CC BY
20
УДК 621.316
05.00.00 Технические науки
ОСНОВЫ РАСЧЕТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВЕРОЯТНОСТИ БЕЗОТКАЗНОЙ РАБОТЫ ПИТАЮЩИХ ШИН И СЕКЦИЙ ШИН
Мирошников Алексей Владимирович студент
Макаренко Алексей Сергеевич аспирант
Оськин Сергей Владимирович д.т.н., профессор РИНЦ SPIN-код: 2746-7547 [email protected]
Кубанский государственный аграрный университет имени И. Т. Трубилина, Краснодар, Россия
В сельском хозяйстве высокая надежность электроснабжения необходима из-за главной его особенности - производство связано с биологическими объектами. Изменение параметров состояния может приводить к резкому снижению продуктивности биологической системы или вообще к гибели его. Особенно критичны к надежности электроснабжения следующие предприятия: молочнотоварные фермы, тепличные комплексы, инкубаторы, площадки хранения зерна, готовой продукции и многое другое. В статье представлены: модели отказов секций шин, модели отказов питающих шин; формулы по расчету показателей надежности, расчетные значения вероятностей безотказной работы отдельных элементов анализ полученных значений, сделаны выводы по представленным моделям и даны предложения по внедрению в производство, отмечена связь энергосбережения с надежностью электроустановок
Ключевые слова: НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ПИТАЮЩИЕ ШИНЫ, СЕКЦИИ ШИН, ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ, ЭНЕРГЕТИКА
Рок 10.21515/1990-4665-129-071
UDC 621.316 Technical sciences
THE BASICS OF CALCULATING THE PROBABILITY OF FAILURE-FREE OPERATION OF SUPPLY BUSES AND BUS SECTIONS
Miroshnikov Aleksey Vladimirovich student
Makarenko Aleksei Sergeevich postgraduate student
Oskin Sergey Vladimirovich
Dr.Sci.Tech., professor
RSCI SPIN-code: 2746-7547
Kuban State Agrarian University
named after I. T. Trubilin, Krasnodar, Russia
In agriculture, the high reliability of electricity supply is necessary because of its main feature production is associated with biological objects. The change in the state parameters can lead to a sharp decrease in the productivity of the biological system or, in general, to the death of it. The following enterprises are particularly critical to the reliability of power supply: dairy farms, hothouse complexes, incubators, grain storage sites, finished products and much more. The article presents: models of failure of switchable busbar, models of failure of supply buses; formulas for the calculation of reliability indicators, the calculated values of the probabilities of failure-free operation of individual elements, analysis of the values obtained, conclusions were made on the models presented and suggestions were made for introduction into production, energy conservation was associated with reliability of electrical installations
Keywords: RELIABILITY OF ELECTRIC NETWORK SUPPLY BUSES, BUS SECTIONS, POWER SUPPLY, POWER
Сегодня остается актуальным установление оптимального уровня надежности систем электроснабжения потребителей различных категорий. Устойчивое энергетическое обеспечение сельскохозяйственных потребителей включает ряд мер по совершенствованию организации технического сервиса электрооборудования. Эффективная работа электрооборудова-
ния в сельском хозяйстве зависит от всего комплекса организационных и технических мероприятий, проводимых как при разработке, производстве, монтаже так и при эксплуатации любого оборудования. Возрастающие требования сельскохозяйственного производства к надежности работы электроустановок, требуют совершенствования системы эксплуатации, при которой наблюдаются минимальные затраты на проведение техобслуживания и сокращенные сроки устранение аварийных отказов оборудования. Это связано с наличием возможных технологических ущербов, наносимых выходом из строя электроустановок и электроснабжающего оборудования.
Особенности сельскохозяйственного производства, в том числе и неоднородность форм организации сельских товаропроизводителей, в сочетании с недостатком материальных средств на приобретение нового оборудования и материалов, а также учитывая уровень тарифов на электроэнергию, требует разработки и внедрения новых методов и форм организации технического обслуживания и ремонта электрооборудования.
