Разработка моделей надежности коммутационного оборудования и рекомендаций по их применению в задачах электроэнергетики

Проблема обеспечения надежности электроэнергетических систем (далее сокращенно энергосистем или систем) была и остается актуальной. Анализ фактического материала показывает, что проблеме оценки надежности схем электроустановок уделяется все больше внимания. В частности, в последнее время в силу известных причин возрос интерес к проблеме как обеспечения надежности энергосистем на стадии ввода новых генерирующих мощностей, так и при сооружении подстанций и линий электропередачи.

При решении задачи оценки надежности схем электроустановок, необходимо располагать объективными методами оценки надежности. Их основой являются математические модели элементов схем электроустановок. В свою очередь, от корректного выбора моделей зависит как простота и удобство анализа, так и достоверность результатов оценки надежности.

В настоящее время в нашей стране существуют более десяти методик оценки надежности схем электрических соединений электроустановок. Основное отличие методик заключается в модели надежности коммутационного оборудования. Помимо этого возникает достаточно большой разброс в приводимых различными авторами показателях надежности.

Таким образом, возникает проблема выбора методики оценки надежности, модели надежности и показателей надежности коммутационного оборудования.

Теоретические основы существующих методов отражены в многочисленных отечественных и зарубежных публикациях. Так, в работах [Bl, В2] исследована эксплуатационная надежность оборудования распределительных устройств (РУ) на начальном этапе формирования отечественных энергосистем и предложены модели отказов оборудования. В [ВЗ-В16] предложены различные по уровню учитываемых факторов модели надежности оборудования.

Однако в созданных методиках, как правило, не приводятся расчетные условия, при которых получена модель надежности коммутационного оборудования. В итоге за полувековую историю у специалистов так и не сформирова4 лось его общепринятой модели отказа, а по большому счету и доверия к результатам оценки надежностн схем электрических соединений.

Моделью надежности коммутационного оборудования необходимо располагать при решении относительно разноплановых задач, в том числе: обосновании конструкций выключателей, оценке надежности схем электроустановок, при определении частоты планово-предупредительных ремонтов или межремонтных периодов. Таким образом, модели надежности следует классифицировать в соответствии с классом решаемой задачи. Как показывает анализ фактического материала, а именно статистических данных по отказам, в модели надежности коммутационного оборудования требуется учитывать свойства надежности электрических аппаратов (собственно выключателя с приводом, измерительных трансформаторов, разъединителей), устройств релейной защиты и автоматики (РЗА), условия ремонтно-эксплутационного обслуживания, природно-климатические и ряд других факторов.

Таким образом, существо научно-технической проблемы, которой была посвящена диссертационная работа, состояла в исследовании структуры отказов коммутационного оборудования в энергосистемах путем обобщения обширных фактических статистических данных, выявления причинно-следственных связей основных влияющих факторов и на этой основе — разработке научно обоснованных рекомендаций по формированию и использованию моделей надежности рассматриваемого оборудования при решении проектно-конструкторских и эксплуатационных задач: совершенствование конструкций выключателей и РУ, планирование их ремонтно-эксплуатационного обслуживания, а также обоснование и выбор схем электрических соединений электроустановок.

Цель работы и задачи исследований.

Цель работы заключается в создании теоретических и практических положений, связанных с разработкой и уточнением моделей надежности коммутационного оборудования в энергосистемах с учетом фактических эксплуатационных данных за длительный временной интервал в одной из крупнейших электросетевых компаний страны, совокупность которых представляет решение научно-технической задачи, имеющей существенное значение для электроэнергетической отрасли.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

— выявлены статистические закономерности в структуре отказов коммутационного оборудования путем обобщения обширного фактического материала и исследования динамики соответствующих параметров надежности в сетях 110— 750 кВ энергосистем;

— проанализирована эволюция моделей надежности коммутационного оборудования в схемах коммутации электроустановок, обоснованы причинно-следственные связи в структуре отказов;

— сформированы научно обоснованные рекомендации по применению моделей надежности коммутационного оборудования в схемах коммутации 110 кВ и выше.

Достоверность основных теоретических положений определяется тем, что полученные результаты подтверждены значительными объемами фактических статистических данных, детальным анализом основных влияющих факторов, расчетных условий и причинно-следственных связей, а так же опытом проектирования и эксплуатации объектов электросетевых объектов на современном этапе.

Научная новизна работы и личный вклад автора состоит в решении научно-технической задачи, имеющей существенное значение для электроэнергетической отрасли и заключающейся в разработке научно обоснованных рекомендаций, связанных с выбором моделей надежности коммутационного оборудования в энергосистемах при решения проектно-конструкторских и эксплуатационных задач.

