Разработка моделей надежности коммутационного оборудования и рекомендаций по их применению в задачах электроэнергетики

Проблема обеспечения надежности электроэнергетических систем (далее сокращенно энергосистем или систем) была и остается актуальной. Анализ фактического материала показывает, что проблеме оценки надежности схем электроустановок уделяется все больше внимания. В частности, в последнее время в силу известных причин возрос интерес к проблеме как обеспечения надежности энергосистем на стадии ввода новых генерирующих мощностей, так и при сооружении подстанций и линий электропередачи.

При решении задачи оценки надежности схем электроустановок, необходимо располагать объективными методами оценки надежности. Их основой являются математические модели элементов схем электроустановок. В свою очередь, от корректного выбора моделей зависит как простота и удобство анализа, так и достоверность результатов оценки надежности.

В настоящее время в нашей стране существуют более десяти методик оценки надежности схем электрических соединений электроустановок. Основное отличие методик заключается в модели надежности коммутационного оборудования. Помимо этого возникает достаточно большой разброс в приводимых различными авторами показателях надежности.

Таким образом, возникает проблема выбора методики оценки надежности, модели надежности и показателей надежности коммутационного оборудования.

Теоретические основы существующих методов отражены в многочисленных отечественных и зарубежных публикациях. Так, в работах [Bl, В2] исследована эксплуатационная надежность оборудования распределительных устройств (РУ) на начальном этапе формирования отечественных энергосистем и предложены модели отказов оборудования. В [ВЗ-В16] предложены различные по уровню учитываемых факторов модели надежности оборудования.

Однако в созданных методиках, как правило, не приводятся расчетные условия, при которых получена модель надежности коммутагшонного оборудования. В итоге за полувековую историю у специалистов так и не сформирова4 лось его общепринятой модели отказа, а по большому счету и доверия к результатам оценки надежности схем электрических соединений.

Моделью надежности коммутационного оборудования необходимо располагать при решении относительно разноплановых задач, в том числе: обосновании конструкций выключателей, оценке надежности схем электроустановок, при определении частоты планово-предупредительных ремонтов или межремонтных периодов. Таким образом, модели надежности следует классифицировать в соответствии с классом решаемой задачи. Как показывает анализ фактического материала, а именно статистических данных по отказам, в модели надежности коммутационного оборудования требуется учитывать свойства надежности электрических аппаратов (собственно выключателя с приводом, измерительных трансформаторов, разъединителей), устройств релейной защиты и автоматики (РЗА), условия ремонтно-эксплутационного обслуживания, природно-климатические и ряд других факторов.

Таким образом, существо научно-технической проблемы, которой была посвящена диссертационная работа, состояла в исследовании структуры отказов коммутационного оборудования в энергосистемах путем обобщения обширных фактических статистических данных, выявления причинно-следственных связей основных влияющих факторов и на этой основе — разработке научно обоснованных рекомендаций по формированию и использованию моделей надежности рассматриваемого оборудования при решении проектно-конструкторских и эксплуатационных задач: совершенствование конструкций выключателей и РУ, планирование их ремонтно-эксплуатационного обслуживания, а также обоснование и выбор схем электрических соединений электроустановок.

Цель работы и задачи исследований.

Цель работы заключается в создании теоретических и практических положений, связанных с разработкой и уточнением моделей надежности коммутационного оборудования в энергосистемах с учетом фактических эксплуатационных данных за длительный временной интервал в одной из крупнейших электросетевых компаний страны, совокупность которых представляет решение научно-технической задачи, имеющей существенное значение для электроэнергетической отрасли.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

— выявлены статистические закономерности в структуре отказов коммутационного оборудования путем обобщения обширного фактического материала и исследования динамики соответствующих параметров надежности в сетях 110 750 кВ энергосистем;

— проанализирована эволюция моделей надежности коммутационного оборудования в схемах коммутации электроустановок, обоснованы причинно-следственные связи в структуре отказов;

— сформированы научно обоснованные рекомендации по применению моделей надежности коммутационного оборудования в схемах коммутации 110 кВ и выше.

Достоверность основных теоретических положений определяется тем, что полученные результаты подтверждены значительными объемами фактических статистических данных, детальным анализом основных влияющих факторов, расчетных условий и причинно-следственных связей, а так же опытом проектирования и эксплуатации объектов электросетевых объектов на современном этапе.

Научная новизна работы и личный вклад автора состоит в решении научно-технической задачи, имеющей существенное значение для электроэнергетической отрасли и заключающейся в разработке научно обоснованных рекомендаций, связанных с выбором моделей надежности коммутационного оборудования в энергосистемах при решения проектно-конструкторских и эксплуатационных задач.

