close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Хомяков Иван Владимирович. Исследование средств и методов повышения надежности и экономичности системы электроснабжения промышленного предприятия

код для вставки
2
УДК 621.316.1.05
Аннотация
Тема исследования: «Исследование средств и методов повышения
надежности
и
экономичности
работы
системы
электроснабжения
промышленного предприятия».
Выпускная
квалификационная
работа
посвящена
разработке
технических решений и рекомендаций, направленных на повышение
надежности
системы электроснабжения предприятия по производству
деталей и запасных частей сельскохозяйственных машин с учетом
оптимальности по критерию экономичности. В работе проводится анализ
требований к надежности систем электроснабжения и технических решений
для ее обеспечения и повышения. Для исходной схемы разрабатывается
математическая модель с целью дальнейшего анализа показателей ее
надежности. По результатам анализа даются рекомендации по повышению
показателей надежности. На окончательном этапе работы делается проверка
на соответствие предложенных технических мероприятий на соответствие
оптимальности по критерию экономичности.
Стр. 100, рис. 18, табл. 24, 40 библ. наим.
3
UDC 621.316.1.05
Summary
Research subject: "Research of means and methods of increase in reliability
and profitability of operation of the power supply system of the industrial
enterprise".
Final qualification work is devoted to development of technical solutions
and the recommendations submitted on increase in reliability of the power supply
system of the enterprise for production of details and spare parts of farm vehicles
taking into account optimality by criterion of profitability. In work the analysis of
requirements to reliability of power supply systems and technical solutions for its
providing and increase is carried out. The mathematical model for the purpose of
the further analysis of indicators of its reliability is developed for the initial
scheme. By results of the analysis recommendations about increase in indicators of
reliability are made. At a final stage of work check on compliance of the offered
technical actions on compliance of optimality by criterion of profitability becomes.
P. 100, 18 pic., 24 tab., 40 bibl.
4
Содержание
ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................... 6
1.1 Общая информация об объекте исследования ................................. 8
1.2 Основные требования, предъявляемые к надежности систем
электроснабжения промышленных предприятий .......................................... 13
1.3 Ретроспективный анализ теории надежности ................................ 15
1.4 Анализ методов расчета показателей надежности систем
электроснабжения ............................................................................................. 20
1.4.1 Аналитический метод .................................................................... 25
1.4.2 Логико-вероятностный метод ....................................................... 27
1.4.3 Таблично-логический метод ......................................................... 28
Выводы по разделу ..................................................................................... 30
2 Способы повышение надежности электроснабжения
промышленных предприятий .............................................................................. 31
2.1 Повышение надежности отдельных элементов системы ............. 31
2.2 Использование устройств релейной защиты и автоматики ......... 35
2.3 Резервирование.................................................................................. 37
Выводы по разделу ..................................................................................... 45
3 Разработка математических моделей для анализа надежности
электроснабжения предприятия .......................................................................... 46
3.1 Построение аналитической математической модели.................... 46
3.1.1 Составление схем замещения по надежности............................. 46
3.1.2 Анализ схем замещения по надежности ...................................... 54
5
3.2 Экономико-математические модели для оптимизации
надежности электроснабжения ........................................................................ 59
Выводы по разделу ..................................................................................... 63
4 Анализ показателей надежности электроснабжения
предприятия и разработка рекомендаций по ее повышению ........................... 64
4.1 Анализ надежности схемы электроснабжения .............................. 64
4.2
Рекомендации по повышению надежности
системы
электроснабжения предприятия ...................................................................... 71
4.3
Технико-экономическое
сравнение
вариантов
систем
электроснабжения ............................................................................................. 75
Выводы по разделу ..................................................................................... 79
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................... 80
Список литературы ..................................................................................... 82
Приложение А ............................................................................................. 87
6
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность
работы.
