CC BY
23
ЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.311
НАДЕЖНОСТЬ И КОМПОНОВКА НИЗКОВОЛЬТНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ВНУТРИЦЕХОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Е.И. Грачева, Р.Р. Садыков, Р.Р. Хуснутдинов, А.Н. Алимова
Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия
grachieva. i@bk. ru
Резюме: В предлагаемой статье исследуется надежность функционирования оборудования схем цеховых сетей относительно присоединений потребителей распределительных устройств низкого напряжения - распределительных шкафов и распределительных пунктов с использованием статистических данных электрооборудования и применяя аналитический метод расчета. Установлены пределы расхождения параметров вероятности времени безотказной работы схем в зависимости от срока эксплуатации и применяемых низковольтных коммутационных аппаратов на отходящих линиях от секций шин распределительных устройств.
Ключевые слова: электрические сети, низковольтные коммутационные аппараты, надежность, вероятностные характеристики, потребители.
RELIABILITY AND COMPONENT OF LOW-VOLTAGE DISTRIBUTION DEVICES INSIDE ELECTRICAL SUPPLY
E.I. Gracheva, R.R. Sadykov, R.R. Khusnutdinov, A.N. Alimova
Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia
grachieva. i@bk. ru
Abstract: The article investigates the reliability of the operation of the equipment of the circuit network schemes about the connections of consumers of low voltage switchgear - distribution cabinets and distribution points using the statistical data of electrical equipment and applying the analytical method of calculation. The limits of the discrepancy between the probability parameters of the failure-free operation time of the circuits depending on the service life and the applied low-voltage switching devices on the outgoing lines from the bus bar sections of the switchgear are established.
Keywords: electrical networks, low-voltage switchgear, reliability, probabilistic characteristics, consumers.
Введение
На данный момент важное значение имеют финансовая составляющая снабжения потребителей электроэнергией, необходимость выполнения условий договорных обязательств по электроснабжению. Это связано с переходом к рыночным конкурентным условиям работы энергоснабжающих предприятий. Возрастает значение надежности и бесперебойности электроснабжения, ужесточаются требования к точности коммерческих
3
расчетов за купленную и отпущенную электроэнергию, а также к показателям качества электроэнергии. Следовательно, появляется необходимость разработки мероприятий по повышению надежности систем электроснабжения в связи с износом основного и вспомогательного электрооборудования.
Надежность электроснабжения определяется надежностью источников питания, надежностью элементов системы, схемой электрических соединений, режимом эксплуатации и стратегией планово-предупредительных ремонтов. Для повышения качества и надежности функционирования систем электроснабжения необходимо формирование новых универсальных путей: разработка компоновочных схем установки электротехнического и технологического оборудования, внедрение информационной системы о параметрах оборудования и текущем ресурсе с прогнозом возможных значений его предельных оценок. Требуется регулярный контроль и оценка данных надежности элементов оборудования цеховых сетей для реальных эксплуатационных режимов.
Теория вопроса
Эффективность функций систем электроснабжения (СЭС) зависит от каждого отдельно взятого элемента в ее составе [1, 2]. К СЭС предъявляются высокие требования обеспечения эффективности функционирования. В СЭС средняя продолжительность остановки питания составляет 3-4 ч. в год, что определяет коэффициент готовности КГ = 0,99971 [3-6].
Снижение параметров надежности функционирования СЭС определяется изменением режимов эксплуатации, которые характеризуются увеличением реального электропотребления, либо несвоевременным вводом в работу электрооборудования [7, 8]. Воздействие условий, понижающих надежность оборудования, можно уменьшить, улучшив режимные параметры, выбрав оптимальную схему, обеспечив рациональный резерв [9-11].
Методика проведения эксперимента
Исследуем параметры надежности электрической системы на примере участка цеховой сети. Для первой и второй секций шин (I СШ и II СШ) схемы (рис. 1) определим интенсивность отказов и среднюю вероятность отказа.
