Причины отказов силовых трансформаторов.

Основными причинами повреждения трансформаторов явля­ются:

— нарушения изоляции обмоток вследствие воздействия внешних и внутренних перенапряжений, сквозных токов коротких замыканий, дефектов изготовления. Причинами повреждения изоляции обмоток трансформаторов зачастую являются износ и старение ее вследствие перегрузок, недостаточного охлаждения. Трансформаторы выходят из строя также вследствие повреждения устройств, регулирующих напряжения (особенно автоматических под нагрузкой);

— повреждения вводов трансформаторов вследствие пере­крытия изоляции;

— повреждения контактных соединений;

— упуск масла.

Частота отказов трансформаторов в значительной степени зависит от габаритов, класса напряжения и условий эксплуатации (табл. 6.2), однако даже у трансформаторов 500 кВ она не превышает 0,03 - 0,05 в стационарном режиме. Верхние границы указанных в таб­лице диапазонов относятся к трансформаторам большей мощности с РПН.

Таблица6. 6.2. Показатели надежности трансформаторов

Напряжение, кВ	λ, год-1	, ч	tпл ч/год	λпл, год-1
6 -20	0,008 - 0,080	60 - 100	10 - 15	0,25
	0,005 - 0,020	90 - 150	25 - 30	0,3 - 0,7
	0,005 - 0,050	100 - 200	30 - 40	0,3 - 1,0
	0,02 - 0,08	150 - 250	40 - 50	0,4 - 1,0
	0,05 - 0,10	200 - 300	50 - 60	0,5 - 1,5
	0,05 - 0,15	250 - 350	60 - 80	0,5 - 2,0

Распределение числа отказов (в процентах) между элементами конструкции трансформаторов с различным высшим напряжением следующее:

<100 кВ ≥100 кВ

Витковая и продольная изоляция ... 60 25

Вводы.................................................. 1 13

Переключатели................................... - 27

Баки, прокладки, система охлаждения 1 2

Главная изоляция................................ 19 16

Отводы, контакты ................................... - 6

Магнитопроводы ................................... 16 11

Повреждение продольной изоляции происходит из-за нарушения элек­тродинамической устойчивости обмоток и недостаточной электрической проч­ности витковой изоляции в начальной части обмоток, а также из-за дефектов, допущенных при изготовлении. Уменьшение электродинамической устойчи­вости обмоток трансформаторов малой и средней мощности обусловлено тем, что опрессовка их производится с помощью клиньев. В процессе эксплуата­ции вследствие усадки картона и клиньев опрессовка ослабевает.

У трансформаторов третьего габарита и выше опрессовка обмотки про­изводится с помощью болтов и колец. Однако и у них за счет усадки картона стягивающее усилие уменьшается. При прохождении сквозного тока корот­кого замыкания обмотка смещается, появляются трещины в витковой изо­ляции, вследствие чего уменьшается электрическая прочность изоляции. Пробой изоляции происходит чаще всего во время грозы из-за неэффектив­ности защиты от перенапряжений.

Возможно также разбухание дополнительной катушечной изоляции обмоток высшего и среднего напряжения и как следствие поломка конструк­тивных элементов обмотки.

Кроме механических и усталостных процессов в обмотке происходит и тепловое старение изоляции как результат повышения температуры окру­жающей среды при плановых и аварийных перегрузках.

Отказы высоковольтных вводов трансформаторов в основном вызваны загрязнением от химических уносов, а отказы переключателей - механиче­ским износом.

Все вышеуказанные процессы, развиваясь во времени, постепенно при­водят трансформатор к такому состоянию, когда очередное внешнее воздейст­вие (сквозное короткое замыкание или перенапряжение) вызывает механиче­ское или электрическое повреждение изоляции, которое переходит во внут­реннее короткое или витковое замыкание. Трансформатор отключается ре­лейной защитой, и его выводят в аварийный ремонт.

Приблизительное распределение причин отказов трансформато­ров и автотрансформаторов (в процентах): заводские де­фекты - 35, грозовые повреждения - 25, неправильная эксплуа­тация - 20, неудовлетворительный ремонт - 10, старение изо­ляции - 10.

Ремонт трансформаторов малых габаритов (до 20 кВ) производится централизованно, а поврежденный трансформатор заменяется в течение короткого времени (единицы часов). Ремонт трансформаторов больших габаритов осуществляется на месте достаточно длительное время (десятки и сотни часов), при этом применяются подъемные механизмы.

Линии электропередач (ЛЭП) – наиболее часто повреждаемые элементы электрических систем из – за территориальной рассредоточенности и подверженности влиянию внешних неблагоприятных условий среды.