Научные исследования, связанные с совершенствованием технического сервиса электроустановок в современных условиях сельскохозяйственного производства, которые приведут к повышению эксплуатационной надежности работы сельских электроустановок, а это, в свою очередь, являются актуальными, так как это даст увеличение выпуска сельскохозяйственной продукции.
Ранее рассматривался процесс функционирования электроснабжа-ющей трансформаторной подстанции (ТП) с точки зрения надежности [7, 8]. Однако не все элементы ТП были включены в структурную схему. На рисунке 1 показана структурная схема оборудования ТП с наличием электрических шин.
Рисунок 1 - Структурная схема расчета надежности оборудования ТП Формула для расчета вероятностей безотказной работы шин принимает вид:
Робщ(:) = Р сш О • Рпш(1) (1)
где Рсш(:) - вероятность безотказной работы секции шин, Рпш(:) - вероятность безотказной работы питающих шин.
Необходимо учитывать, что также на надежность оказывают влияние и параметрические отказы. Сегодняшняя ситуация характерна тем, что нужны значительные средства на замену большей части изношенного электрооборудования, что произвести практически невозможно. Поэтому, в электроэнергетике предстоит длительный период работы на изношенном оборудовании, пока не появятся средства на замену. Сейчас нас спасает то, что пока производство находится в стагнации и электрические нагрузки не значительны.
Рассмотрим секцию шин как систему из двух последовательно соединенных элементов, надежность одного из них связана с появлением внезапных отказов, а другого - с постепенными (параметрическими). Внезапные отказы характеризуются резким, внезапным изменением параметров под воздействием одного или нескольких случайных факторов внешней среды или вследствие ошибок соответствующего обслуживающего персонала. Вероятность безотказной работы будет выглядеть соответственно:
Р сш (:)=Рв(:) • Рп(:), (2)
где Рв(:) и Рп(:) —вероятности безотказной работы соответственно элементов, при внезапном и постепенном отказах.
Для большинства технических систем в инженерных расчетах в качестве основного распределения времени безотказной работы при внезапных отказах принимается показательное распределение [1, 2]:
Р(1>Т)= е - (3)
где X - интенсивность отказов,ч-1; 1;-время безотказной работы, ч.
Параметрические отказы секций шин происходят по причине периодических превышение допустимых нагрузок и под воздействием окружающей среды (окисления), механические неисправности - ослабления затяжки болтовых соединений, а также связано с низкой квалификацией персонала (не могут вовремя провести технический уход и т.д) . Для таких случаев часто используют законом распределения Вейбулла-Гнеденко [1, 3, 5, 8]:
Р(1>Т)= е - с(мс) (4)
где с - параметр масштаба; 1;0 - порог чувствительности.
Тогда окончательно аналогично другим элементам ТП [7, 8] можно записать:
Рсш (1) = е-11-е-с1 (5)
Причинами внезапных отказов секций шин могут быть следующие: короткие замыкания из-за погодных условий, механических перекрытий фаз, попадание посторонних предметов, всплесков перенапряжений [6]. Причинами постепенных отказов в свою очередь будут следующие: периодические возникновения внешних и внутренних механических перенапряжений, сквозных токов коротких замыканий и дефектов изготовления (раковины, трещины и т.д.). На основании принятых критериев выделим два статистических ряда для внезапных и постепенных отказов, приведенных в таблице 1 [6].
Таблица 1 - Статистический ряд отказов секций шин.
У,ч У,ч У,ч У,ч Х,ч Х,ч Х,ч Х,ч
769111 865832 777664 876761 760215 856936 768768 867865
878451 974728 834543 854593 869555 965832 825647 845697
803812 914846 973376 823274 794916 905950 964405 814378
769111 974728
Уср М Т X
862249, 3 38224,59 1,23Е+0 8 8,13789Е-09
Параметр показательного закона - интенсивность отказов Л обычно определяется по формуле [2, 3, 4, 5,6];
Л=Г Л=Т1- (6)
где хср— среднее значение наработок на отказ отдельных элементов, ч.