Логическая схема надежности для ШР (рис. 2) соответствует тому, что аварийное отключение одного из присоединений ШР приводит к отключению шкафа на время восстановительного ремонта. Определим параметры логической схемы. Значения исходных данных оборудования приведены в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Исходные данные для расчетной схемы
№ присоединения Тип кабельной линии Длина кабельной Мощность
линии, м двигателя, кВт
1 АВВГ (3x8 + 1x4) 15 19
2 АВВГ (3x8 + 1x4) 13 19
3 АВВГ (3x6 + 1x4) 16 16
4 АВВГ (3x6 + 1x4) 26 12
5 АВВГ (3x4 + 1x2,5) 26 12
6 АВВГ (3x4 + 1x2,5) 22 12
7 АВВГ (3x8 + 1x4) 17 19
8 АВВГ (3x10 + 1x6) 13 23
9 АВВГ (3x6 + 1x4) 17 16
10 АВВГ (3x4 + 1x2,5) 15 12
11 АВВГ (3x4 + 1x2,5) 22 12
12 АВВГ (3x70 + 1x35) 52 ---
13 АВВГ (3x70 + 1x35) 52 ---
Таблица 2
Значения интенсивности отказов кабельных линий
№ Длина КЛ, м Интенсивность № п/п Длина КЛ, м Интенсивность
п/п отказов, 1/год отказов, 1/год
1 15 0,004 8 13 0,003
2 13 0,003 9 17 0,004
3 16 0,007 10 15 0,004
4 26 0,006 11 22 0,005
5 26 0,006 12 52 0,013
6 22 0,005 13 52 0,013
Интенсивность отказов схемы с последовательно соединенными элементами (рис. 2) равна сумме интенсивностей отказов отдельных элементов
^шр = +5^ +3^МП +^КЛ12 +^КЛ1 +
+^КЛ2 + ^КЛ3+^КЛ4+^КЛ5 (!)
где ХШР - интенсивность отказов схемы (рис. 2); ХдР - интенсивность отказов автоматического выключателя; ХКЛ =^КЛ - интенсивность отказов /-ой кабельной линии;
- интенсивность отказов рубильника; ХР - интенсивность отказов предохранителя; ХМП - интенсивность отказов магнитного пускателя; ХК - интенсивность отказов контактора [12-14].
Значения вероятностных характеристик надежности оборудования получены в результате обработки статистической информации по отказам на промышленных предприятиях г. Казани.
ХШР = 2 • 0,059 + 0,004 + 0,003 + 0,004 + 0,006 + 0,013 + + 0,038 + 5 • 0,042 + 3 • 0,095 + 2 • 0,098 = 0,795 1/год.
Рис. 1. Схема участка низковольтной цеховой сети
Вычислим среднюю вероятность отказа системы
?ттТР =Чдр + ?КЛ + (1дз +(1р +(1р +(1р +(1р +(1р +?МП +?КЛ12 +
+ <?КЛ1 + %Л2 + #КЛ3 +#КЛ4 +?КЛ15 + #МП + #МП +#К + Чк, (2)
где ддр - вероятность отказа автоматического выключателя; дКЛ - вероятность отказа кабельной линии; дд$ - вероятность отказа рубильника; др - вероятность отказа предохранителя; дМП - вероятность отказа магнитного пускателя; qк - вероятность отказа контактора.
дШР = (2 • 2,23 +1,1+0,82+1,1+1,64 + 3,56+3,56 + 1,30+5-1,44+3-3,25 + 2 • 3,36)-10"5 = 4,12-10"4.
Численные значения параметров надежности относительно ПР рассчитывается аналогично: Хс = 0,472 1/год, дс = 2,45 • 10-4 .
Проведем сравнительный анализ параметров надежности относительно распределительных устройств низкого напряжения рассматриваемой схемы (рис. 1), используя статистические данные отказов электрооборудования. Для схемы ШР рис. 2 вероятность безотказной работы определится
РС (' =1 год) = PQF • PQS • 4 • РМП • РК • РКЛ = 0,957 .
Аналогично определим вероятность за / = 2.. .7 лет эксплуатации: Рс (Г = 1 год) = 0,957; Рс (Г = 2 год) = 0,913; Рс (Г = 3 год) = 0,798; Рс (Г = 4 год) = 0,586; Рс (Г = 5 год) = 0,411; Рс (Г = 6 год) = 0,250; Рс (Г = 7 год) = 0,110.
Построим графики зависимостей вероятности времени безотказной работы присоединений схемы ШР и ПР (рис. 3), по статистическим данным отказов электрооборудования (кривые 1 и 2) и результатам расчетов параметров надежности аналитическим методом (кривые 1' и 2').
1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0
РС(Т)
N. V
N
N V
t. год
1
2 3
4 5 .... 2 -
6 7 — Г
2'
10
Рис. 3. Линии 1 и 2: РС присоединений распределительного шкафа в течение 7 лет эксплуатации Линии 1' и 2': изменение РС присоединений распределительного пункта в течение 10
лет эксплуатации
Вероятность времени безотказной работы схемы относительно ПР определится:
Рс(О = Р^О9Ркл ()7 • Рмп3Рк2 (3)
РС (/ = 1 год) = 0,995; РС (Г = 2 год) = 0,991; РС (Г = 3 год) = 0,987;
РС (Г = 4 год)=0,969; РС (/ =5год)=0,948; РС (/ = 6 год) = 0,938; РС (Г = 7 год) = 0,909;
РС (/ = 8 год) =0,825; РС (/ = 9 год) = 0,700; РС (/ = 10 год) = 0,435.
