Совершенствование методов расчета надежности и выбор системы ремонтов электрооборудования энергосистемы Анголы

Актуальность темы

диссертации. Все более важную роль в электроэнергетической системе Анголы играет проблема обеспечения надежности, безопасности и экономичности эксплуатации оборудования электростанций и подстанций. С развитием электроэнергетической отрасли в Анголе возрастает экономическая ответственность энергетических компаний за нарушение нормального режима работы энергосистемы и отключение потребителей. Поэтому энергетические компании заинтересованы в обеспечении надежности работы электрооборудования (ЭО). Для условий Анголы имеют место следующие основные факторы, влияющие на надежность ЭО и энергосистемы в целом: рост нагрузкиэксплуатация ЭО с утяжеленными токами в нормальных режимах работынарастающий износ оборудованияотсутствие на многих энергетических предприятиях системы профилактического технического обслуживания и ремонта (ТОиР).

Анализ аварий, выполненный на основе обследования энергетических предприятий Анголы, показывает, что степень износа ЭО в среднем составляет 58,5%, при этом ЭО подстанций — 67%, зданий и сооружений — 49,3%. Большая часть подстанций или разрушена, или задействована частично. Из всех ЛЭП в рабочем состоянии находится не более 39%. В этих условиях проблема поддержания на требуемом уровне показателей безотказности и долговечности ЭО становится всё более острой.

Существенное влияние на степень износа ЭО Анголы оказывают также климатические факторы внешней среды, среди которых наиболее важными являются, температура и влажность. Они приводят к накоплению и развитию дефектовк более раннему наступлению предельного^ состояния и* отказу ЭО. Утяжеленные режимы работы и климатические факторы увеличивают скорость износа ЭО, что создает серьезную проблему в энергетике Анголы, от решения которой зависит надежность ее функционирования.

В настоящее время в Анголе для поддержания технического состояния ЭО применяют систему аварийно-восстановительных ремонтов. Эта система позволяет наиболее полно расходовать заложенный в ЭО ресурс, но она приводит к частым остановкам технологических процессов, что обусловливает значительные затраты, ущерб и время простоя ЭО в аварийном ремонте, вызывает ухудшение технико-экономических показателей энергообъектов. Следовательно, для энергетики Анголы важен выбор рациональной стратегии ТОиР оборудования. Для решения этой проблемы необходимо знать фактические значения показателей долговечности и безотказности ЭО с учетом воздействия утяжеленных режимов работы и климатических факторов внешней среды. Поэтому актуальной задачей является совершенствование системы ремонтов, методов и моделей количественной оценки показателей эксплуатационной надежности, позволяющих учесть реальные эксплуатационные факторы, которые влияют на износ ЭО, и наметить необходимые работы по ТОиР.

Цель работы. Совершенствование методов расчета показателей надежности и выбор системы ТОиР электрооборудования с учетом утяжеленных условий эксплуатации и влияния климатических факторов внешней среды.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующий комплекс задач.

Проанализировать современное состояние надежности электрооборудования электроэнергетической системы Анголы.

Исследовать влияние на надежность электрооборудования утяжеленных режимов работы электрооборудования.

Исследовать влияние на надежность электрооборудования Анголы климатических факторов. внешней среды (температуры и влажности).

Усовершенствовать существующие модели расчета показателей долговечности и безотказности электрооборудования различных типов и классов напряжения с учетом утяжеленных режимов эксплуатации и воздействующих при этом климатических факторов внешней среды.

Определить модели расчета технического ресурса для силовых трансформаторов, высоковольтных выключателей, изоляционных конструкций, электродвигателей и кабелей.

Выбрать рациональную стратегию ТОиР электрооборудования для электроэнергетической системы Анголы.

Выполнить расчеты показателей долговечности и безотказности по реальным исходным данным.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является электрооборудование электрических станций и подстанций (силовые трансформаторы, высоковольтные выключатели, электродвигатели, кабели, изоляционные конструкции). Предметом исследования являются методы и модели расчета показателей долговечности и безотказности электрооборудования.

Методика исследований. Для решения поставленных в работе задач использовались методы, системного анализа, математического моделирования, теории вероятности и математической статистики, теории случайных процессов и экспериментально-статистического анализа надежности.

Достоверность полученных результатов. Достоверность предложенных моделей и обоснованность результатов исследования обеспечивается корректным применением теоретических методов, подтверждением полученных результатов данными других авторов, сходимостью результатов проведенных исследований и вычислительных экспериментов, а также подтверждается данными, полученными в реальных условиях эксплуатации электрооборудования и положительным опытом внедрения результатов расчета показателей надежности на энергообъектах.