Вопрос
обеспечения
надежности
электроснабжения возник с появлением первых электрических сетей и
остается актуальным по настоящее время. Постепенно появлялись новые
способы бесперебойной передачи электроэнергии, многие из которых в
последствие
становились
типовыми
и
закреплялись
в
технических
регламентах в виде требований к системам электроснабжения. И по сей день
разрабатываются новые оригинальные решения данной проблемы, но в
большинстве
случаев
достаточно
и
стандартных.
Главный
вопрос,
возникающий при выборе способа обеспечения надежности, – его
экономическая целесообразность в условиях конкретного производства.
Объектом исследования в данной выпускной квалификационной работе
является предприятие ОАО «СельхозДетальИнвест». Предмет исследования
– система электроснабжения данного предприятия и методы повышения ее
надежности.
Цели и задачи работы. Цель работы состоит в
надежности
и
экономичности
системы
повышении
электроснабжения
«ОАО
«СельхозДетальИнвест».
Достижение поставленной цели возможно при решении следующих
задач:
- ретроспективный анализ теории надежности, выбор показателей и
методов анализа надежности для проведения дальнейших исследований;
- анализ требований к надежности систем электроснабжения и
технических решений ее обеспечения и повышения применительно к «ОАО
«СельхозДетальИнвест»;
-
расчет
показателей
надежности
существующей
системы
электроснабжения на основе выбранного метода анлиза;
- разработка технических мероприятий, направленных на дальнейшее
повышение надежности, и их технико-экономическое обоснование.
7
Методы исследования. В исследовательской работе использовались
методы теории надежности, в частности, аналитический метод расчета
параметров надежности систем электроснабжения.
Научная
новизна.
электроснабжения
соотношения,
С
объекта
позволяющие
учетом
структуры
исследования
и
состава
получены
вычислять
системы
аналитические
интенсивности
отказов,
коэффициенты простоя и продолжительности аварийного простоя для
каждого цеха.
Практическая
значимость.
экономически обоснованные
Предложены
рекомендации
и
технические решения, направленные на
дальнейшее повышение бесперебойности электропитания.
Достоверность результатов. Полученные показатели надежности
электроснабжения
отдельных
цехов
предприятия
не
противоречат
теоретическим данным для аналогичных схем их подключения.
Апробация
работы.
Результаты
работы
докладывались
на
Студенческой научно-технической конференции «Неделя науки 2016» в
ФГБОУ ВО «ОГУ имени И.С. Тургенева».
По теме работы опубликована одна статья.
Структура работы. Работа состоит из введения, четырех глав,
заключения, библиографического списка (40 наименований), приложения.
Общий объем 98 стр.
8
1 РЕТРОСПЕКТИВНЫЙ АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ
ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ
НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
1.1 Общая информация об объекте исследования
Предприятие
ОАО
«СельхозДетальИнвест»
осуществляет
производственную деятельность по изготовлению комплектующих деталей и
узлов отечественных сельскохозяйственных машин, а также импортных
машин, собираемых в России по лицензии. В этот перечень входят такие
широко распространенные модели, как
17221»,
универсальный трактор «ХТЗ-
универсально-пропашной трактор «МТЗ-1025, универсальный
полноприводный трактор «ЮМЗ-8244.2», а также другие виды специальной
техники.
На предприятии изготавливается большинство специальных деталей и
узлов, в том числе отдельных узлов двигателей, за исключением
унифицированных (гидроцилиндры, подшипники и др.). В зависимости от
вида детали этапы её производства могут включать изготовление выплавкой
или путем обработки давлением (штамповка, прессование), механическую
обработку (давлением или резанием). На заключительной стадии может
осуществляться доводка, закалка (полная или местная), очистка деталей и
нанесение металло- и лакокрасочных покрытий.
Для осуществления всех необходимых операций по получению
заготовок, их последующей обработке и поддержки работоспособности
производства имеется все необходимое оборудование, которое размещено в
17 цехах, расположенных на площади 58806 м2. Перечень цехов с краткой
характеристикой происходящих в них производственных процессов и
составом оборудования приведен в таблице А.1.
