i и пропускной способности Z_i элементов системы приведены в табл. 5.

Таблица 5 .Элементы основной схемы

Расчетная нагрузка системы: Z_н = 40 ед., максимальная - Z_max = 90 ед.

При построении зависимости показателя надежности системы от нагрузки следует рассмотреть ряд нагрузок не менее максимальных. Контрольные точки подчеркнуты:

0, 30, 60, 90, 120, 150, 180, 210.

Нормативный показатель надежности системы принят равным P_норм = 0,97.

Для структурного резервирования элементов системы предлагается использовать элементы типа A, B или С. Их параметры даны в таблице 6.

Таблица 6. Данные элементов резервирования

Для рассматриваемой схемы структурная функция S(Z) имеет вид

??(??) = ?(??_??[??_??] + ??_??[0]),

Выражение для каждого x_i рассмотрим максимально подробно:

х₁=0.85[60]+0.15[0]

х₂=0.85[60]+0.15[0]

х₃=0.95[40]+0.05[0]

х₄=0.95[40]+0.05[0]

х₅=0.9[50]+0.1[0]

х₆=0.9[50]+0.1[0]

х₁ х₂=(0.85[60]+0.15[0]) 0.85[60]+0.15[0])=0.7225[120]+0.255 [50]+0.0225[0]=1

х₃ х₄=(0.95[40]+0.05[0]) (0.95[40]+0.05[0])=0.95*0.95[80]+0.05*0.95[40]+ 0.05*0.95[40]+0.05*0.05[0]

=0.9025[80]+0.095 [40]+0.0025[0]=1

х₅ х₆=(0.9[50]+0.1[0]) )(0.9[50]+0.1[0]) = 0,9* 0,9[100] + 0,1* 0,9[50] + 0,9* 0,1[50] + 0,1* 0,1[0] =0,81[100] + 0.18[50] + 0,0001[0]=1

B= (х₃ х₄)( х₅ х₆)=( 0.9025[80]+0.095 [40]+0.0025[0])( 0,81[100] + 0.18[50] + 0,0001[0])= 0,81Ч0,9025[min{80;100}]+0,81Ч0,095[min{80;50}]+0,81Ч0,0025[min{100;0}]+0,18Ч 0,9025[min{100;40}]+0,18Ч0,095[min{50;40}]+0,18Ч0,0025[min{50;0}]+0,0001Ч0,9025[min{0;80}]+0,0001Ч 0,095[min{0;40}]+0,0001Ч 0,0025[min{0;0}]=0,731 [80]+ 0,077 [40]+ 0,002 [0]+ 0,162 [40]+ 0,017 [40]+ 0,0004 [0]+ 0,00009 [0]+0,000009 [0]+0.00000025 [0]= 0,731 [80]+ 0,256[40]+ 0,00249925[0]= 0,989?1

Примечание. В значениях вероятности работоспособного состояния чтобы избежать потери точности вычислений следует учитывать 4…5 значащих цифр после запятой.

Полученная функция вида S(Z) позволяет построить график зависимости показателя надежности объекта от уровня нагрузки P[Z ? Z_нк].

Для этого следует просуммировать только те слагаемые функции S(Z), для которых значение нагрузки больше или равно заданной.

Расчеты удобно представить в виде табл. 9. По данным таблицы построен график (рис. 7).

Таблица 7. Зависимость вероятности безотказной работы системы от нагрузки

Рисунок 5. Диаграмма вероятности безотказной работы системы от нагрузки

Анализ графика в контрольных точках показывает:

область вблизи номинальной нагрузки, до 40 ед., обеспечена пропускной способностью системы с вероятностью не менее 0,989;

максимальная нагрузка равна предельной пропускной способности и вероятность ее обеспечения минимальна.

Из табл. 7 следует, что при расчетной нагрузке 40 ед. вероятность без от казной работы системы P[Z ? 40] = 0,989 не соответствует заданному нормативному уровню P_норм = 0,98. Следовательно, требуется повышение надежности, которое в данном случае может быть обеспечено вводом дополнительных элементов.

Следует определить тип элементов по значению вероятности и пропускной способности, их место на схеме и количество резервных элементов. Сделать это можно двумя способами:

методом перебора всевозможных вариантов с выполнением расчетов надежности на каждом шаге;

посредством анализа показателей структурной функции. Ниже приводится описание второго способа.