Сравнение полученных данных показывает, что наименьшее расхождение параметров (до 10%) у схем с автоматическими выключателями на каждое присоединение (в течение первых 7 лет), а наибольшее расхождение, начиная с 5 -го года эксплуатации (20 %) для схем с установленными предохранителями.
Выводы
Проведено исследование надежности функционирования оборудования в зависимости от присоединений потребителей низковольтных распределительных устройств - распределительных шкафов и распределительных пунктов с использованием статистических данных электрооборудования с помощью аналитического метода расчета. В зависимости от срока эксплуатации и применяемых коммутационных аппаратов низкого напряжения на отходящих линиях от секций шин распределительных устройств приняты предельные значения расхождения параметров вероятности времени безотказной работы схем.
По результатам исследования можно судить, что необходимо периодически проверять надежность эксплуатации внутрицеховых систем электроснабжения. Из этого следует, что данные характеристик надежности оборудования нужно обновлять. Данная информация требуется для повышения качества электроснабжения потребителей и эффективного функционирования внутрицеховых систем.
Литература
1. Петушков М.Ю., Сарваров А.С., Федоров О.В. Оценка ресурсосбережения электрооборудования // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2015. №3. С. 24-28.
2. Грачева Е.И., Сафин А. Р., Наумов О. В., Садыков Р. Р. Влияние режимов эксплуатации систем внутрицехового электроснабжения на их функциональные характеристики // Надежность и безопасность энергетики. 2016. № 4(35). С. 50-55.
3. Грачева Е. И. Сафин А. Р., Садыков Р. Р. Применение аналитического метода расчета надежности элементов систем электроснабжения на основе вероятностных моделей // Надежность и безопасность энергетики. 2017. № 1. С. 48-52.
4. Esmaeilian H. R., Fadaeinedjad R., "Energy Loss Minimization in Distribution Systems Utilizing an Enhanced Reconfiguration Method Integrating Distributed Generation," IEEE Syst. J., IEEE, 2014. Pp. 1-10.
5. Мухлынин Н.Д., Паздерин А.В. Потоковая модель оценивания состояния и оптимизации режимов работы распределительных сетей // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2016. № 9-10. С.3-15.
6. Ершов А.М., Валеев Г.С., Валеев Р.Г. Исследование на компьютерной модели режимов работы радиальной воздушной линии напряжением 380 В при обрывах фазных и нулевого проводов // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2016. № 9-10. С.16-24.
7. Линьков, С.А., Сарваров А.С., Бачурин И.В. Анализ систем управления синхронных электроприводов // Электротехнические системы и комплексы. 2014. №2(23). С.25-28.
8. Федоров, О.В., Сарваров А.С., Петушков М.Ю. Электромагнитная совместимость пусковых устройств для электроприводов переменного тока с питающей сетью // Научные труды Винницкого национального технического университета. 2015. №4. С.18-21.
9. Грачева Е. И., Наумов О. В., Садыков, Р. Р. Анализ надежности функционирования оборудования цеховых сетей // Надежность и безопасность энергетики. 2016. № 2(33). С. 46-50.
10. Грачева Е.И. Наумов О.В., Сафин А.Р., Садыков Р.Р. Моделирование характеристик надежности низковольтных коммутационных аппаратов на основе случайных выборок на примере контакторов // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2016. №4. С. 36-41.
11. Сеппанен О. Повышение энергоэффективности. Законодательство ЕС // Электронный журнал «Здания высоких технологий». 2013. Лето 2013. С. 10-22.
12. Рябчицкий, М.В.,НечаевД.Н., Кокорин А.В. Низковольтные коммутационные (силовые) аппараты для нужд электроэнергетики // Автоматизация и IT в энергетике. 2014. №8 (61). С.4-10.
13. Marinopoulos A. G., Alexiadis M. C., Dokopoulos P. S. Energy losses in a distribution line with distributed generation based on stochastic power flow. Electric Power Systems Research. 2011. №5. rp. 86-94.
14. Сарваров А.С., Омельченко Е.Я., Васильев А.Е. Исследование работы электропривода мехатронного модуля робототехнического комплекса // Электротехнические системы и комплексы. 2016. №1(30). С.4-9.
Авторы публикации
Грачева Елена Ивановна - д-р техн. наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Казанского государственного энергетического университета.
Садыков Руслан Рустемович - аспирант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Казанского государственного энергетического университета.
Хуснутдинов Рустем Рауфович - к.ф.-м.н., доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Казанского государственного энергетического университета.
