CC BY
303
УДК 621.311.42
С.В. Ершов, канд. техн. наук, доц., 8-910-582-88-06, eists@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
К. А. Игнатьев, магистрант, 8-953- 957-00-71, kirill. gib son@yandex .ru (Россия, Тула, ТулГУ)
РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ
Изложены основные мероприятия повышения надежности трансформаторных подстанций, факторы, влияющие на нормальную работоспособность оборудования. Представлен вариант расчета показателя MTBF (в прямом переводе «среднее время наработки на отказ»).
Ключевые слова: надежность, трансформаторные подстанции, показатель MTBF, эксплуатация, факторы, мероприятия.
Надежность любого электрооборудования и аппаратуры автоматики существенным образом зависит от условий эксплуатации. Условия эксплуатации в производственных помещениях характеризуются климатическими и электромеханическими воздействиями, режимами работы и отсутствием рационального технического обслуживания.
К климатическим воздействиям относятся температура, влажность, запыленность и загазованность окружающего воздуха, атмосферное давление, интенсивность дождя, выпадение росы и инея, скорость движения воздушной струи, ночные и дневные перепады температуры.
К электромеханическим воздействиям относятся вибрационные и ударные нагрузки при работе и перемещении, колебания частоты и напряжения.
Повышенная температура вызывает перегрев электрооборудования, ускоряет старение изоляции, смазочных материалов и уплотнителей. Пониженная температура, наоборот, снижает прочность пластмасс, резины, металла. Колебания температуры приводят к деформациям и заклиниванию подвижных элементов, нарушению теплообмена, снижению прочности паяных соединений. Повышенная влажность вызывает коррозию металлов, рост плесневых грибков, снижает диэлектрические свойства изоляции.
Повышенная запыленность и наличие агрессивных газов приводят к загрязнению смазки, снижают поверхностное сопротивление и вызывают коррозию изоляционных материалов. Наличие в атмосфере углекислого газа, окислов серы и азоты, а также высокая влажность приводят к образованию кислотных вод и капель конденсата, что также увеличивает скорость коррозии материалов, является одной из причин короткого замыкания токоведущих частей. Ориентировочный расчет надежности проводят в
простейших предположениях, при этом не учитывают эксплуатационных режимов использования элементов изделия.
Уточненный расчет надежности отличается от ориентировочного тем, что в нем учитывают электрические, тепловые и прочие эксплуатационные режимы элементов изделия.
Как ориентировочный, так и утоненный расчет приводят в предположении экспоненциальной линии надежности всех элементов и независимости отказов. Расчеты неизмеримо возрастают, когда модели надежности элементов, блоков и узлов отличны от экспоненциальной линии. В этих условиях, особенно для сложных и ответственных систем, используют методы статистического моделирования с применением ЭВМ.
Важнейшей характеристикой любого электрооборудования, в том числе трансформаторов, является надежность его работы. Тем более этот показатель важен для системы энергообеспечения города, области или страны. Для обеспечения бесперебойного функционирования электротехнических предприятий часто используется методика составления пользовательских отчетов с детальной статистикой по оборудованию и группам оборудования. При этом рассчитываются следующие параметры: простои оборудования, стоимость технического обслуживания оборудования, коэффициент использования оборудования, средняя наработка на отказ, средний период между ремонтами, фактический износ оборудования, прогноз полного износа, другие показатели.
Такой подход позволяет наладить учет и техническое обслуживание производственного оборудования, перейти от аварийного к планово-предупредительному техобслуживанию. Также данный подход позволяет получить информацию для расследования причин отказов, наладить материально-техническое снабжение работ, вести планирование людских, материальных и энергетических ресурсов.
Благодаря этому предприятие может продлить срок эксплуатации производственного оборудования, сократить простои, связанные с отказами, повысить производительность труда.
Это особенно важно для таких предприятий, как, например, энерго-снабжающая компания, для которых внеплановая остановка оборудования означает крупную аварию и обесточивание десятков населенных пунктов. Важнейшим параметром для определения сроков проведения регламентных и ремонтных работ является показатель «средняя наработка оборудования на отказ» Тер, т.е. время, в течение которого отказывает половина данного оборудования. Этот показатель различен для различного оборудования и уменьшается по мере роста сложности оборудования. Для определения Тер используются сложные расчеты, учитывающие состав данного устройства и надежность его составных частей.