Результирующая вероятность работоспособного состояния системы при расчетной нагрузке P_s[Z ? 40] есть произведение вероятностей работо- способного состояния ее эквивалентных структурных элементов - звеньев , т.е.

P_s [Z ? 40] = x₁x₂[Z ? 40] в[Z ? 40] = 0,989[Z ? 40]•0,999[Z>60] = 0,988[Z > 40].

Поскольку вероятность работоспособного состояния звена в = 0,999 > 0,98, то с целью повышения надежности системы следует резервировать звено x1x2, для которого в₁[Z ? 40] = 0,988< 0,99.

Резервирование звена в в этой схеме будет бессмысленным до тех пор, пока не будет повышена вероятность работоспособного состояния звена до значения, превышающего 0,98.

В данном случае, для последовательного соединения, можно оценить необходимое значение вероятности звена из выражения

P_норм = x₁x₂[Z ? 40]Чв₂[Z ? 640, или 0,99 = в₁[Z ? 40]Ч0,999.

Откуда

в₁[Z ? 6] = 0,99 / 0,999 = 0,99099.

Последующий алгоритм состоит в подборе подходящего резервного элемента из заданного набора. При этом возможны два пути:

выбираем элемент с минимальными параметрами по надежности и пропускной способности. Если он не удовлетворяет условию, то постепенно увеличиваем надежность элементов;

выбираем элемент с максимальными параметрами и снижаем характеристики, пока не будет нарушено поставленное условие.

Добавляем один резервный элемент типа A в первое звено с параметрами: надежность Р₁ = 0,8, пропускная способность 60 ед. - A (60; 0,8; 10).

Полностью пересчитывать выражение для x1x2 здесь не требуется, так как нас интересует только вероятность работоспособного состояния при расчетной нагрузке в 30 ед., что меньше пропускной способности в 60 ед. дополнительного элемента.

Рисунок 6. Схема с веденным резервным элементом

Вывод

В ходе курсовой работы, мы рассмотрели модель надежности системы электроснабжения потребителей. Был проведен анализ системы на повреждаемость электрического оборудования электростанции и сити. Проведен анализ надежности и установлено, что система ненадежна и техническое обслуживание следует назначать в первом квартале 1 года, для поддержания системы в надежном состоянии. Так же был сделан расчет функциональной надежности системы. Расчеты показали, что максимальная нагрузка системы предельной пропускной способности и вероятность ее обеспечения минимальна и вероятность безотказной работы не соответствует заданному нормативному варианту. Из чего сделали вывод, что система нуждается в дополнительном элементе резервирования.

Библиографический список

подстанция потребитель безотказный работа

1. Надежность и диагностика систем электроснабжения железных дорог: учебник для ВУЗов ж\д транспорта / А.В. Ефимов, А.Г. Галкин.- М: УМК МПС России, 2000. - 512 с.

2. Китушин В.Г. Надежность энергетических систем: учебное пособие для электро-энергетических специальностей вузов.- М.: Высшая школа, 1984. - 256с.

3. Ковалев Г.Ф. Надежность и диагностика технических систем: задание на контрольную работу № 2 с методическими указаниями для студентов IV курса специальности «Электроснабжение железнодорожного транспорта». - Иркутск: ИРИИТ, СЭИ СО РАН, 2000. - 15 с.

4. Дубицкий М.А. Надежность систем энергоснабжения: методическая разработка с заданием на контрольную работу. - Иркутск: ИрИИТ, ИПИ, СЭИ СО РАН, 1990. -34 с.

5. Пышкин А.А. Надежность систем электроснабжения электрических железных дорог. - Екатеринбург: УЭМИИТ, 1993. - 120 с.

6. Шаманов В.И. Надежность систем железнодорожной автоматики и телемеханики: учебное пособие. Иркутск: ИрИИТ, 1999. - 223 с.

7. Гук Ю.Б. Анализ надежности электроэнергетических установок. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отд., 1988. - 224 с.

8. Маквардт Г.Г. Применение теории вероятностей и вычислительной техники в системе энергоснабжения.- М.: Транспорт, 1972. - 224 с.

9. Надежность систем энергетики. Терминология: сборник рекомендуемых терминов. - М.: Наука, 1964. - Вып. 95. - 44 с.

Размещено на Allbest.ru