Все цехи можно условно разделить на основные и вспомогательные. К
первым относятся термический, механический, заготовительный, сварочный,
кузнечный и литейные цехи, ко второй группе – все остальные.
9
Ситуационный план расположения цехов на территории предприятия
показан на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 – Ситуационный план предприятия
(цифрами обозначены номера цехов согласно табл. А.1 и 1.1)
Половина цехов предприятия относится к помещениям с нормальными
условиями среды, для которых относительная влажность не превышает 60 %;
температура не поднимается выше +35 °С; не выделяется технологическая
пыль; не содержатся агрессивные пары, газы, жидкости. К таким цехам
относятся:
механический,
экспериментальный
заготовительный,
кузнечный,
ремонтно-механический,
компрессорная,
электроцех,
административно-хозяйственный корпус. Характеристика сред остальных
цехов приведена в таблице 1.1.
10
Таблица 1.1 – Характеристики цехов предприятия
№
п./п.
Наименование
цеха
1
1
2
3
4
5
2
Термический цех
Механический
Инструментальный
Заготовительный
Ремонтномеханический
Экспериментальный
Насосная
Литейный цех
цветных металлов
Литейный цех
черных металлов
Сварочный
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Компрессорная
Кузнечный
Цех
металлопокрытий
Покрасочный цех
Электроцех
Административнохозяйственный
корпус
Склад
Характеристика сред
помещений
Установленная мощность,
кВт
3
жаркая
нормальная
пыльная
нормальная
пыльная
Категория
надежности
электроснабжения
4
II
III
III
III
III
нормальная
влажная
жаркая
III
II
I
90
110
340
жаркая
I
670
химически
активная
нормальная
нормальная
химически
активная
химически
активная
нормальная
нормальная
III
230
II
II
II
100
260
170
III
120
III
III
115
60
нормальная
III
30
5
300
240
150
160
155
Термический и литейные цехи относится к помещениям с жаркими
условиями среды, в которых под воздействием различных тепловых
излучений температура постоянно или периодически (более 1 суток)
превышает +35 °С.
Насосная станция относится к помещениям, в которых пары или
конденсирующая влага выделяются лишь кратковременно в небольших
11
количествах, а относительная влажность воздуха более 60 %, но не
превышает 75 %.
В механическом, ремонтно-механическом и инструментальном цехе в
процессе механической обработки (особенно шлифовки) деталей и заготовок
выделяется проводящая пыль, которая может оседать на токоведущих частях,
проникать внутрь машин, аппаратов и т.п.
В сварочном, покрасочном и цехе металлопокрытий при протекании
технологических процессов в окружающую среду выделяются химически
активные
вещества,
разрушающие
изоляцию
и
токоведущие
части
электрооборудования.
Картограмма электрических нагрузок с нанесением трасс сетей 10 и
0,4 кВ показана на рисунке 1.2.
Рисунок 1.2 – Картограмма электрических нагрузок и прокладка трасс
сетей 10 и 0,4 кВ
12
Принципиальная однолинейная схема электроснабжения предприятия
показана на рисунке 1.3.
Рисунок 1.3 – Однолинейная схема электроснабжения предприятия
13
1.2 Основные требования, предъявляемые к надежности систем
электроснабжения промышленных предприятий
Основные
требования
к
надежности
систем
электроснабжения
промышленных предприятий отражены в ПУЭ [1]. Например, для
предприятий, имеющих в своем составе электроприемники первой категории
надежности, к которым относят электрооборудование,
перерыв электро-
снабжения которого может повлечь за собой опасность для жизни людей,
значительный
материальный
оборудования,
массовый
ущерб,
брак
повреждение
продукции,
дорогостоящего
расстройство
сложного
технологического процесса и нарушение функционирования особо важных
элементов
коммунального
мероприятий,
хозяйства,
направленных
электроэнергии.
Допускается
автоматического
на
обеспечение
перерыв
восстановления
должен
быть
выполнен
непрерывной
электроснабжения
питания.
