CC BY
743
УДК 621.31 ББК 31.279
Л.М. РЫБАКОВ, З.Г. ИВАНОВА
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОТКАЗОВ И ПЛАНИРОВАНИЕ РЕЗЕРВА ЗАПАСНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, АППАРАТОВ И ОБОРУДОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ 10 КВ
Ключевые слова: разрядники, изоляторы, силовые трансформаторы, электрические аппараты, электрические сети, уравнение регрессии, запасные элементы, прогнозирование.
Рассмотрены вопросы отказов элементов, аппаратов и силовых трансформаторов в распределительных сетях 10 кВ в зависимости от воздействующих факторов по месяцам года. Получены уравнения регрессии, связывающие интенсивности отказов элементов, аппаратов, оборудования и воздействующих факторов. Исследования позволили выявить и описать интенсивность отказов для наиболее характерных периодов года эксплуатации электрических сетей. Полученные уравнения регрессии и функциональные зависимости интенсивности отказов с использованием разработанных вероятностных моделей прогнозирования позволили провести оценку числа запасных элементов, аппаратов и оборудования для распределительных сетей по месяцам и сезонам года. Предложенная методика планирования запасных элементов позволяет оптимизировать эти запасы с учетом сезонности эксплуатации, принципа достаточности и определять приоритет в финансировании средств на формирование резерва.
L. RYBAKOV, Z. IVANOVA PREDICTING FAILURE AND PLANNING RESERVES OF SPARE PARTS, APPARATUS AND EQUIPMENT FOR 10 KV ELECTRIC DISTRIBUTION GRIDS
Key words: arresters, insulators, power transformers, electric aparatus, electrical networks, regression equation, spare elements, forcasting.
The article considers the equipment, devices, and power transformers failures of 10 kV distribution grids affected by different factors connected with the weather conditions in different months of the year. We have obtained the regression equations that connect equipment, devices, and power transformers failures with factors affecting them. The research allowed revealing and describing the intensity of failures typical of seasonable exploitation of distribution grids. The regression equations and functional dependence of failures intensity obtained by use of forecasting probability models allowed assessing the number of spare parts, devices and equipment for distribution grids according to months and seasons of the year. The proposed methods of planning spare parts allow to optimize their reserves in terms of the period of their exploitation, sufficiency principle, as well as to determine priorities in financing the creation of reserves.
Анализ отказов в распределительной сети 10 кВ. Наиболее слабым элементом в распределительных сетях 10 кВ являются: линейные разъединители, разрядники, силовые трансформаторы, линейные изоляторы и провода.
Основными причинами отказов элементов, аппаратов и оборудования в распределительной сети 10 кВ являются:
- превышение фактических нагрузок (механических и электрических) над их расчётными значениями;
- неправильный выбор типов элементов, аппаратов и оборудования распределительной сети 10 кВ;
- дефекты, допущенные при изготовлении и монтаже;
- несоблюдение правил при эксплуатации элементов, аппаратов и оборудования;
- экстремальные значения действующих на распределительную сеть 10 кВ природных факторов (ветер, осадки (дождь, снег и т. д.), температура, интенсивность грозовой деятельности);
- повреждения элементов, аппаратов и оборудования из-за внутренних перенапряжений в системах электроснабжения.
В качестве исходной информации использовались журналы регистрации аварийных отключений РЭС, карты изоляции оборудования и годовые отчёты Йошкар-Олинских электрических сетей.
Основным подходом при анализе отказов в распределительной сети 10 кВ является сбор статистической информации о числе отказов за определённый промежуток времени с последующей обработкой полученной информации методами математической статистики с помощью программы «81аЙ8йеа 5.0». В соответствии с поставленной задачей исследования объём выборки должен быть достаточно большим, чтобы можно было делать анализ отказов и их прогноз.
В качестве объектов исследования выбраны наиболее важные элементы сети 10 кВ: провод, изоляторы, разрядники и трансформаторы. Отказ каждого из этих элементов может привести к нарушению электроснабжения потребителей.