Основные причины отказов воздушных ЛЭП: наличие гололедно – ветровых нагрузок, перекрытий изоляции вследствие грозовых разрядов; повреждение опор и проводов автотранспортом и другими механизмами; дефекты изготовления опор, проводов, изоляторов; перекрытия изоляции из–за птиц; несоответствия опор, проводов, изоляторов природно – климатическим зонам страны; неправильный монтаж опор и проводов; несоблюдение сроков ремонта и замены оборудования.

Эти причины приводят в основном к ослаблению или нарушению механической прочности опор, проводов, изоляторов; поломке деталей опор, коррозии и гниению металлических и деревянных частей.

Вибрация, «пляска» и обрыв проводов, разрушение опор ил их частей сопровождается, как правило, короткими замыканиями (одно– и многофазными) ЛЭП.

Основной причиной отказов кабельных ЛЭПявляется нарушение их механической прочности землеройными машинами и механизмами (до 70% от всех повреждений), что, естественно, зависит от интенсивности проведения земляных работ в местах прокладки кабелей и способов прокладки (непосредственно в земле, трубах, блоках, туннелях). Наибольшая повреждаемость возникает при прокладке кабелей непосредственно в земле.

Значительную долю повреждений кабельных линий составляют электрические пробои в кабельных муфтах (соединительных) и на концевых воронках, участках кабелей, проложенных с большим уклоном.

Вследствие старения и износа изоляции (междуфазной и поясной), попадания влаги в кабельную линию, коррозии металлических частей, усиливающейся при появлении блуждающих токов, возникновения неравномерностей в вязкой пропитке по длине кабеля из–за разности уровней по горизонту повреждения возникают существенно реже.

Отказы кабельных линий также сопровождаются короткими замыканиями.

Продолжительность восстановления кабельных линий существенно больше по сравнению с воздушными и составляет десятки часов.

Коммутационные аппаратыявляются более сложными с точки зрения надежности электрической системы. Они подразделяются на автоматические (выключатели, отделители с короткозамыкателями, автоматы, предохранители) и неавтоматические (разъединители и рубильники). Отказы коммутационных аппаратов происходят при выполнении ими операций (отключение коротких замыканий, нагрузок, оперативных переключениях и др.) и в стационарном состоянии.

Основными причинами отказов коммутационных аппаратов являются: несрабатывание приводов, механические повреждения, износ дугогасительных камер, обгорание контактов, перекрытие изоляции при внешних и внутренних перенапряжениях.

Отказы устройств релейной защиты и автоматики в расчетах надежности электрических сетей часто также учитываются в отказах выключателей. При моделировании отказов выключателей все повреждения целесообразно привести к двум видам (с точки зрения последствий для системы): отказы выключателей, приводящие к необходимости срабатывания смежных выключателей с одной его стороны (левой или правой, в том числе и его ложное срабатывание), и отказы выключателей, приводящие к необходимости срабатывания смежных выключателей с двух его сторон (левой или правой, в том числе и отказы в стационарном состоянии). Отказы также подразделяются на отказы при отключении и включении, например при автоматическом вводе резерва (АВР).

Продолжительность восстановления коммутационных аппаратов возрастает с увеличением номинального напряжения электроустановок и, как правило, соизмерима с продолжительностью восстановления воздушных ЛЭП (единицы, десятки часов).

Коммутационных аппараты в отличие от ЛЭП и трансформаторов относятся к элементам дискретно – непрерывного действия, поэтому их модели в расчетах надежности, как правило, более сложные по сравнению с моделями элементов непрерывного действия.

Элементы электрических сетей, которые подвергаются аварийному ремонту после возникновения повреждений, нередко подвергаются также и профилактическому, предупредительному ремонту, осуществляемому в тех случаях, когда отдельные части элементов изношены. Такой ремонт увеличивает интервал времени между отказами. Это обстоятельство позволяет сделать предположение, что элемент после аварийного ремонта восстанавливается до состояния «нового».

Работа реального элемента электрической сети в установившемся режиме практически не зависит от вида распределений продолжительности работы и продолжительности восстановления и достаточно хорошо отражается поведением элемента с показательными распределениями этих интервалов времени.

Для неустановившихся значений вероятностей состояния (работы или отказа) виды распределений оказывают более существенное влияние, особенно на вероятность нахождения в состоянии отказа. Однако следует иметь в виду, что значительное усложнение математических моделей по сравнению с показательными распределениями часто не оправдывается достигаемыми значениями уточнений результатов.