Известна формула для определения среднего времени безотказной работы;
Т = —
1сш д (7)
сш
Произведем оценку параметры распределения Вейбулла-Гнеденко и вычислим среднее значение наработки на отказ;
1 ^
У ср =- Е У: (8)
т 1
Необходимо разобьем выборку на соответствующие интервалы;
М = Утах ~Ут1П = 38225 (9)
1 + 3,3^т ^
Определим количество отказов попавших в каждый из полученных интервалов (Таблица 2) [6].
Научный журнал КубГАУ, №129(05), 2017 года Таблица 2- Количество отказов секции шин
Интервалы 1 2 3 4 5 6
мин 769111 823274 876761 760215 814378 867865
макс 823274 876761 974728 814378 867865 966528
1 769111 834543 878451 760215 825647 869555
2 777664 854593 914846 768768 845697 905950
3 803812 865832 973376 794916 856936 964405
4 823274 876761 974728 814378 867865 965832
У^ 793465 857932 935350 784569 849036 926435
pi 0,33 0,33 0,33 0,33 0,33 0,33
D Ш C T
3,16Е+09 56178,51 0,007239 0,31 2,86Е-20 7680123 1,30206Е-07
Определим относительную частоту событий по формуле [8]:
pi=mi/m.
Вычислим по широко известным формулам в статистике: значение дисперсии Б,
(10)
б=X ^ - у ср )2 • рi
(11)
¡=1
среднеквадратичное отклонение,
а = л/Б
коэффициент вариации,
- а
V = =
У
(12)
(13)
ср
По соответствующей номограмме находится значение параметра формы для распределения Вейбулла-Гнеденко 1/а=0,31. По полученным
значениям определяется параметр масштаба:
( \-а
(14)
с =
У
ср
1
Г(1 +а ) а у
Г(1,0351)=0,9875
Для расчета среднего времени безотказной работы используем известную формулу;
— = Г(1 + 1/а). (15)
Т2сш = 1/а ' Ч1^/
Расчеты вероятности безотказной работы для промежутка времени в 1000 и 10000 часов показали следующие значения;
}сш (1000)=
-п __1,30- 10Л-7-1000 2,86 ■10л-20-1000_п пппо
Рсш (1000)_ е е —0,ууу5
т, _ ^1,30- 10Л-7-10000 2,86 •10Л-20-10000_п
Рсш (10000)— е е —0,9985
Рассмотрим теперь питающие шины как устройство, состоящее из двух последовательно соединенных элементов, в одном из которых может появиться внезапный отказ, а в другом постепенный. Вероятность безотказной работы питающих шин можно также рассчитать по формуле (2).
Постепенные отказы питающих шин, как и секций шин, происходят в основном по причине превышение допустимых нагрузок и низкой квалификацией персонала [6]. В теории надежности и в инженерных расчетах, в качестве основного распределения времени безотказной работы при внезапных отказах принимается показательное распределение и расчеты можно проводить по формуле (5).
Причинами внезапных отказов питающих шин такие же как и для секций шин. Таким образом, можно сформировать два статистических ряда (Таблица 3) [6].
Таблица 3- Статистический ряд отказов питающих шин
У,ч У,ч У,ч У,ч Х,ч Х,ч Х,ч Х,ч
769111 865832 777664 876761 760215 856936 768768 867865
794588 906460 864451 975424 785692 897564 855555 966528
803812 914846 973301 823274 794916 905950 964405 814378
769111 975424
Уср М Т X
86213 38354 1,2Е+08 8,14Е-09
Интенсивность отказов 1, определим по формуле (6), а среднее время безотказной работы найдется по формуле (7).
Для оценки параметров распределения Вейбулла-Гнеденко вычислим среднее значение наработки на отказ по формуле (8).