Тер = 1 / X ,
где X - вероятность безотказной работы изделия [1/час], для разных эле-
ментов имеющая величину порядка 0,1...25х
В последнее время для описания характеристик надежности того или иного устройства (даже таких простых, как DC/DC-преобразователь, сетевой источник питания и т.п.) широко используют показатель MTBF.
Изначально показатель MTBF (Mean Time Between Failure) - в прямом переводе «среднее время наработки на отказ» - был введен для характеристики надежности компьютерных систем. Поскольку производить расчеты надежности системы, включающей в себя многие сотни и даже тысячи компонентов, достаточно сложно, то был предложен упрощенный эмпирический подход для определения их надежности. Производители компьютерных компонентов, а теперь зачастую и производители электротехнических изделий, как правило, определяют их надежность на основании испытаний партии изделий по следующей формуле:
MTBF = TxN/No,
где Т - время проведения испытаний; N - количество испытуемых изделий; No - количество изделий, вышедших из строя.
Например, если испытывались 100 изделий в течение месяца, и за это время 10 из них вышли из строя, то MTBF будет равно 10 месяцам, т.е. предполагается, что через 10 месяцев все изделия выйдут из строя. В этой упрощенной формуле заложены следующие основные недостатки методики определения MTBF.
1. Само понятие «MTBF» отражает совсем не то, что следует из его названия - «среднее время наработки на отказ». Реальное среднее время наработки на отказ составляет только половину MTBF, поскольку по определению за время MTBF все изделия выйдут из строя. Так, в рассмотренном выше примере это «среднее время» будет не 10 месяцев, а пять, поскольку в среднем все экземпляры изделия проработают не 10 месяцев, а вполовину меньше.
2. Методика расчета MTBF предполагает, что число отказов в единицу времени постоянно на протяжении всего срока эксплуатации. В реальности это, конечно, совершенно не так. На самом деле кривая отказов имеет вид, показанный на рис. 1.
Рис. 1. Кривая отказов
В зоне 1 проявляются отказы изделий, имеющие дефекты изготовления. Здесь отказов много. В зоне 2 (от t1 до t2) количество отказов в единицу времени постоянно. В зоне 3 начинают проявляться отказы износа оборудования.
Как видим, только в зоне 2 отказы вызываются случайными факторами, и их число постоянно в единицу времени. Однако изготовители электрооборудования распространяют эту зону на весь срок эксплуатации производимых ими устройств. Но реальная статистика отказов на протяжении всего срока эксплуатации подтверждает, что эта теоретическая модель расчета MTBF далека от действительности.
3. Показатель MTBF никак не связан со временем t2, а это важнейший показатель надежности работы системы. При достижении времени t2 необходимо вывести оборудование из эксплуатации и произвести регламентные работы либо заменить оборудование новым. Иначе надежность работы системы при переходе ее в зону 3 резко уменьшится. Таким образом, MTBF, заявляемый производителем (если он честно произвел тестирование своих изделий), - это время, в течение которого изделие выйдет из строя со 100 %-й вероятностью, т.е. уже здесь очевидно стремление фирм - производителей ввести потребителя в заблуждение, увеличивая вдвое цифру, характеризующую время безотказной работы изделия.
На рис. 2 приведены соотношения между MTBF и PPM для некоторых изделий, шкала MTBF приведена в часах, а шкала PPM - в отказах на миллион.
Рис. 2. Соотношения между MTBF и PPM
Кроме того, что показатель МТВБ является эмпирическим, в настоящее время существует несколько методик его расчета. Наиболее часто используют расчет по методикам 1ЕС61709, М1Ь-8ТБ 217Б или М1Ь-НБВК 217Б. Особенность в том, что для одного и того же устройства, например БС/БС-преобразователя, показатель МТВБ, рассчитанный по разным методикам, может отличаться более чем в 10 раз. Это само по себе наводит на мысли о несовершенстве способа определения надежности
устройства путем вычисления МТВБ.
Рассмотрим стандартное описание методики расчета МТВБ, например, силовых трансформаторов по методике М1Ь-8ТБ 217Б, которое приводят производители этого оборудования.
1. Регистрируется дата включения в работу каждого трансформатора.
2. От этой даты отнимается 30 дней для компенсации времени приработки.
3. Умножается количество трансформаторов на количество отработанных дней (-30) и умножается на 24 часа в сутках. Количество часов работы делится на количество трансформаторов, отказавших за время испытаний.