Количественными оценками показателей надежности (справочные данные) основного оборудования электрических станций и ЭЭС являются:

· параметр потока отказов (частота отказов) (λ), 1/год;

· среднее время восстановления элемента , год (час);

· параметр потока преднамеренных отключений (частота плановых ремонтов) (λ_П), 1/год;

· средняя продолжительность планового ремонта , год (час).

Частота отказов элементов (собственная частота) оценивается числом повреждений оборудования в единицу времени и определяется как отношение числа отказавшего оборудования за расчетный период к общему числу комплектов оборудования :

.

Частота отказов измеряется количеством отказов за год и равна обратной величине времени наработки на отказ .

Показатели надежности основных элементов систем электроснабжения приводятся в Приложении.

Контрольные вопросы

1. В чем причина различия справочных показателей надежности воздушных и кабельных линий электропередачи?
2. Проведите анализ причин повреждаемости трансформаторов.
3. Причины повреждаемости выключателей различных типов.
4. Как статистически определяется частота отказов элементов систем электроснабжения?
5. Как определяется для оборудования наработка на отказ?
6. Как изменяется интенсивность отказов элементов в различные периоды эксплуатации?
7. Назовите особенности моделирования отказов коммутационных аппаратов.
8. Что значит для линий электропередач коэффициент учета неустойчивых отказов?

ЛЕКЦИИ 7-8

МЕТОДЫ РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ

СЛОЖНЫХ СХЕМ

Надежность является, как известно, экономический категорией, поэтому в общем случае уровень надежности изменяется (как правило, повышается) за счет увеличения уровня затрат на сооружение и эксплуатацию электрических систем. Поэтому при проектировании и эксплуатации электрических систем стараются отыскать и осуществить такие решения, при которых соблюдалось бы оптимальное соотношение между затратами на производство и распределение электроэнергии и технико – экономическими последствиями от недоотпуска электроэнергии (ущерба) вследствие нарушений питания потребителей из–за отказов оборудования.

Прогнозирование ущерба основывается не только на знании технологии и экономических характеристик работы потребителей, но и на показателях надежности различных подсистем электрической системы, в частности подсистем распределения электроэнергии. Для них характерны многочисленность элементов; сложность структур; территориальная распределенность; воздействие внешних постоянно меняющих факторов; в общем случае резервирование функций отказавшего элемента не одним элементом, а несколькими; наличие элементов как непрерывного действия (генераторы, линии передач, трансформаторы), так и дискретно – непрерывного действия (коммутация и защитная аппаратура); наличие автоматического и оперативного способов локализации повреждений, постоянно меняющиеся нагрузки и параметры режимов.

Большая часть повреждений в электрических системах связана с нарушением электрической изоляции элементов, поэтому от момента возникновения повреждения до его локализации зона неблагоприятного влияния, как правило, велика (теоретически охватывает все электрически и электромагнитно связанные элементы). Причем для отдельных видов потребителей (например, некоторые предприятия химической промышленности) сам факт возникновения повреждения, при котором понижается напряжение, является отказом.

Перечисленные особенности электрических систем и сетей обуславливают достаточно сложные задачи анализа надежности, в числе которых можно указать основные:

1. Выявление основных «механизмов» возникновения состояний отказа элементов.

2. Обоснование и освоение методов определения показателей надежности простейших структур электрических систем.

3. Разработка моделей отказов и методов определения показателей надежности сложных схем электрических систем на основе декомпозиции сложных структур с ориентацией на целенаправленные приемы принятия решений.

4. Оценка живучести сложных схем.

5. Технико–экономическая оценка последствий перерывов электроснабжения потребителей.

Как уже указывалось, теория надежности основывается на вероятностно – статистической природе поведения сложных систем. Поэтому основным методом решения поставленных задач является математическое, вероятностное моделирование процессов функционирования на основе ретроспективной информации о показателях надежности оборудования и режимах электропотребления.

Объединенные в сложный элемент простые элементы могут быть соединены между собой последовательно или параллельно.

При последовательном соединении отказ одного из простых элементов приводит к отказу всего сложного элемента. Частота отказов сложного элемента при последовательном соединении простых элементов равна сумме частот отказов всех простых элементов:

. (7.1)

Вероятность отказа, равно как и вероятность состояния отказа, такого сложного элемента определяется на основании положения теории вероятности о возникновении хотя бы одного из возможных случайных независимых и совместных событий. На примере сложного элемента, состоящего из двух простых последовательно соединенных элементов можно записать функцию неработоспособности или отказа:

(7.2)

где — события противоположные событиям .

Переходя к вероятностным обозначениям, получаем:

. (7.3)

Произведение вероятностей отказов простых элементов в электроэнергетике, как показала практика, является бесконечно малой величиной, поэтому , а вероятность отказа сложного элемента или в общем виде, т. е. вероятность отказа сложного элемента при последовательном соединении простых элементов равна сумме вероятностей отказов этих элементов.