Главные
ряд
подачи
на
время
мероприятия
заключаются в организации схемы электроснабжения, предусматривающей
два независимых взаиморезервируемых источника питания с применением
автоматического повторного включения и автоматического ввода резерва.
Для
предприятий,
относящихся
ко
второй
категории
надежности,
допускается кратковременное прекращение подачи электроэнергии на время,
необходимое для включения резервного питания действиями дежурного
персонала или выездной оперативной бригады. Такие предприятия имеют в
своем составе электроприемники,
перерыв электроснабжения которых
приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих,
механизмов
деятельности
и
промышленного
транспорта,
нарушению
нормальной
значительного количества городских и сельских жителей.
Схема электроснабжения данных предприятий также предусматривает два
независимых источника, но наличие быстродействующей автоматики
избыточно, поскольку предусмотрен запас времени для осуществления
ручных переключений. К предприятиям третьей категории надежности
относятся
все
остальные
предприятия,
длительность
перерыва
14
электроснабжения
для которых допускается не более одних суток.
Предполагается, что за это время должны быть проведены ремонтные работы
для восстановления работоспособности системы электроснабжения, схема
которой для предприятий данной категории предусматривает наличие только
одного источника.
Следует добавить, что в первой категории выделяется особая группа. К
электроснабжению таких предприятий предъявляются самые жесткие
требования надежности. Должно обеспечиваться полностью непрерывное
электроснабжение, необходимое для безаварийного останова производства с
целью
предотвращения
угрозы жизни
людей,
взрывов,
пожаров
и
повреждения дорогостоящего основного оборудования. Для предприятий
особой группы схема системы электроснабжения должна включать третий
независимый
источник
питания,
например,
дизель-генератор,
аккумуляторные батареи и др.
Анализ таблицы 1.1 показывает, что в составе цехов предприятия
имеются ответственные потребители (литейные цехи), поэтому ОАО
«СельхозДетальИнвест» можно отнести к первой категории надежности.
Задача обеспечения надежности электроснабжения любого объекта, в
том числе и ОАО «СельхозДетальИнвест», сводится к максимальному
снижению числа и продолжительности перерывов в подаче электропитания, а
в случае, если режим электроснабжения все же нарушен, в
сохранении
удовлетворительного качества электроэнергии для устойчивой работы
ответственных электроприемников. Нормальный режим электроснабжения
нарушается при возникновении отказов. Под отказом понимается нарушение
работоспособности объекта или несоответствие требованиям, установленным
нормативно-технической документацией [2]. Отказы могут быть внезапными
и постепенными, устойчивыми и неустойчивыми. Помимо отказов могут
возникать сбои (самоустраняющиеся отказы), повреждения (разрушение
оборудования)
и
неисправности
(разрегулировка
оборудования
без
разрушения). Отказы, возникающие в результате ошибок конструктора,
15
нарушения установленных норм и правил конструирования, называют
конструкционными. Также различают производственные отказы, которые
появляются из-за несовершенства технологического процесса изготовления
или ремонта объекта и эксплуатационные, причина возникновения которых
заключается в нарушении установленных правил и условий эксплуатации
объекта. Существует и другая классификация отказов в зависимости от
вызвавших их причин. Например, в [3] выделяют всего два класса:
аппаратные отказы - повреждения и неполадки оборудования, устройств,
входящих в систему и эксплуатационные,
вызванные ошибочными или
вынужденными действиями обслуживающего персонала. Несмотря на свою
простоту, вторая классификация более универсальная, поскольку каждый
класс, в свою очередь, делиться на подгруппы. В первом выделяют
следующие
причины
отказов:
1)
ошибки
при
конструировании,
изготовлении, монтаже и ремонте; 2) постепенный износ оборудования; 3)
непредсказуемые физические воздействия внешнего характера (например,
погодные явления). Эксплуатационные отказы разделяют только на две
подгруппы:
1)
отказы,
обусловленные
низкой
квалификацией
эксплуатационного и ремонтного персонала, недостаточностью опыта; 2)
масштабность и сложность эксплуатируемых устройств и схем.