4. Умножается полученное значение на 0,95, чтобы учесть не включенные трансформаторы, т.е. трансформаторы, находящиеся в ремонте или в резерве.
Расчет производится по следующей формуле:
МТВБ = {[(N1 х (Б1 -30) х 24) + (N2 х (Б2 (Б3-30)х24)....]/Ж}х0,95, где N1, N2, N3 - количество включенных трансформаторов; Б1, Б2, Б3 -число дней работы; 30 - число дней, отводимых на приработку; 0,95 - фактор компенсации для неработающих трансформаторов (в ремонте, на складе и т.п.); 24 - число часов в сутках; N - количество трансформаторов, отказавших во время испытаний.
Пример:
50 трансформаторов испытывались 360 дней;
30 трансформаторов испытывались 250 дней;
20 трансформаторов испытывались 200 дней.
во время испытаний отказал 1 трансформатор.
Произведя расчеты, получим МТВБ, равный 604200 часам или 69
годам.
В заключение описания методики расчета, как правило, приводится следующая фраза: «Этот метод расчета является эмпирическим и, насколько нам известно, не описан в каких-либо стандартах».
Указывая в технической документации то или иное значение МТВБ, производители электротехнического оборудования зачастую не задумываются, что указываемая ими цифра во многие миллионы часов противоречит не только законам физики, но и здравому смыслу. В самом деле, МТВБ, равный 2,5 млн часов, означает, что устройство до отказа должно проработать 285 лет. Понятно, что эта цифра абсурдная: за такой срок не только проржавеет корпус трансформатора, но и его обмотки превратятся в прах. В то же время производители электротехнических изделий часто заявляют МТВБ своих изделий, равным 3 и даже 3,5 млн часов. Причем такие результаты они получают в ходе честных испытаний своих изделий по приведенной выше методике. В чем здесь дело? Очевидно, что в самой
упрощенной методике определения надежности, имеющей весьма узкие границы применимости. Действительно, как можно на основании 3- или даже 9-месячных испытаний изделия утверждать, что оно проработает 200 лет?
Расчет надежности электрооборудования - это сложный и кропотливый процесс, связанный с анализом внутренней структуры устройства, с учетом характеристик используемых в нем компонентов, учетом напряженности режима работы каждой из составных частей устройства и т.д. Следует учитывать также резко ограниченный срок службы некоторых компонентов изделия. При определении МТВБ все это игнорируется.
В некоторой зоне работы трансформатора после 100...300 часов приработки, но до 5...30 тыс. часов работы (т.е. до начала отказов износа оборудования), вероятность отказа трансформатора № 1 будет ниже. Но только при том условии, что оба трансформатора собраны на одной и той же элементной базе и имеют схожее схемное решение.
Таким образом, МТВБ пригоден только для сравнения однородной продукции одного и того же производителя и только иногда может быть использован для сравнения аналогичной продукции разных производителей, при условии, что она тестировалась в одинаковых условиях. Но в любом случае МТВБ ничего не говорит о средней наработке изделия на отказ Тср и о значении 12. Соответственно использование МТВБ для расчетов надежности функционирования электрооборудования выглядит более чем сомнительно. Для решения задач, о которых говорилось в начале статьи, следует использовать Тер, а не МТВБ.
Опыт эксплуатации показывает, что надежность работы электрооборудования зависит от многочисленных и разнообразных факторов, которые условно могут быть разделены на четыре группы; конструктивные, производственные, монтажные, эксплуатационные.
Конструктивные факторы обусловлены установкой в устройство малонадежных элементов; недостатками схемных и конструктивных решений, принятых при проектировании; применением комплектующих элементов, не соответствующих условиям окружающей среды.
Производственные факторы обусловлены нарушениями технологических процессов, загрязненностью окружающего воздуха, рабочих мест и приспособлений, слабым контролем качества изготовления и монтажа и др.
В процессе монтажа электротехнических устройств их надежность может быть снижена при несоблюдении требований технологии.
Условия эксплуатации оказывают наибольшее влияние на надежность электротехнических устройств. Удары, вибрация, перегрузки, температура, влажность, солнечная радиация, песок, пыль, плесень, коррозирующие жидкости и газы, электрические и магнитные поля — все влияет на работу устройств. Различные условия эксплуатации по-разному могут
сказываться на сроке службы и надежности работы электроустановок.