Показатели надёжности ВЛ 10 кВ:
- интенсивность отказов X = 2-20 на 100 км;
- среднее время восстановления ¿в = 2-24 ч;
- плановое время ремонта ¿ПЛ = 2-8 ч/год на одну цепь;
- частота плановых ремонтов Хпл = 0,5-1 год на одну цепь.
Надёжность линий 10 кВ зависит от надёжности изоляторов, применяемых в распределительных сетях. Отказ линейной изоляции вызывает до 40% всех отключений в распределительных сетях 10 кВ. Это объясняется наличием у многих изоляторов заводских дефектов, а также их дополнительным внесением при транспортировке. Наиболее частой причиной отказа изоляторов данного типа является их механическое разрушение от воздействия механических нагрузок от проводов или постороннего вмешательства, а также электрический пробой из-за удара молнии или коммутационных перенапряжений. Причиной отказов является также высокая температура, которая возникает при перекрытиях электрической дугой. Следует подчеркнуть, что дуга однофазного короткого замыкания (КЗ) может устойчиво гореть при токах порядка 5А, вызывая при этом полное разрушение изолятора за 1 мин. При воздействии дуги междуфазного КЗ разрушение происходит за 1,5-2 с. Кроме того, изоляторы функционируют при воздействии на них рабочего напряжения, значительных механических нагрузок, температурных колебаний, атмосферных осадков и загрязнения. Усиленное старение изоляции в летний период объясняется наибольшей среднесуточной амплитудой колебаний температуры воздуха и наибольшим среднемесячным количеством осадков.
Максимальная интенсивность отказов проходных изоляторов типа ПНБ-10 наблюдается в летний период, весной и осенью она ниже, хотя и остаётся на достаточно высоком уровне, зимой же количество отказов значительно ниже. Это объясняется изменением температурного режима и влажности в течение года.
Распределение отказов (обрывов) провода имеет несколько иной характер. Инциденты с проводами составляют до 35% от всех отказов элементов сети.
Основной причиной повреждаемости проводов является их обрыв от воздействия ветровых и гололёдно-ветровых нагрузок (64%), а также от перегорания проводов при их схлёстывании, перегорания из-за высоких электрических нагрузок происходят реже.
Аварийность по причине обрыва проводов максимальна для проводов малых сечений и для проводов марки А (алюминиевых без стального сердечника). Аварийность по причине обрыва проводов снижается с увеличением сечения проводов и с переходом на сталеалюминевые провода марки АС.
От 30 до 60% обрывов проводов происходит при механических нагрузках в пределах расчётных величин, в предварительно ослабленных местах из-за пережогов при опасных в электрическом отношении сближениях, из-за усталостного разрушения проволок провода при высокочастотных колебаниях (вибрациях), перетирании проволок об изолятор и зажим.
Интенсивность обрывов проводов относительно высока на протяжении всего года. Незначительное превышение их общего уровня наблюдается в зимний период из-за высокой ветровой нагрузки, обледенения и снега.
В качестве объекта исследования отказов аппаратов рассмотрены вентильные подстанционные разрядники (РВП) и линейные разъединители (ЛР).
Для анализа отказов разрядников исследуем распределение по месяцам инцидентов, связанных с вентильными подстанционными разрядниками. Интенсивность отказов имеет ярко выраженный максимум в весенний (май) и летний периоды, в остальное время года количество инцидентов стабильно низкое, что, видимо, объясняется грозовыми явлениями, которые в большом количестве имеют место в период с мая по август включительно.
Разъединители - коммутационные аппараты - предназначены для переключений без нагрузки, утрачивают работоспособность как из-за воздействия природных факторов, так и из-за неправильного действия персонала. Разъединители имеют следующие показатели надёжности:
- интенсивность отказов X = 0,001-0,015;
- среднее время восстановления (в = 6-14 ч;
- плановое время ремонта ^ = 2-8 ч/год;
- частота плановых ремонтов Хдл = 0,2-0,5.