За частоту плановых ремонтов сложного элемента принимается наибольшая частота вывода в плановый ремонт какого-либо простого элемента

. (7.4)

Вероятность планового ремонта для сложного элемента

,(7.5)

где — среднее время планового ремонта сложного элемента. Расчет этого времени вызывает затруднения, так как на практике при выводе в ремонт оборудования, состоящего из отдельных элементов, совмещают ремонт этих элементов, а не ведут его последовательно по элементам. В общем виде:

(7.6)

При параллельном соединении элементов условием отказа является отказ всех элементов, входящих в данный сложный элемент. Параллельное соединение характерно для схем с резервированием, например, схем электроснабжения собственных нужд ЭС по двум параллельным кабелям.

Частота отказов сложного элемента, состоящего из двух параллельно соединенных элементов:

,(7.7)

где — частота отказов первого и второго элементов;

–– вероятность отказа первого и второго элементов.

Вероятность отказа, равно как и вероятность состояния отказа, такого сложного элемента определяется на основании положений теории вероятности об одновременном возникновении двух независимых совместных событий. Функция неработоспособности в символах алгебры логики , или в вероятностной записи .

В общем виде вероятность состояния отказа сложного элемента равна произведению вероятностей отказов простых параллельно соединенных элементов:

. (7.8)

Среднее время восстановления сложных элементов:

. (7.9)

При параллельном соединении двух однотипных элементов:

(7.10)

Частота и продолжительность плановых ремонтов элементов, производимых не одновременно, определяются так же, как для простых элементов.

Различают частоту устойчивых, неустойчивых и суммарных отказов линий. Частота устойчивых отказов , 1/год, учитывает только отказы, не устраняемые действием автоматического повторного включения (АПВ). Неустойчивые отказы, например, однофазные замыкания линии на землю при грозовых перенапряжениях, устраняются действием АПВ.

Отношение частоты устойчивых отказов к суммарной частоте отказов называется коэффициентом неуспешных действий АПВ . Значение принимается по статистическим данным о работе защитных устройств, в случае отсутствия АПВ .

Остальные показатели надежности ВЛ и КЛ рассчитываются так же, как показатели простых элементов.

Особую группу среди сложных элементов образуют коммутационные аппараты (КА), к которым относят выключатели, выключатели нагрузки, отделители, короткозамыкатели, автоматические выключатели на напряжение ниже 1 кВ. Характерной особенностью работы КА является их автоматическое отключение при отказах смежных элементов. Отказы КА могут происходить в статическом состоянии, при производстве оперативных переключений, при автоматических отключениях отказавших смежных элементов. Коммутационный аппарат является связующим для двух элементов, которые по отношению к нему рассматриваются как смежные, например для линии и системы сборных шин, генератора и силового трансформатора.

Отказы КА в статическом состоянии и при оперативных переключениях, если рассматривать наиболее вероятные случаи КЗ в КА, приводят в режим КЗ один либо оба смежных элемента, в зависимости от состояния КА и вида разрушения при КЗ.

Важнейшей характеристикой надежности КА является относительная частота отказов при автоматическом отключении поврежденного элемента схемы:

, (7.11)

где – число отказов КА;

– общее число отключений.

Кроме того, различают относительную частоту отказов КА при переключениях:

, (7.12)

где — количество отказов при выполнении коммутационных операций, в том числе отключений КЗ;

— общее число операций.

В обоих случаях учитываются отказы собственно КА и отказы его привода и защитных устройств.

Относительная частота отказов при автоматическом отключении поврежденных элементов выступает в качестве условной вероятности случайного события при зависимых отказах. В самом деле, если произошло КЗ на воздушной линии (событие), то отказ выключателя при автоматическом отключении (событие) может произойти как следствие отключения токов КЗ. Одновременный отказ двух элементов происходит с вероятностью:

, (7.13)

где .

Здесь — частота отказов ВЛ;

— среднее время восстановления ВЛ.

Тогда:

. (7.14)

Контрольные вопросы

1. Детерминистические методы расчета надежности.

2. Вероятностные методы расчета надежности схем по средним значениям вероятностей состояния элементов (обобщенный метод).

3. Расчет надежности системы последовательных элементов.

4. Как проводится анализ надежности системы с параллельным соединением элементов?

5. Расчет надежности сложных схем с помощью эквивалентирования.

6. Анализ надежности мостиковых схем.

7. Как проводится учет преднамеренных отключений элементов систем электроснабжения?

8. Аналитические вероятностные методы расчета надежности сложных схем.