Разобьем выборку на интервалы и подсчитаем сколько отказов попало в каждый из полученных интервалов, а все расчёты сведем в таблицу 4 [6].
Таблица 4- Количество отказов питающих шин
Интервалы 1 2 3 4 5 6
мин 769111 803812 876761 760215 794916 867865
макс 803812 876761 975424 794916 867865 966528
1 769111 823274 906460 760215 814378 897564
2 777664 864451 914846 768768 855555 905950
3 794588 865832 973301 785692 856936 964405
4 803812 876761 975424 794916 867865 966528
Уюр 786294 857580 942510 777398 848684 933612
Р1 0,33 0,33 0,33 0,33 0,33 0,33
Б □ □ 1/а С т □
2,2Е+09 46554 0,006 0,31 2,9Е-20 7679080 1,3Е-07
Необходимые параметры определяем по следующим формулам: относительную частоту событий по формуле (10), среднее значение для каждого интервала - (8), значение дисперсии Б по формуле (11), среднеквадратичное отклонение - (12), коэффициент вариации - по формуле (13). Используя номограмму находим значение параметра формы - 1/а=0,34. Ввычислим параметр масштаба распределения Вейбулла-Гнеденко:
Г(1,0351)=0,91
Среднее время безотказной работы расчитаем по формулам (15), (7). Вероятность безотказной работы питающих шин для времени 1000 и 10000 часов составит:
-Г» __1,30 10Л-7-1000 2,86 •10л-20-1000_п ППП1
Рпш (1000)= е е =0,9991
пш (1000)" 'пш (10000)=
т, _ Л,30- 10Л-7-10000 2,86 -10Л-20-10000_г» 0ПОО
Рпш (10000)= е е =0,9982
Из полученных данных легко вычислить общее значение вероятности безотказной работы перечисленных элементов электрической сети (1);
Р общ (Ш0)—0,9998-0,9991—0,998 Р общ (10000) — 0,9985-0,9982— 0,996
Анализ полученных значений показывает, что с высокой степенью достоверности можно судить об относительно высокой надежности работы шин. Также, нужно учитывать, что в общей структуре электроснабжения еще находятся и другие элементы, которые находятся в последовательном структурном соединении с данным типом оборудования. В связи с этим расчет общей надежности электроснабжающей структуры необходимо проводить с учетом линий электропередач и остального оборудования.
В сельском хозяйстве высокая надежность электроснабжения необходима из-за главной его особенности - производство связано с биологическими объектами. Изменение параметров состояния может приводить к резкому снижению продуктивности биологической системы или вообще к гибели его. Особенно критичны к надежности электроснабжения следующие предприятия; молочно-товарные фермы, тепличные комплексы, инкубаторы, площадки хранения зерна, готовой продукции и многое другое. Сегодня мы наблюдаем тенденцию к повышению требований к качеству сельского электроснабжения; его надежности, качеству электроэнергии, уровню потерь в электрических сетях и в отдельных их элементах, а также к новым способам преобразования и электроэнергии.
Ввиду, как правило, значительной протяженности и преимущественно радиального построения сельских сетей, и незначительных нагрузок потребителей возникают определенные трудности в поддержании качественного их электроснабжения. В сельской местности значительно ниже показатели надежности электроснабжения и соответственно качества электроэнергии, чем в городских сетях. Также наблюдается значительный
технологический расход электроэнергии на передачу и распределение. В тоже время методика оценки основных показателей качества электроснабжения сельскохозяйственных потребителей разработана недостаточно. С одной стороны известно, что внедрение мероприятий, повышающих надежность электроснабжения, влияет на качество электроэнергии и экономичность передачи электроэнергии. Сегодня необходимо обратить внимание на энергосберегающие мероприятия, а они сильно связаны с показателями надежности оборудования. Взаимное сотрудничество между учеными и эксплуатационниками может дать высокий результат по эффективности сельскохозяйственного производства и способствовать снижению себестоимости продукции, а также даст эффект и у производителей электроэнергии.