В не зависимости от причины появления отказ всегда является
стохастическим событием, поэтому теория надежности широко использует
математические методы теории случайных чисел.
1.3 Ретроспективный анализ теории надежности
Понятие
надежности,
как
таковое,
подразумевает,
что
рассматриваемый объект, к которому может быть применено данное понятие,
должен обладать способностью в течение определенного времени сохранять
в установленных пределах значения тех параметров, от которых зависит
успешность выполнения им требуемых функций в заданных режимах. Если в
качестве объекта рассматривается система электроснабжения, то понятие
16
надежности требует уточнений и дополнений. Во-первых, основной
функцией систем электроснабжения является обеспечение электроэнергией
потребителей. Во-вторых, под параметрами, от которых зависит успешность
обеспечения
электроэнергией
потребителей,
следует
понимать
сами
параметры электроэнергии (напряжение, частота), а также показатели её
качества
(отклонения
напряжения
и
частоты,
провалы,
колебания
напряжения, несимметрия, несинусоидальность и т.д.). При отклонении от
номинальных параметров напряжения и частоты показатели качества
электроэнергии ухудшаются, что так или иначе сказывается на качестве
производимого товара, когда потребителем электрической энергии является
промышленное предприятие. Степень этого влияния зависит от вида
производства и используемого для этого электрооборудования. В-третьих,
одна из особенностей электричества состоит в том, что вырабатываемая
энергия должна быть сразу использована. Таким образом, источник энергии,
который является неотъемлемой частью системы электроснабжения, должен
учитывать неравномерный характер нагрузки предприятия, то есть должен
выдавать необходимую мощность в моменты максимальной нагрузки и
снижать выработку или перенаправлять избытки электроэнергии к другим
потребителям в моменты её снижения. В четвертых, построение систем
электроснабжения
выполняется
по
определенным
схемам,
наиболее
рациональным для каждого потребителя в зависимости от его категории
надежности.
С учетом указанных особенностей под надежностью системы
электроснабжения
промышленного
предприятия
следует
понимать
непрерывное обеспечение потребителей электроэнергией заданного качества
в соответствии с графиком электропотребления и по схеме, которая
предусмотрена для длительной эксплуатации [4].
В теории надежности в качестве объекта исследований может
рассматриваться
система в целом или составляющие ее элементы. Под
элементом понимается объект, надежность которого рассматривается
17
независимо от надежности его частей, а только в зависимости от его
функциональной роли и места в системе или установке [4]. Понятие
«система» определяется как совокупность взаимосвязанных объектов,
предназначенных для выполнения определенного круга задач и имеющих
единое управление функционированием и развитием. Ярким примером
последнего понятия в электроэнергетике является электроэнергетическая
система,
представляющая
собой
совокупность
взаимосвязанных
электрических станций, сетей и узлов нагрузок, осуществляющих единый
процесс
производства,
преобразования,
передачи
и
распределения
электроэнергии. Элементами электроэнергетической системы являются
отдельные устройства, способные самостоятельно выполнять некоторые
локальные функции в ней, например, генераторы, трансформаторы, линии
электропередач и электроприемники. В качестве объекта может также
рассматриваться подсистема – малое объединение элементов системы,
выполняющее определенную функцию, хотя деление на системы и
подсистемы весьма условно.
Надежность системы электроснабжения и её элементов, является
комплексным свойством, что закреплено в ГОСТ 27.002-2015 [5]. В него
входят
такие
понятия,
как
безотказность,
долговечность,
ремонтопригодность, сохраняемость. Безотказность объекта – это его
способность
непрерывно
соответствующее
сохранять
нормативно-технической
работоспособное
документации,
состояние,
в
течение
заданного времени или заданной наработки. Под заданным временем работы
обычно понимается нормативный срок службы, а под заданной наработкой объем работы, который планируется выполнить с помощью объекта или его
производительность.