Отказы разъединителей проявляются в виде коротких замыканий, вызванных электрическими и механическими повреждениями, кроме того, в виде самопроизвольного включения и отказа при включении.
Распределение причин отказов разъединителей:
- обледенение и разрегулирование - 40%;
- пробой и дефекты изоляции - 20%;
- отказ привода - 20%;
- неисправность механизма - 10%;
- дефекты контактных соединений - 5%;
- ошибки персонала - 5%.
Интенсивность отказов имеет выраженный максимум в летний период.
Анализ отказов оборудования распределительной сети 10 кВ. Самым важным и сложным звеном распределительной сети 10 кВ являются трансформаторы (класс напряжения 10/0,4 кВ). Структурные элементы трансфор-
матора могут утрачивать работоспособность вследствие действия различных факторов. Частота отказов трансформаторов в значительной степени зависит от габаритов, класса напряжения и условий эксплуатации.
Для трансформаторов 10 кВ характерны следующие значения показателей надёжности:
- интенсивность отказов X = 0,008-0,08;
- среднее время восстановления ¿в = 80-100 ч;
- плановое время ремонта ^ = 10-15 ч/год;
- частота плановых ремонтов Хдд = 0,25 год.
Причиной отказа трансформатора могут быть отказы его внешней изоляции (вводы высокого (ВН) и низкого (НН) напряжений), основной изоляции, обмотки и т.д. Распределение числа отказов (в процентах) элементов конструкции трансформаторов напряжением 10 кВ составляет:
- витковая и продольная изоляция - 60%;
- вводы - 1%;
- баки, прокладки, система охлаждения - 1%;
- главная изоляция - 19%;
- магнитопровод -16%.
Повреждения продольной изоляции происходят 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. При прохождении сквозного тока КЗ обмотка смещается, появляются трещины в витковой изоляции, вследствие чего уменьшается электрическая прочность изоляции. Пробой изоляции чаще всего происходит во время грозы из-за неэффективной защиты от перенапряжений Возможны также разбухание дополнительной катушечной изоляции обмоток и, как следствие, поломка конструктивных элементов обмотки. Кроме механических и усталостных процессов в обмотке происходит и тепловое старение изоляции вследствие повышения температуры окружающей среды, а также плановых и аварийных перегрузок. Отказы высоковольтных вводов в основном вызваны загрязнением химическими уносами, а отказы переключателей - механическим износом. Распределение причин отказа трансформаторов:
- заводские дефекты - 35%;
- грозовые повреждения - 25%;
- неправильная эксплуатация - 20%;
- неудовлетворительный ремонт - 10%;
- старение изоляции - 10%.
Несмотря на многоплановость факторов, вызывающих отказ, большее их количество приходится на летний период. Очевидно, это происходит по причине сложных климатических условий при функционировании трансформаторов: высокая температура, грозовые явления и прочее.
Прогнозирование резерва запасных элементов РЭСсхН-10 кВ. На основе вышеприведенных исследований можно прогнозировать отказы и ком-
плектовать резерв запасных элементов РЭСсхН-10 кВ и силовых трансформаторов с учетом интенсивности этих отказов.
Нами проведены исследования по выявлению связей между отказами элементов РЭСсхН-10 кВ и интенсивностью воздействия климатических факторов.
На основе статистики отказов энергохозяйств предприятий Республики Марий Эл в работе исследованы параметры следующих определяющих климатических факторов: х1 - относительная влажность воздуха, %; х2 - температура воздуха, °С; х3 - количество осадков, выпавших за сутки, мм; х4 - скорость ветра, м/с; х5 - число грозовых часов, ч, а также приведены статистические данные (среднее за 10 лет) по интенсивности отказов: у1 - обрыв проводов; у2 - повреждение опор; у3 - пробой аппаратной изоляции; у4 - срабатывание средств контроля изоляции; у5 - пробой изоляции ВЛ; у6 - неуспешное АПВ; у7 - отказ силовых трансформаторов.