Научная новизна и значимость полученных результатов^ состоит в совершенствовании методов расчета показателей надежности электрооборудования с учетом утяжеленных режимов работы и климатических условий эксплуатации и заключается в следующем.

1. Усовершенствованны математические модели оценки показателей долговечности и безотказности электрооборудования, позволяющие определять его фактический сработанный и остаточный ресурс, отличающиеся от известных, учетом воздействия утяжеленных режимов работы на износ электрооборудования.

2. Разработаны модели оценки сработанного ресурса электрооборудования, учитывающие воздействие климатических факторов внешней среды.

3. Обоснована методика выбора рациональной стратегии ТОиР электрооборудования по техническому состоянию с учетом особенностей его эксплуатации в энергосистемах Анголы.

4. Выполнена оценка технического ресурса и вероятностей безотказной работы и отказа для электрооборудования Анголы (силовых трансформаторов, высоковольтных выключателей, асинхронных электродвигателей, силовых кабелей, изоляционных конструкций) различных классов напряжения по реальным исходным данным.

Практическая1 ценность работы. Практическое значение результатов работы состоит в получении количественных значений показателей надежности электрооборудования g учетом воздействия утяжеленных режимов и реальных климатических условий эксплуатации в Анголе. Полученные результаты позволяют наметить мероприятия по обеспечению надежности, а также решать задачи эксплуатации и ремонта электрооборудования с учетом его технического состояния, что уменьшает число отказов электрооборудования и повышает надежность работы энергообъектов и электроснабжения потребителей.

Реализация результатов работы. Полученные в диссертации результаты исследований апробированы, внедрены и используются-в практике работы на энергообъектах Национального государственного энергетического предприятия Анголы ENE. Результаты исследований также используются в учебном процессе и научной работе на кафедре «Электрические станции, подстанции и диагностика электрооборудования» Ивановского государственного энергетического университета (ИГЭУ).

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Усовершенствованные математические модели оценки показателей долговечности и безотказности электрооборудования с учетом утяжеленных режимов работы.

2. Модель оценки технического ресурса электрооборудования, учитывающую воздействие климатических факторов внешней среды.

3. Результаты выбора рациональной стратегии проведения ТОиР электрооборудования.

4. Результаты численных и аналитических исследований по определению эксплуатационных показателей долговечности и безотказности для силовых трансформаторов, высоковольтных выключателей, асинхронных электродвигателей, изоляционных конструкций и кабелей.

Личный вклад автора состоит в постановке задач и цели исследования, сборе, обработке и анализе статистических данных о повреждаемости, условиях и режимах работы электрооборудования, разработке и совершенствовании методов и математических моделей, выполнении расчетов, обобщении и анализе результатов.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на трех международных и всероссийских конференциях:

XIV, XV Международные научно-технические конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» — Бенардосовские чтения (г.Иваново 2007,2009 гг.).

II Молодежная1 международная, научная конференция «Тинчуринские чтения» (Казань 2007 г.).

Диссертация обсуждалась и получила одобрение на расширенном заседании кафедр электроэнергетического факультета ИГЭУ (г. Иваново, 2009).

Список публикаций. По материалам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работы, в том числе 2 статьи в журналах утвержденных ВАК, 2 статьи в других журналах, 4 статьи, опубликованных в сборниках тезисов докладов всероссийских и международных конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 126 наименований. Объем диссертации составляет 214 страниц. Работа содержит 33 рисунка и 37 таблиц.

4.6. Выводы по четвертой главе.

1. На основании общей модели по расчету ресурса и показателей безотказности главы 2 получены выражения для определения указанных показателей для силовых трансформаторов с учетом климатических воздействия (температуры и влажности) актуальных как для России, так и для республики Анголы. Проведенные расчеты показали возможность использования разработанных выражений на практике в странах Африки и России.

2. Разработана математическая модель расчета технического ресурса силовых кабелей в ПВХ изоляцией и изоляцией из сшитого полиэтилена. Проведены расчеты, позволяющие рассчитать значения фактического остаточного и сработанного ресурса.

3. Разработана математическая модели оценки технического состояния и прогнозирования надежности изоляционных конструкций при воздействии перенапряжений известной кратности. Модели позволяют количественно рассчитываться значения фактического сработанного и остаточного ресурса, а также значения вероятностей безотказной работы и отказа после эксплуатации изоляционной, конструкций в известных условиях й режимах в течение определенного времени и на некотором временном интервале при условии того, что изоляционная конструкция к его началу уже сработала некоторый фактический ресурс. Произведены расчеты контрольных примеров, подтверждающих возможность использования предлагаемых моделей на практике.