Близким
к
безотказности
является
понятие
долговечности, как способности объекта сохранять работоспособность до
наступления предельного состояния при условии соблюдения установленных
правил технического обслуживания и ремонта. Состояние, при котором
дальнейшая эксплуатация объекта недопустима, а его восстановление
18
невозможно
или
нецелесообразно,
называется
предельным.
Срок
эксплуатации «долговечного» объекта может превышать нормативный срок
безотказной работы. Долговечным может быть такой объект, который
отвечает требованиям ремонтопригодности, то есть приспособленности к
обнаружению и предупреждению отказов и повреждений, а также
восстановлению работоспособности в процессе технического обслуживания
и ремонта. Ремонтопригодный объект, обычно элемент системы, считается
восстанавливаемым, так как его работоспособность при возникновении
отказа подлежит восстановлению.
В случаях же, когда восстановление
работоспособности считается невозможным или нецелесообразным, то такой
объект считается невосстанавливаемым.
Под сохраняемостью понимают
свойство объекта сохранять исправное и работоспособное состояние в
течение и после длительного его хранения и транспортировки.
Надежность специфических объектов, какими являются системы
электроснабжения, подразумевает дополнительные его свойства: режимную
управляемость, устойчивость, живучесть и безопасность [4]. Под режимной
управляемостью понимается способность объекта обеспечивать включение,
отключение или другое изменение режима работы входящих в него
элементов по заданному алгоритму. Устойчивость объекта характеризует его
способность возвращаться в устойчивое состояние после прекращения
возмущающего воздействия, которое нарушило нормальный режим. Более
широкое понятие – живучесть, то есть свойство объекта противостоять
крупным возмущениям режима, не допуская их цепочечного развития и
массового отключения потребителей, не предусматриваемого режимом
работы
противоаварийной
способности
автоматики.
Безопасность
заключается
в
объекта не создавать опасности для людей и окружающей
среды во всех режимах работы. Все данные свойства применимы только к
крупным объектам – системам.
Состояние объекта, при котором он стабильно выполняет свои
функции,
называется
работоспособным.
Работоспособному
состоянию
19
соответствуют
вполне
определенные
параметры,
которые
должны
находиться в установленных переделах изменения - допусках.
Когда
происходит
когда
нарушение
работоспособного
состояния,
то
есть
параметры режима работы выходят за границы допусков, возникает
состояние отказа. Это понятие одно из центральных в теории надежности.
Точное определение звучит так: «Отказ – нарушение работоспособности
объекта или несоответствие требованиям, установленным нормативнотехнической документацией» [2].
Нарушение работоспособности может
быть полным или частичным. При частичной работоспособности объект
может характеризоваться такими режимами работы, как: нормальный
(значения всех заданных параметров режима работы не выходят за
установленные
изготовителем
допуски);
аварийный
(от
момента
возникновения отказа объекта до момента его локализации); послеаварийный
(от момента локализации отказа до установления заданного нормального
режима). С учетом этого свойство безопасности может быть переосмыслено:
это способность объекта не создавать опасности для людей и окружающей
среды как в нормальных, так и в аварийных режимах работы. При полной
потере
работоспособности
наступает
нерабочее
состояние,
сопровождающееся предупредительным или аварийным ремонтом, а также
аварийным (из-за неисправности данного элемента) или зависимым простоем
(из-за неисправности другого элемента системы).
Отказы классифицируют на полные и частичные (были рассмотрены
выше) внезапные и постепенные, устойчивые и неустойчивые [2]. Внезапные
отказы возникают вследствие действия многих внешних случайных
факторов, а также накопления повреждений и неисправностей в системе и
характеризуются быстрым выходом основных параметров за границы их
допусков. К повреждениям относят разрушение оборудования, поломки
деталей, нарушение целостности электрических и магнитных цепей или
изоляции. Неисправностями называют изменение настроек (разрегулировку)
механизмов и защитных устройств без их разрушения и порчи. Причины
20
постепенных отказов заключаются в плавном
изменении основных
параметров из-за старения и износа объектов. Отказ считается устойчивым,
если для его восстановления требуется ремонт объекта, или если он признан
невосстанавливаемым. Неустойчивые отказы способны к самоустранению.