Новое решение этой задачи заключается в исследовании причинно-следственных связей, проявляющихся в структуре, параметрах и динамике отказов коммутационного оборудования сетей 110−750 кВ одной из крупнейших электросетевых компаний. Такая концепция реализована впервые и потребовала привлечения обширных статистических данных. В результате автором диссертационной работы впервые получены следующие новые научные результаты:

1. Реализован комплексный подход к разработке и уточнению моделей надежности коммутационного оборудования в сетях 110−750 кВ, заключающийся в исследовании причинно-следственных связей основных влияющих факторов, а также поиске и учете новых свойств этих моделей. Это позволило предложить в рассматриваемой предметной области новые взгляды на традиционно принимаемые решения, влияющие на надежность и экономичность энергосистем.

2. Доказано, что поток отказов коммутационного оборудования имеет сложную структуру, кроме того, зависящую от длительности эксплуатации оборудования, и приводит к многократным разбросам значений рассматриваемого параметра: в 2−6 раз по компонентам и в 4−5 раз по длительности эксплуатации. Это принципиально и важно учитывать при совершенствовании конструкций выключателей, планировании их ремонтно-эксплуатационного обслуживания, а так же при обосновании и выборе схем электрических соединений электроустановок.

3. Установлена нелинейная взаимосвязь между продолжительностью эксплуатации коммутационного оборудования и его параметром потока отказов, что позволило сформулировать рекомендации по повышению качества работ в электроустановках и совершенствованию системы учета технологических нарушений в энергосистемах.

4. Уточнены модели надежности коммутационного оборудования в энергосистемах, что дает возможность более обоснованно подойти к решению комплексной задачи обеспечения надежности и экономичности режимов работы электростанций, электрических сетей и энергосистем в целом.

Практическое значение и внедрение.

1. Примененный подход и полученные на его основе рекомендации по моделям надежности коммутационного оборудования в энергосистемах позволяют на практике повысить достоверность и устойчивость принимаемых решений, а также надежность и экономичность электроустановок.

2. Разработанные практические рекомендации, а так же обобщенные статистические данные используются в «Магистральных электрических сетях Центра» (МЭС Центра) — филиале ОАО «ФСК ЕЭС» при решении широкого спектра задач ремонтно-эксплуатационного обслуживания: совершенствования конструкций выключателей, планирования их ремонтов, а также обоснования и выбора схем энергообъектов при новом строительстве, реконструкции и техническом перевооружении.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Применение комплексного подхода к оценке моделей надежности коммутационного оборудования в сетях 110−750 кВ энергосистем.

2. Обоснование структуры и параметров отказов коммутационного оборудования в энергосистемах.

3. Оценка областей применения моделей надежности коммутационного оборудования в схемах коммутации 110 кВ и выше.

Апробация работы.

По результатам исследований сделаны доклады на следующих конференциях: 11-я, 12-я и 13-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов (Москва, 2005, 2006, 2007).

В полном объеме диссертация докладывалась на 79-м международном научном семинаре им. Ю. Н. Руденко «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики» (Вологда, 2007) а также на заседании кафедры электрических станций Московского энергетического института (Технического университета) (Москва, 2007).

Публикации по проведенным исследованиям имелись в журналах «Электричество» (2007), «Электрические станции» (2005, 2005, 2007, 2007), в трудах трех конференций. Количество публикаций по теме диссертации составляет девять печатных работ, из них пять в центральных изданиях.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения (актов внедрения результатов работы).

4.6. Выводы.

1. Сделан вывод, что при использовании упрощенной модели надежности без дифференциации отказов по различным факторам приводит к завышению экономических последствий ненадежности. Однако этот метод является наиболее простым и наглядным.

2. Показано, что уточнение модели надежности классификацией отказов по последствиям на отказы типа «КЗ в одну (каждую) сторону), «КЗ в обе стороны» и «разрыв» позволяет уточнить результаты сравнительной оценки надежности схем РУ.

3. Проиллюстрировано на фактических данных эффективность использования структуры параметра потока отказов, в соответствии с классом решаемой задачи, в данном случае, при сравнительной оценке схем РУ с позиций надежности. Учет структуры параметра потока отказов позволяет избежать неопределенности при выборе последнего и позволяет избежать погрешности при оценке экономических последствий ненадежности, которые могут в ряде случаев существенно превысить сами результаты. Так, при неправильном сопоставлении параметра потока отказов классу решаемой задачи, значение недоотпуска электроэнергии может быть либо завышено в 4−6 раз, либо занижено в 2−3 раза. При оценке надежности схем электроустановок 110−750 кВ, если взять за основу модель надежности с классификацией отказов по типу присоединений, значение недоотпуска отличается лишь на 5−25% от недоотпуска при расчете используя упрощенную модель. При оценке надежности используя модель с классификацией отказов по последствиям, значение недоотпуска получается заниженным на 50%.