5. С учетом формул общей модели по оценке ресурса произведена серия расчетов для вакуумных выключателей, которые могут применяться в Анголе повсеместно. Получены переходные коэффициенты для расчета ресурса по количеству коммутаций й току включения к количеству коммутаций й току отключения. С учетом этих коэффициентов посчитан полный сработанный и остаточный ресурс вакуумных выключателей.

6. Предложена методика определения показателей надёжности электродвигателей. В основу методики положена математическая модель оценки сработай ресурса изоляции при воздействии теплового фактора температуры основанного на A3* (6-й, 8-ми, 10-й, 12-й) градусном правиле. Методика позволяет оценить общее техническое состояния электродвигателя с учётом режимов работы и технического состояния. Проведены расчеты подтверждающие ее применять для различных электродвигателей в том числе, эксплуатируемых в Анголе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенные в диссертационной работе исследования можно рассматривать как решение важной народно-хозяйственной проблемы для энергетики Анголы по выбору системы ТОиР электрооборудования и количественной оценке показателей надежности с учетом утяжеленных режимов работы и воздействия климатических факторов внешней среды в условиях реальной эксплуатации. Наиболее существенные научные и практические результаты заключаются в следующем.

1. Проведен анализ эксплуатационной надежности электрооборудования электроэнергетической системы Анголы, который показал, что снижение надежности работы электрооборудования связано с отсутствием системы ТОиР, процессами старения, утяжеленными режимами работы и особенностями воздействия климатических факторов. Рассмотрено влияние утяжеленных режимов работы и климатических факторов на техническое состояние электрооборудования. Обоснована необходимость учета при расчете показателей надежности воздействия на электрооборудование утяжеленных рабочих токов, температуры, влажности и концентрации агрессивной среды. Показана актуальность для условий Анголы решения этой задачи, что приведет к увеличению точности и достоверности I результатов определения показателей надежности электрооборудования.

2. Разработаны классификации основных структурных элементов и их дефектов для высоковольтных выключателей, силовых трансформаторов и электродвигателей. Усовершенствована математическая модель расчета фактического сработанного и остаточного ресурса электрооборудования с учетом воздействия утяжеленных эксплуатационных факторов. Математическая модель адаптирована применительно к условиям эксплуатации в энергосистемах Анголы. Получены расчетные выражения для определения фактического сработанного и остаточного ресурса электрооборудования в зависимости от воздействия утяжеленных тепловых, электрических, механических и химических эксплуатационных факторов.

3. Разработаны математические модели оценки фактического сработанного и остаточного ресурса электрооборудования, работающего в энергосистемах Анголы и подвергающихся в процессе эксплуатации воздействию климатических факторов температуры, влажности и концентрации агрессивной среды.

4. На основании моделей оценки показателей надежности электрооборудования, а также экспериментальных и статистических данных определены математические модели расчета технического ресурса, вероятности безотказной работы и отказа для высоковольтных выключателей, силовых трансформаторов, асинхронных электродвигателей, изоляционных конструкций, кабелей.

5. Разработаны и усовершенствованы математические модели проведения технической эксплуатации электрооборудования для различных стратегий ремонтов на основе целевой функции средних суммарных затрат на проведение ТОиР, которая более полно учитывает все составляющие: затраты на проведение диагностирования, профилактического ТОиР и аварийного ремонтазначения показателей надежности и вероятностной характеристики назначения ремонта по результатам технической диагностики. Получены модели целевой функции и предложена их классификация для различных стратегий ТОиР, учитывающая характер проявления отказов и результаты технической диагностики.

6. Предложена методика выбора рациональной стратегии проведения ТОиР электрооборудования на энергооьъектах Анголы, в основе которой лежит сравнение, значений отношения целевых функций для стратегий планово-предупредительных ремонтов, аварийных ремонтов или по техническому состоянию. Предложено использовать в качестве показателей надежности при выборе стратегии ТОиР фактический сработанный ресурс с учетом закона распределения и статистики отказов. Показано, что для более полного расходования ресурса ЭО предпочтительны две стратегии организации ремонтов — САР и СТС. Стратегия ППР с этой точки зрения имеет ограниченную область применения. Предложенная методика выбора стратегии ремонтов позволяет обоснованно рекомендовать для условий Анголы наиболее рациональную стратегию проведения ТОиР по техническому состоянию.

7. На основе реальных эксплуатационных данных о работе электрооборудования энергосистем Анголы проведены расчеты численных примеров по определению сработанного ресурса и вероятности безотказной работы с учетом воздействия утяжеленных рабочих токов, температуры и влажности для высоковольтных выключателей, силовых масляных трансформаторов, асинхронных электродвигателей, изоляционных конструкций, кабелей. Достоверность полученных результатов подтверждается данными эксплуатации и аварийного ремонта этих видов электрооборудования.