Алимова Алсу Нюрхайдаровна - магистрант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Казанского государственного энергетического университета.
References
1. Petushkov M.Y., Sarvarov A.S., Fedorov O.V. Ocenka resursosberezheniya ehlektrooborudovaniya // EHlektrooborudovanie: ehkspluataciya i remont. 2015. № 3. pр. 24-28.
2. Gracheva E.I., Safin A.R., Naumov O.V., Sadykov R.R. Vliyanie rezhimov ehkspluatacii sistem vnutricekhovogo ehlektrosnabzheniya na ih funkcional'nye harakteristiki // Nadezhnost' i bezopasnost' ehnergetiki. 2016. No. 4 (35). pр. 50-55.
3. Gracheva E.I., Safin A.R., Sadykov R.R. Primenenie analiticheskogo metoda rascheta nadezhnosti ehlementov sistem ehlektrosnabzheniya na osnove veroyatnostnyh modelej // Nadezhnost' i bezopasnost' ehnergetiki. 2017. No. 1. pp. 48-52.
4. Esmaeilian H. R., Fadaeinedjad R., "Energy Loss Minimization in Distribution Systems Utilizing an Enhanced Reconfiguration Method of Integrating Distributed Generation," IEEE Syst. J., IEEE. 2014. pp. 1-10.
5. Mukhlinin N.D., Pasedin A.V. Potokovaya model' ocenivaniya sostoyaniya i optimizacii rezhimov raboty raspredelitel'nyh setej // Proceedings of the higher educational institutions. ENERGY SECTOR PROBLEMS. 2016. No. 9-10. pp.3-15.
6. Ershov A.M., Valeev G.S., Valeev R.G. Issledovanie na komp'yuternoj modeli rezhimov raboty radial'noj vozdushnoj linii napryazheniem 380 V pri obryvah faznyh i nulevogo provodov // Proceedings of the higher educational institutions. ENERGY SECTOR PROBLEMS. 2016. No. 9-10. pp.16-24.
7. Linkov, S.A., Sarvarov A.S., Bachurin I.V. Analiz sistem upravleniya sinhronnyh ehlektroprivodov // EHlektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy. 2014. №2 (23). pp.25-28.
8. Fedorov, O.V., Sarvarov A.S., Petushkov M.Y. EHlektromagnitnaya sovmestimost' puskovyh ustrojstv dlya ehlektroprivodov peremennogo toka s pitayushchej set'yu // Nauchnye trudy Vinnickogo nacional'nogo tekhnicheskogo universiteta. 2015. No.4. pp.18-21.
9. Gracheva E.I., Naumov O.V., Sadykov R.R. Analiz nadezhnosti funkcionirovaniya oborudovaniya cekhovyh setej // Nadezhnost' i bezopasnost' ehnergetiki. 2016. No. 2 (33). pp. 46-50.
10. Gracheva E.I. Naumov O.V., Safin A.R., Sadykov R.R. Modelirovanie harakteristik nadezhnosti nizkovol'tnyh kommutacionnyh apparatov na osnove sluchajnyh vyborok na primere kontaktorov // Vesti vysshih uchebnyh zavedenij CHernozem'ya. 2016. No.4. pp. 36-41.
11. Seppanen O. Povyshenie ehnergoehffektivnosti. Zakonodatel'stvo ES // EHlektronnyj zhurnal «Zdaniya vysokih tekhnologij». 2013. Leto 2013. pp. 10-22.
12. Ryabchitsky, M.V., Nechaev D.N., Kokorin A.V. Nizkovol'tnye kommutacionnye (silovye) apparaty dlya nuzhd ehlektroehnergetiki // Avtomatizaciya i IT v ehnergetike. 2014. No. 8 (61). pp.4-10.
13. Marinopoulos, A. G., Alexiadis, M. C., Dokopoulos, P. S. Energy losses in a distribution line with distributed generation based on stochastic power flow. Electric Power Systems Research. 2011. No.5 pp. 86-94.
14. Sarvarov A.S., Omelchenko E.Y., Vasiliev A.E. Issledovanie raboty ehlektroprivoda mekhatronnogo modulya robototekhnicheskogo kompleksa // EHlektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy. 2016. No.1 (30). pp.4-9.
Authors of the publication Elena I. Gracheva - Kazan State Power Engineering University, Russia. E-mail: grachieva.i@bk.ru. Ruslan R. Sadykov - Kazan State Power Engineering University, Russia. Rustem R. Khusnutdinov - Kazan State Power Engineering University, Russia. Alsu N. Alimova - Kazan State Power Engineering University, Russia.
Поступила в редакцию 12 мая 2018 г.