Воздействие указанных параметров на интенсивность отказов учитывалось в течение всего года. Для выяснения вида отказов по сезонам года особое внимание уделено влиянию интенсивности грозовой деятельности. Для у5 (пробой изоляции ВЛ) анализ проводился в период времени с апреля по ноябрь включительно, так как в это время изоляция ВЛ отказывает наиболее часто. Для у1 (обрыв провода) брался период с декабря по февраль.
Получены уравнения регрессии, связывающие интенсивности отказов элементов (уу) и воздействующие факторы (хг) по сезонам года. Ниже приведены уравнения регрессии для интенсивности отказов некоторых элементов для периода наблюдений май - август:
у1 = 0,3435 + 0,3162х4 + 0,56х5 - 0,339х2 + т
+ 0,019х52 + 0,308х4х5 + 0,41х1х4х5; ( )
у3 =-1-; (2)
0,9168 + 0,004х4 + 0,002х5 - 0,002х42 - 0,004х52 + 0,0005х4х5 + 0,0001х1х4х5
,, _ „0,133+0,017х3 +0,014х5-0,0001х32 +0,0005х2 +0,02х3х5 +0,003х.х3х5 . /оч
У5 =е 35 ; (3)
у7 = ^0,1163+0,004 х3 +0,048 х5 (4)
Анализ построенных гистограмм по интенсивности отказов показал, что наименьшая погрешность между расчетными и экспериментальными значениями наблюдается в периоды январь - апрель, май - август, а в остальные месяцы погрешность выше. Это можно объяснить неучетом в уравнениях регрессии эксплуатационных факторов (внутренние перенапряжения, субъективные факторы).
Наибольшая сходимость расчетных значений с экспериментальными данными наблюдается с мая по август, что характеризует воздействие фактора х5 (интенсивность грозовой деятельности). Этот период можно использовать для расчета запаса трансформаторов, сведя затраты к минимуму. Поэтому дальнейшие исследования ограничены наблюдениями по сезонам года.
Проведенные выше исследования позволили выявить и описать интенсивность отказов элементов для наиболее характерных периодов года эксплуатации электрических сетей.
Обрыв провода
y1t = (11,96 + 1,966t + 0,085t 2)ei,08(i-0,76)2. (5)
Линейные разъединители ЛР
y3t = 1,471 + 5,i49e-0,46(t-6,36)2. (6)
Изоляторы ВЛ
y5t = 4,491 + 2,668t - 0,203t2. (7)
Полученные уравнения регрессии и функциональные зависимости интенсивности отказов с использованием разработанных вероятностных моделей прогнозирования (при уровне надежности Рдост - 0,9; 0,95; 0,99) позволили провести оценку числа запасных элементов распределительных сетей по месяцам и сезонам года.
По заданному значению Рдост и предварительно вычисленному значению ymt можно установить ymt, используя зависимость:
ymt = (Рдост = 0,95) = 1,645CTmt + ymt, где ymt - математическое ожидание количества отказов m-го элемента, аппарата или оборудования за год; amt - среднеквадратическое отклонение количества отказов m-го элемента, аппарата или оборудования за год (m = 1 -провода воздушных линий; m = 3 - изолятор ТП; m = 5 - изолятор ВЛ; m = 7 -силовой трансформатор).
Предложенная методика планирования запасных элементов позволяет оптимизировать эти запасы с учетом сезонности эксплуатации электрических сетей и принципа достаточности.
По сравнению с существующим методом предложенный метод комплектования запасных элементов с учетом сезонности воздействующих климатических факторов позволяет более рационально распределять средства на формирование резерва запасных элементов и определять приоритет в финансировании.
Литература
1. Иванова З.Г., Рыбаков Л.М. Стратегия обслуживания на основе результатов диагностирования состояния активной части силовых трансформаторов с учетом смещения резонансных частот в зависимости от увлажнения и наличия витковых замыканий в обмотках [Электронный ресурс] // Научный журнал КубГАУ. 2014. № 103(09). URL: http://ej.kubagro.ru/2014/ 09/pdf/33.pdf (дата обращения: 02.02.2015).