Литература
1. Оськин С.В. Повышение надежности электроприводов в сельском хозяйстве (Текст)/ С.В. Оськин, И.А. Переверзев, А.Ф. Кроневальд// Механизация и электрификация сельского хозяйства.-2008.- №1.-с. 20-21.
2. Оськин С. В. Определение надежности электроприводов по статистическим данным об отказах (Текст)/С.В. Оськин, А.Ф. Кроневальд, А.И.Вандке, А.С. Оськин// Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2008.-№7.-с.26-27.
3. Фокин Ю.А., Туфанов В. А. Оценка надежности систем электроснабжения. - М.: Энергоатомиздат, 1981.-224с.
4. Розанов М.Н. Надежность электроэнергетических систем. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 200с.
5. Р. Хэвиленд., Инженерная надежность и расчет на долговечность. М.: Энергия, 1966. - 232с.
6. Арынов А.К, Кошельков Р.У. Оценка эксплуатационной надежности элементов энергосистем /Арынов А.К, Кошельков Р. У./ Режим доступа: [http://www.twirpx.eom/file/523118/l.
7. Макаренко А.С. Основы расчета показателей надежности элементов / А. С. Макаренко // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2014. - №04(098). С. 516 - 527. - IDA [article ID]: 0981404037. - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/04/pdf/37.pdf, 0,75 у.п.л.
8. Оськин С.В, МакаренкоА.С. Основы расчета вероятности безотказной работы силового трансформатора /С.В. Оськин, А.С. Макаренко/ Труды КубГАУ (Научный журнал КубГАУ) - Краснодар: КубГАУ, 2014. - №47.
References
1. Os'kin S.V. Povyshenie nadezhnosti jelektroprivodov v sel'skom hozjajstve (Tekst)/ S.V. Os'kin, I.A. Pereverzev, A.F. Kroneval'd// Mehanizacija i jelektrifikacija sel'skogo hozjaj stva.-2008.- №1.-s. 20-21.
2. Os'kin S.V. Opredelenie nadezhnosti jelektroprivodov po statisticheskim dannym ob otkazah (Tekst)/S.V. Os'kin, A.F. Kroneval'd, A.I.Vandke, A.S. Os'kin// Mehanizacija i jelektrifikacija sel'skogo hozjajstva. 2008.-№7.-s.26-27.
3. Fokin Ju.A., Tufanov V.A. Ocenka nadezhnosti sistem jelektrosnabzhenija. - M.: Jenergoatomizdat, 1981.-224s.
4. Rozanov M.N. Nadezhnost' jelektrojenergeticheskih sistem. - M.: Jenergoatomizdat, 1984. - 200s.
5. R. Hjevilend., Inzhenernaja nadezhnost' i raschet na dolgovechnost'. M.: Jenergija, 1966. - 232s.
6. Arynov A.K, Koshel'kov R.U. Ocenka jekspluatacionnoj nadezhnosti jelementov jenergosistem /Arynov A.K, Koshel'kov R.U./ Rezhim dostupa: [http://www.twirpx.com/file/523118/].
7. Makarenko A.S. Osnovy rascheta pokazatelej nadezhnosti jelementov / A.S. Makarenko // Politematicheskij setevoj jelektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudar-stvennogo agrarnogo universiteta (Nauchnyj zhurnal KubGAU) [Jelektronnyj resurs]. - Krasnodar: KubGAU, 2014. - №04(098). S. 516 - 527. - IDA [article ID]: 0981404037. - Rezhim dostupa: http://ej.kubagro.ru/2014/04/pdf/37.pdf, 0,75 u.p.l.
8. Os'kin S.V, MakarenkoA.S. Osnovy rascheta verojatnosti bezotkaznoj raboty silo-vogo transformatora /S.V. Os'kin, A.S. Makarenko/ Trudy KubGAU (Nauchnyj zhurnal KubGAU) - Krasnodar: KubGAU, 2014. - №47.