Новое решение этой задачи заключается в исследовании причинно-следственных связей, проявляющихся в структуре, параметрах и динамике отказов коммутационного оборудования сетей 110−750 кВ одной из крупнейших электросетевых компаний. Такая концепция реализована впервые и потребовала привлечения обширных статистических данных. В результате автором диссертационной работы впервые получены следующие новые научные результаты:

1. Реализован комплексный подход к разработке и уточнению моделей надежности коммутационного оборудования в сетях 110—750 кВ, заключающийся в исследовании причинно-следственных связей основных влияющих факторов, а также поиске и учете новых свойств этих моделей. Это позволило предложить в рассматриваемой предметной области новые взгляды на традиционно принимаемые решения, влияющие на надежность и экономичность энергосистем.

2. Доказано, что поток отказов коммутационного оборудования имеет сложную структуру, кроме того, зависящую от длительности эксплуатации оборудования, и приводит к многократным разбросам значений рассматриваемого параметра: в 2−6 раз по компонентам и в 4—5 раз по длительности эксплуатации. Это принципиально и важно учитывать при совершенствовании конструкций выключателей, планировании их ремонтно-эксплуатационного обслуживания, а так же при обосновании и выборе схем электрических соединений электроустановок.

3. Установлена нелинейная взаимосвязь между продолжительностью эксплуатации коммутационного оборудования и его параметром потока отказов, что позволило сформулировать рекомендации по повышению качества работ в электроустановках и совершенствованию системы учета технологических нарушений в энергосистемах.

4. Уточнены модели надежности коммутационного оборудования в энергосистемах, что дает возможность более обоснованно подойти к решению комплексной задачи обеспечения надежности и экономичности режимов работы электростанций, электрических сетей и энергосистем в целом.

Практическое значение и внедрение.

1. Примененный подход и полученные на его основе рекомендации по моделям надежности коммутационного оборудования в энергосистемах позволяют на практике повысить достоверность и устойчивость принимаемых решений, а также надежность и экономичность электроустановок.

2. Разработанные практические рекомендации, а так же обобщенные статистические данные используются в «Магистральных электрических сетях Центра» (МЭС Центра) — филиале ОАО «ФСК ЕЭС» при решении широкого спектра задач ремонтно-эксплуатационного обслуживания: совершенствования конструкций выключателей, планирования их ремонтов, а также обоснования и выбора схем энергообъектов при новом строительстве, реконструкции и техническом перевооружении.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Применение комплексного подхода к оценке моделей надежности коммутационного оборудования в сетях 110−750 кВ энергосистем.

2. Обоснование структуры и параметров отказов коммутационного оборудования в энергосистемах.

3. Оценка областей применения моделей надежности коммутационного оборудования в схемах коммутации 110 кВ и выше.

Апробация работы.

По результатам исследований сделаны доклады на следующих конференциях: 11-я, 12-я и 13-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов (Москва, 2005, 2006, 2007).

В полном объеме диссертация докладывалась на 79-м международном научном семинаре им. Ю. Н. Руденко «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики» (Вологда, 2007) а также на заседании кафедры электрических станций Московского энергетического института (Технического университета) (Москва, 2007).

Публикации по проведенным исследованиям имелись в журналах «Электричество» (2007), «Электрические станции» (2005, 2005, 2007, 2007), в трудах трех конференций. Количество публикаций по теме диссертации составляет девять печатных работ, из них пять в центральных изданиях.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения (актов внедрения результатов работы).

4.6. Выводы.

1. Сделан вывод, что при использовании упрощенной модели надежности без дифференциации отказов по различным факторам приводит к завышению экономических последствий ненадежности. Однако этот метод является наиболее простым и наглядным.

2. Показано, что уточнение модели надежности классификацией отказов по последствиям на отказы типа «КЗ в одну (каждую) сторону), «КЗ в обе стороны» и «разрыв» позволяет уточнить результаты сравнительной оценки надежности схем РУ.

3. Проиллюстрировано на фактических данных эффективность использования структуры параметра потока отказов, в соответствии с классом решаемой задачи, в данном случае, при сравнительной оценке схем РУ с позиций надежности. Учет структуры параметра потока отказов позволяет избежать неопределенности при выборе последнего и позволяет избежать погрешности при оценке экономических последствий ненадежности, которые могут в ряде случаев существенно превысить сами результаты. Так, при неправильном сопоставлении параметра потока отказов классу решаемой задачи, значение недоотпуска электроэнергии может быть либо завышено в 4—6 раз, либо занижено в 2—3 раза. При оценке надежности схем электроустановок 110−750 кВ, если взять за основу модель надежности с классификацией отказов по типу присоединений, значение недоотпуска отличается лишь на 5−25% от недоотпуска при расчете используя упрощенную модель. При оценке надежности используя модель с классификацией отказов по последствиям, значение недоотпуска получается заниженным на 50%.