2. Рыбаков Л.М., Волков С.В. Прогнозирование отказов элементов и аппаратов в распределительной сети 10 кВ // Известия высших учебных заведений. Сер. Проблемы энергетики. 2004. № 1-2. С. 84-88.
3. Рыбаков Л.М., Волков С.В. Обоснование комплектования запасом элементов, аппаратов и оборудования распределительной сети 10 кВ // Известия высших учебных заведений. Сер. Проблемы энергетики. 2004. № 3-4. С. 87-90.
4. Рыбаков Л.М., Волков С.В. Вероятностное прогнозирование отказов элементов и аппаратов в распределительной сети 10 кВ // Электрика. 2004. № 2. С. 17-19.
5. Рыбаков Л.М. Методы и средства обеспечения работоспособности электрических распределительных сетей 10 кВ. М.: Энергоатомиздат, 2004. 421 с.
6. Рыбаков Л.М., Волков С.В. Влияние климатических факторов на отказы элементов распределительных сетей 10 кВ // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2006. № 2. С. 4-6.
References
1. Ivanova Z.G., Rybakov L.M. Strategiya obsluzhivaniya na osnove rezul'tatov diagnostiro-vaniya sostoyaniya aktivnoi chasti silovykh transformatorov s uchetom smeshcheniya rezonansnykh chastot v zavisimosti ot uvlazhneniya i nalichiya vitkovykh zamykanii v obmotkakh [Maintenance strategy based on the diagnostic results of power transformers active part with account for resonance frequency bias depending on humidification and inter-winding faults]. Nauchnyi zhurnal KubGAU [Scientific Journal of KubSAU], 2014, no. 103(09). Available at: http://ej.kubagro.ru/2014/09/ pdf/33.pdf (Accessed 2 Feb. 2015).
2. Rybakov L.M., Volkov S.V. Prognozirovanie otkazov elementov i apparatov v raspredeli-tel'noi seti 10 kV [Prediction of failure elements and devices in the 10 kV distribution network]. Izves-tiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Ser. Problemy energetiki [News of universities. Series «Problems of energy»], 2004, no. 1-2, pp. 84-88.
3. Rybakov L.M., Volkov S.V. Obosnovanie komplektovaniya zapasom elementov, apparatov i oborudovaniya raspredelitel'noi seti 10 kV [Justification acquisition reserve elements, devices and equipment 10 kV distribution network]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Ser. Problemy energetiki [News of universities. Series «Problems of energy»], 2004, no. 3-4, pp. 87-90.
4. Rybakov L.M., Volkov S.V. Veroyatnostnoeprognozirovanie otkazov elementov i apparatov v raspredelitel'noi seti 10 kV [Probabilistic forecasting failures of elements and devices in the 10 kV distribution network]. Elektrika [Electrics], 2004, no. 2, pp. 17-19.
5. Rybakov L.M. Metody i sredstva obespecheniya rabotosposobnosti elektricheskikh raspre-delitel'nykh setei 10 kV [Methods and tools to ensure efficiency of electrical distribution networks of 10 kV]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 2004. 421 p.
6. Rybakov L.M., Volkov S.V. Vliyanie klimaticheskikh faktorov na otkazy elementov raspre-delitel'nykh setei 10 kV [The influence of climatic factors on the failures of elements 10 kV distribution networks]. Mekhanizatsiya i elektrifikatsiya sel'skogo khozyaistva [Mechanization and Electrification of Agriculture], 2006, no. 2, pp. 4-6.
РЫБАКОВ ЛЕОНИД МАКСИМОВИЧ. См. с. 72.
ИВАНОВА ЗИНАИДА ГЕННАДЬЕВНА - аспирант кафедры электроснабжения и технической диагностики, Марийский государственный университет, Россия, Йошкар-Ола (diagnoz@marsu.ru).
IVANOVA ZINAIDA - post-graduate student of Power Supply and Diagnostic Engineering Chair, Mari State University Russia, Yoshkar-Ola.