4. Результаты исследований автора наглядно продемонстрировали важность учета полученных в результате анализа фактического материала данных, в том числе — сопоставление моделей надежности классу решаемой задачи. Так при оценке схем выдачи мощности с позиций надежности необходимо максимально упростить задачу путем выбора упрощенной модели надежности, в которой отказы не дифференцированы по различным факторам. При решении задач реконструкции и комплексного перевооружения необходимо применять модель надежности, в которой детализируются отказы по последствиям на отказы типа «КЗ в одну (каждую) сторону), «КЗ в обе стороны» и «разрыв». При этом, следует привязать модель к структуре параметра потока отказов. Дальнейшее уточнение модели надежности считается необоснованным в силу большей трудоемкости при расчетах и отсутствием информационной базы требуемых показателей надежности.

Данное положение рекомендуется учесть при решении задач выбора схем выдачи мощности в энергосистему.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Разработаны теоретические и практические положения, связанные с выбором моделей и показателей надежности коммутационного оборудования в условиях фактической эксплуатации реальных энергосистем, совокупность которых представляет решение научно-технической задачи, имеющей существенное значение для электроэнергетической отрасли.

1. Реализован комплексный подход к разработке и уточнению моделей надежности коммутационного оборудования в сетях 110−750 кВ, заключающийся в исследовании причинно-следственных связей основных влияющих факторов, а также поиске и учете новых свойств этих моделей. Это позволило предложить в рассматриваемой предметной области новые взгляды на традиционно принимаемые решения, влияющие на надежность и экономичность энергосистем.

При этом необходимо, что бы структура параметра потока отказов выключателя соответствовала классу решаемой задачи, будь то анализ конструкций электрических аппаратов, планирование их ремонтно-эксплуатационного обслуживания или обоснование и выбор схем коммутации электроустановок.

2. Доказано, что параметр потока отказов коммутационного оборудования имеет объемную структуру, кроме того, зависящую от срока эксплуатации оборудования, и приводит к многократным разбросам значений рассматриваемого параметра: в 2−6 раз по компонентам и в 4−5 раз по сроку эксплуатации. Это принципиально и важно учитывать при совершенствовании конструкций выключателей, планировании их ремонтно-эксплуатационного обслуживания, а так же при обосновании и выборе схем электрических соединений электроустановок.

3. Установлена взаимосвязь между продолжительностью эксплуатации коммутационного оборудования и его надежностью, что позволило сформулировать рекомендации по повышению качества работ в электроустановках и совершенствованию системы учета технологических нарушений в энергосистемах.

Большое количество отказов выключателей в начальной зоне приработки заставляет обратить пристальное внимание на состояние работ по приемо-сдаточным испытаниям оборудования. Недопустимо, когда на первые годы эксплуатации приходится до 25−40% всех отказов выключателей.

Стабилизация количества отказов выключателей на уровне 2%/год (в пять раз меньше, чем на начальных этапах эксплуатации) на длительных временных интервалах, исчисляемых десятками лет, — положительный фактор. Однако необходимо тщательное технико-экономическое сопоставление целесообразности поддержания в работоспособном состоянии устаревших и снятых с производства выключателей по сравнению с заменой их на новые типы оборудования.

4. Уточнены модели надежности коммутационного оборудования в энергосистемах, что дает возможность более обоснованно подойти к решению комплексной задачи обеспечения надежности и экономичности режимов работы электростанций, электрических сетей и энергосистем в целом.

Получены новые практические результаты:.

5. Предложены рекомендации по объективному выбору моделей надежности коммутационного оборудования в энергосистемах при решения проектно-конструкторских и эксплуатационных задач, позволяющие повысить надежность и экономичность электроустановок:

— принципиально и важно учитывать при решении задач совершенствования конструкций выключателей и распределительных устройств, планирования их ремонтно-эксплуатационного обслуживания, а так же при обосновании и выборе схем электрических соединений электроустановок учитывать структуру параметра потока отказов. В общем случае, если за базисное значение взять отказы собственно выключателей с приводом (100%), значение параметра потока отказов при учете структуры может изменяться в достаточно широких диапазонах (до 2−6 раз). Эти значения могут существенно измениться в большую сторону (до 12 раз), если учесть динамику параметра потока отказов;