Ударно-вибрационные нагрузки значительно снижают надежность электротехнических устройств. Воздействие ударно-вибрационных нагрузок может в ряде случае быть значительнее воздействия других механических, а также электрических и тепловых нагрузок. В результате длительного знакопеременного воздействия даже небольших ударно-вибрационных нагрузок происходит накопление усталости в элементах, что приводит обычно к внезапным отказам. Под воздействием вибраций и ударов возникают многочисленные механические повреждения элементов конструкции, ослабляются их крепления и нарушаются контакты электрических соединений.
Нагрузки при циклических режимах работы, связанных с частыми включениями и выключениями электротехнического устройства, так же как и ударно-вибрационные нагрузки, способствуют возникновению и развитию признаков усталости элементов. Физическая природа повышения опасности отказов устройств при их включении и выключении заключается в том, что во время переходных процессов в их элементах возникают сверхтоки и перенапряжения, значение которых часто намного превосходит (хотя и кратковременно) значения, допустимые техническими условиями.
Электрические и механические перегрузки происходят в результате неисправности механизмов, значительных изменений частоты или напряжения питающей сети, загустения смазки механизмов в холодную погоду, превышения номинальной расчетной температуры окружающей среды в отдельные периоды года и дня и т.д. Перегрузки приводят к повышению температуры нагрева изоляции электротехнических устройств выше допустимой и резкому снижению срока ее службы.
Климатические воздействия, более всего температура и влажность, влияют на надежность и долговечность любого электротехнического устройства.
При низких температурах снижается ударная вязкость металлических деталей электротехнических устройств: меняются значения технических параметров полупроводниковых элементов; происходит «залипание» контактов реле; разрушается резина.
Вследствие замерзания или загустения смазочных материалов затрудняется работа переключателей, ручек управления и других элементов. Высокие температуры также вызывают механические и электрические повреждения элементов электротехнического устройства, ускоряя его износ и старение.
Влияние повышенной температуры на надежность работы электротехнического оборудования проявляется в самых разнообразных формах: образуются трещины в изоляционных материалах, уменьшается сопротивление изоляции, а значит, увеличивается опасность электрических пробо-
ев, нарушается герметичность (начинают вытекать заливочные и пропиточные компаунды). В результате нарушения изоляции в обмотках электромагнитов, электродвигателей и трансформаторов возникают повреждения. Заметное влияние оказывает повышенная температура на работу механических элементов электротехнических устройств.
Под влиянием влаги происходит очень быстрая коррозия металлических деталей электротехнических устройств, уменьшается поверхностное и объемное сопротивление изоляционных материалов, появляются различные утечки, резко увеличивается опасность поверхностных пробоев, образуется грибковая плесень, под воздействием которой поверхность материалов разъедается, и электрические свойства устройств ухудшаются.
Пыль, попадая в смазку, оседает на частях и механизмах электротехнических устройств и вызывает быстрый износ трущихся частей и загрязнение изоляции. Пыль наиболее опасна для электродвигателей, в которые она попадает с засасываемым для вентиляции воздухом. Однако и в других элементах электротехнических устройств износ намного ускоряется, если пыль проникает сквозь уплотнения к поверхности трения. Поэтому при большой запыленности особое значение приобретает качество уплотнений элементов электрических устройств и уход за ними.
Качество эксплуатации электротехнических устройств зависит от степени научной обоснованности применяемых методов эксплуатации и квалификации обслуживающего персонала (знание материальной части, теории и практики надежности, умение быстро находить и устранять неисправности и т.п.). Применение профилактических мероприятий (регламентные работы, осмотры, испытания), ремонта, использование опыта эксплуатации электротехнических устройств обеспечивают их более высокую эксплуатационную надежность.
Список литературы
1. Половко А.Н., Маликов И.М. Сборник задач по теории надежности. М: Сов. Радио, 1972. 408 с.
2. Певзнер Л.Д. Надежность горного электрооборудования и технических средств шахтной автоматики. М.: Недра, 1983. 198 с.
S. V. Ershov, K.A. Ignatyev
DEVELOPMENT OF ACTIONS OF INCREASE OF RELIABILITY OF ELECTRIC EQUIPMENT OF TRANSFORMER SUBSTATIONS
In this article it is a question the main actions of increase of reliability of transformer substations, of factors influencing normal operability of the equipment. The option of calculation of an indicator of MTBF (in direct transfer «average time of a time between fail-ures») is presented.
Key words: Reliability, transformer substations, MTBF indicator, operation, factors,
actions.
Получено 19.06.12