4. Результаты исследований автора наглядно продемонстрировали важность учета полученных в результате анализа фактического материала данных, в том числе — сопоставление моделей надежности классу решаемой задачи. Так при оценке схем выдачи мощности с позиций надежности необходимо максимально упростить задачу путем выбора упрощенной модели надежности, в которой отказы не дифференцированы по различным факторам. При решении задач реконструкции и комплексного перевооружения необходимо применять модель надежности, в которой детализируются отказы по последствиям на отказы типа «КЗ в одну (каждую) сторону), «КЗ в обе стороны» и «разрыв». При этом, следует привязать модель к структуре параметра потока отказов. Дальнейшее уточнение модели надежности считается необоснованным в силу большей трудоемкости при расчетах и отсутствием информационной базы требуемых показателей надежности.

Данное положение рекомендуется учесть при решении задач выбора схем выдачи мощности в энергосистему.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Разработаны теоретические и практические положения, связанные с выбором моделей и показателей надежности коммутационного оборудования в условиях фактической эксплуатации реальных энергосистем, совокупность которых представляет решение научно-технической задачи, имеющей существенное значение для электроэнергетической отрасли.

1. Реализован комплексный подход к разработке и уточнению моделей надежности коммутационного оборудования в сетях 110−750 кВ, заключающийся в исследовании причинно-следственных связей основных влияющих факторов, а также поиске и учете новых свойств этих моделей. Это позволило предложить в рассматриваемой предметной области новые взгляды на традиционно принимаемые решения, влияющие на надежность и экономичность энергосистем.

При этом необходимо, что бы структура параметра потока отказов выключателя соответствовала классу решаемой задачи, будь то анализ конструкций электрических аппаратов, планирование их ремонтно-эксплуатационного обслуживания или обоснование и выбор схем коммутации электроустановок.

2. Доказано, что параметр потока отказов коммутационного оборудования имеет объемную структуру, кроме того, зависящую от срока эксплуатации оборудования, и приводит к многократным разбросам значений рассматриваемого параметра: в 2—6 раз по компонентам и в 4—5 раз по сроку эксплуатации. Это принципиально и важно учитывать при совершенствовании конструкций выключателей, планировании их ремонтно-эксплуатационного обслуживания, а так же при обосновании и выборе схем электрических соединений электроустановок.

3. Установлена взаимосвязь между продолжительностью эксплуатации коммутационного оборудования и его надежностью, что позволило сформулировать рекомендации по повышению качества работ в электроустановках и совершенствованию системы учета технологических нарушений в энергосистемах.

Большое количество отказов выключателей в начальной зоне приработки заставляет обратить пристальное внимание на состояние работ по приемо-сдаточным испытаниям оборудования. Недопустимо, когда на первые годы эксплуатации приходится до 25−40% всех отказов выключателей.

Стабилизация количества отказов выключателей на уровне 2%/год.(в пять раз меньше, чем на начальных этапах эксплуатации) на длительных временных интервалах, исчисляемых десятками лет, — положительный фактор. Однако необходимо тщательное технико-экономическое сопоставление целесообразности поддержания в работоспособном состоянии устаревших и снятых с производства выключателей по сравнению с заменой их на новые типы оборудования.

4. Уточнены модели надежности коммутационного оборудования в энергосистемах, что дает возможность более обоснованно подойти к решению комплексной задачи обеспечения надежности и экономичности режимов работы электростанций, электрических сетей и энергосистем в целом.

Получены новые практические результаты:

5. Предложены рекомендации по объективному выбору моделей надежности коммутационного оборудования в энергосистемах при решения проектно-конструкторских и эксплуатационных задач, позволяющие повысить надежность и экономичность электроустановок: принципиальнои важно учитывать при решении задач совершенствования конструкций выключателей и распределительных устройств, планирования их ремонтно-эксплуатационного обслуживания, а так же при обосновании и выборе схем электрических соединений электроустановок учитывать структуру параметра потока отказов. В общем случае, если за базисное значение взять отказы собственно выключателей с приводом (100%), значение параметра потока отказов при учете структуры может изменяться в достаточно широких диапазонах (до 2—6 раз). Эти значения могут существенно измениться в большую сторону (до 12 раз), если учесть динамику параметра потока отказовпри рассмотрении модели надежности с классификацией отказов коммутационного оборудования по условию возникновения, будь то в статическом состоянии, при оперативных переключениях или при отключении КЗ, допустимо не выделять отказы при отключении КЗ из общей группы отказов. Анализ фактического материала показывает, что отказы в статическом состоянии, при оперативных переключениях и отказы при отключении КЗ проявляются достаточно равномерно: их частота возникновения в среднем составляет 30−40%. Таким образом, в модели отказа коммутационного оборудования не имеет большого смысла особо выделять отдельные режимыклассификация отказов по месту установки выключателей в схеме коммутации в целом себя оправдывает, поскольку аварийность выключателей в цепях линий электропередачи на 6—25% выше, чем в других цепях. Однако данный фактор менее важен по сравнению с корректностью учета многокомпонентности при определении параметра потока отказов (см. выше). Поэтому для упрощения расчетов надежности схем электрических соединений, по-видимому, допустимо не разделять отказы выключателей’по месту их установкиструктура отказов по их распределению между составляющими присоединения (собственно выключатель с приводом, трансформаторы тока, разъединители с ошиновкой, средства РЗА привязанные к ячейке) показал, что в ряде случаев собственно выключатель с приводом не является первопричиной отказа присоединения. Так по статистическим данным отношение количества отказов выключателей из-за нарушений работы устройств РЗА к отказам собственно выключателей с приводами составляет 0,57- 0,77- 0,64- 1,46 и 0,71 при напряжении соответственно 110- 220- 330- 500 и 750 кВ. Таким образом, в ряде случаев влияние РЗА на параметр потока отказов выключателей более весомый фактор по сравнению с их конструктивными особенностями и условиями ремонтно-эксплуатационного обслуживания, что принципиально и важно учитывать при решении задач повышения надежности схем электроустановокизвестные типы отказов выключателя («КЗ в одну (каждую) сторону», «КЗ в обе стороны», «разрыв») фактически можно рассматривать в качестве условно независимых случайных событий, поскольку на каждого из них ориентировочно пришлось 1Л общего числа отказов выключателей. Данный факт подтверждает вывод П. Г. Грудинского, полученный 50- лет назад, что лишь Уг отказов присоединений приводит к отключению сборных шин электроустановок в схеме с двумя системами сборных шин. Действительно, погашение системы сборных шин в рассматриваемой^ схеме* происходит при* отказе типа «КЗ в обе стороны» (% отказов) и отказе типа -«КЗ в одну сторону» QA отказов) — в сторону сборных шин. Таким образом, публикуемые последние десятилетия в специализированной литературе значения коэффициента, характеризующего долю отказов типа «КЗ в обе стороны» на уровне 0,6−0,7 и более представляются необоснованно завышеннымипогашения подстанций 500 кВ из-за отказов на сборных шинах 110−220 кВ, т. е. на вторичной стороне подстанций, преимущественно связаны с тем, что на них использованы схемы коммутации с двумя системами сборных шин. В таких схемах на каждом присоединении-, присутствуют развилки из двух шинных разъединителей. Поэтому часть отказов приводит к неустраненным КЗ, одновременно затрагивающим обе системы сборных шин. Ситуация усугубляется еще и тем, что шинные разъединители выполняют оперативные функции. Это так же увеличивает количество отказов, приводящих к одновременному погашению обеих систем сборных шин. Поэтому, при реконструкции подстанций необходимо стремиться к использованию в РУ 110—220 кВ схемы с одной секционированной системой сборных шин с обходной. В таких схемах практически исключены оперативные функции шинных разъединителей и отказы, связанные с одновременным погашением обеих секций системы сборных шин. Использование схемы с двумя системами сборных шин, следует считать вынужденным решением и должно требовать в проектах специального обоснования, в первую очередь, с режимных позиций;

— более 1/3 отказов на сборных шинах 110−220 кВ, зафиксированных в период 1993—2004 гг., связаны со старением оборудования. При анализе эксплуатационной надежности сборных шин за период 1978—1992 гг. данный фактор не был заметен. Это свидетельствует о необходимости пристального внимания к первоочередным мероприятиям по организации ремонтной деятельности на предприятиях отрасли, а также к модернизации и техническому перевооружению электроустановок.

Использование практических результатов:

6. Примененный подход и полученные на его основе рекомендации по моделям надежности коммутационного оборудования в энергосистемах позволяют на практике повысить достоверность и устойчивость принимаемых решений, а также надежность и ' экономичность электроустановок.

2. Разработанные практические рекомендации, а так же обобщенные статистические данные используются в «Магистральных электрических сетях Центра» (МЭС Центра) — филиале ОАО «ФСК ЕЭС» при решении широкого спектра задач ремонтно-эксплуатационного обслуживания: совершенствования конструкций выключателей, планирования их ремонтов, а также обоснования и выбора схем энергообъектов при новом строительстве, реконструкции и техническом перевооружении.