— при рассмотрении модели надежности с классификацией отказов коммутационного оборудования по условию возникновения, будь то в статическом состоянии, при оперативных переключениях или при отключении КЗ, допустимо не выделять отказы при отключении КЗ из общей группы отказов. Анализ фактического материала показывает, что отказы в статическом состоянии, при оперативных переключениях и отказы при отключении КЗ проявляются достаточно равномерно: их частота возникновения в среднем составляет 30—40%. Таким образом, в модели отказа коммутационного оборудования не имеет большого смысла особо выделять отдельные режимы;

— классификация отказов по месту установки выключателей в схеме коммутации в целом себя оправдывает, поскольку аварийность выключателей в цепях линий электропередачи на 6−25% выше, чем в других цепях. Однако данный фактор менее важен по сравнению с корректностью учета многокомпонентное&tradeпри определении параметра потока отказов (см. выше). Поэтому для упрощения расчетов надежности схем электрических соединений, по-видимому, допустимо не разделять отказы выключателей по месту их установки;

— структура отказов по их распределению между составляющими присоединения (собственно выключатель с приводом, трансформаторы тока, разъединители с ошиновкой, средства РЗА привязанные к ячейке) показал, что в ряде случаев собственно выключатель с приводом не является первопричиной отказа присоединения. Так по статистическим данным отношение количества отказов выключателей из-за нарушений работы устройств РЗА к отказам собственно выключателей с приводами составляет 0,57- 0,77- 0,64- 1,46 и 0,71 при напряжении соответственно 110- 220- 330- 500 и 750 кВ. Таким образом, в ряде случаев влияние РЗА на параметр потока отказов выключателей более весомый фактор по сравнению с их конструктивными особенностями и условиями ремонтно-эксплуатационного обслуживания, что принципиально и важно учитывать при решении задач повышения надежности схем электроустановок;

— известные типы отказов выключателя («КЗ в одну (каждую) сторону», «КЗ в обе стороны», «разрыв») фактически можно рассматривать в качестве условно независимых случайных событий, поскольку на каждого из них ориентировочно пришлось 1А общего числа отказов выключателей. Данный факт подтверждает вывод П. Г. Грудинского, полученный 50 лет назад, что лишь Уг отказов присоединений приводит к отключению сборных шин электроустановок в схеме с двумя системами сборных шин. Действительно, погашение системы сборных шин в рассматриваемой схеме происходит при отказе типа «КЗ в обе стороны» (Ул отказов) и отказе типа «КЗ в одну сторону» (У4 отказов) — в сторону сборных шин. Таким образом, публикуемые последние десятилетия в специализированной литературе значения коэффициента, характеризующего долю отказов типа «КЗ в обе стороны» на уровне 0,6−0,7 и более представляются необоснованно завышенными;

— погашения подстанций 500 кВ из-за отказов на сборных шинах 110−220 кВ, т. е. на вторичной стороне подстанций, преимущественно связаны с тем, что на них использованы схемы коммутации с двумя системами сборных шин. В таких схемах на каждом присоединении присутствуют развилки из двух шинных разъединителей. Поэтому часть отказов приводит к неустраненным КЗ, одновременно затрагивающим обе системы сборных шин. Ситуация усугубляется еще и тем, что шинные разъединители выполняют оперативные функции. Это так же увеличивает количество отказов, приводящих к одновременному погашению обеих систем сборных шин. Поэтому, при реконструкции подстанций необходимо стремиться к использованию в РУ 110−220 кВ схемы с одной секционированной системой сборных шин с обходной. В таких схемах практически исключены оперативные функции шинных разъединителей и отказы, связанные с одновременным погашением обеих секций системы сборных шин. Использование схемы с двумя системами сборных шин, следует считать вынужденным решением и должно требовать в проектах специального обоснования, в первую очередь, с режимных позиций;

— более 1/3 отказов на сборных шинах 110−220 кВ, зафиксированных в период 1993;2004 гг., связаны со старением оборудования. При анализе эксплуатационной надежности сборных шин за период 1978;1992 гг. данный фактор не был заметен. Это свидетельствует о необходимости пристального внимания к первоочередным мероприятиям по организации ремонтной деятельности на предприятиях отрасли, а также к модернизации и техническому перевооружению электроустановок.

Использование практических результатов:

6. Примененный подход и полученные на его основе рекомендации по моделям надежности коммутационного оборудования в энергосистемах позволяют на практике повысить достоверность и устойчивость принимаемых решений, а также надежность и экономичность электроустановок.

2. Разработанные практические рекомендации, а так же обобщенные статистические данные используются в «Магистральных электрических сетях Центра» (МЭС Центра) — филиале ОАО «ФСК ЕЭС» при решении широкого спектра задач ремонтно-эксплуатационного обслуживания: совершенствования конструкций выключателей, планирования их ремонтов, а также обоснования и выбора схем энергообъектов при новом строительстве, реконструкции и техническом перевооружении.