Если самоустранение происходит в короткие сроки, то такой отказ принято
называть сбоем. Также выделяют зависимые и независимые отказы [6]. Отказ
считается зависимым, когда он произошел
по причине отказа другого
объекта.
Любой отказ всегда является случайным событием, поэтому теория
надежности широко использует математические методы теории случайных
чисел, описанные в [7, 8].
1.4
Анализ
методов
расчета
показателей
надежности
систем
электроснабжения
Задача расчета показателей надежности систем электроснабжения
сводится к их определению по известным параметрам надежности отдельных
элементов с учетом из структурной и функциональной взаимосвязи. Прежде
чем приступить к анализу этих методов рассмотрим сначала количественные
параметры надежности отдельных элементов. Выделяют два класса
параметров: вероятностные и статические.
К
вероятностным
относят:
вероятность
безотказной
работы,
вероятность отказа, интенсивность отказа и др. [4, 9].
Вероятность безотказной работы P(t ) характеризует вероятность того,
что в заданном интервале времени t не произойдет ни одного отказа:
P(t ) = P T  t ,
(1.1)
где T – время работы объекта до первого отказа, ч.
Вероятность отказа Q(t ) – это вероятность того, что в заданном
интервале времени t произойдет хотя бы один отказ:
Q(t ) = Q T  t .
(1.2)
21
Безотказная
работа
и
отказ
объекта
являются
событиями
несовместными, поэтому
Q(t ) = 1 − P(t ) .
(1.3)
Интенсивность отказов λ(t) – представляет собой условную плотность
вероятности возникновения отказа для рассматриваемого момента времени
при условии, что до этого момента отказ не возник,
 (t ) =
1 dQ(t )
.

P(t ) dt
(1.4)
Сущность этой характеристики заключается в количестве отказов за
ограниченное количество времени.
Вероятностные
показатели
наглядны,
позволяют
исследовать
изменение надежности во времени, но описывают надежность только до
первого отказа, поэтому они подходят для невосстанавливаемых объектов.
Для
восстанавливаемых
последовательностью
статические
объектов,
нормальных
показатели:
работа
режимов
параметр
которых
и
потока
характеризуется
отказов,
применяются
отказов,
вероятность
восстановления, вероятность невосстановления, частота восстановления,
интенсивность восстановления, среднее время восстановления [10].
Параметр потока отказов ω(t) – плотность вероятности возникновения
отказа восстанавливаемой системы (элемента), определяемая для заданного
момента времени. Если не учитывать время восстановления, моменты
возникновения отказов формируют непрерывный поток отказов, для
характеристики которого используется следующая функция:
(t ) = M (r (t )) ,
(1.5)
где M (__) – математическое ожидание;
r (t ) – число отказов за время t.
Параметр потока отказов связан с функцией (t ) следующим
выражением:
22
M (r (t , t + t ))
= (t )
t →0
t
 (t ) = lim
(1.6).
Вероятность восстановления S(t) - вероятность того, что отказавший
элемент будет восстановлен в течение заданного времени t (иначе говоря,
вероятность своевременного завершения ремонта):
S (t ) 
NВ
,
N В (0)
(1.7)
где N В (0) – число элементов, поставленных на восстановление в начальный
момент времени t = 0;
N В – число элементов, время восстановления которых оказалось меньше
заданного времени t (восстановленных в интервале (0, t)).
Вероятность
невосстановления
(несвоевременного
завершения
ремонта) G(t) – вероятность того, что отказавший элемент не будет
восстановлен в течение заданного времени t. Так как события S(t) и G(t) –
несовместные, то:
G(t ) = 1 − S (t ) 
Частота восстановления
aB (t )
–
N В (0) − N В
.
N В (0)
производная
(1.8)
от вероятности
восстановления:
aB (t ) =
dS (t )
dG(t ) nB (t , t + t )
=−

,
dt
dt
N В (0)t
(1.9)
где nB (t , t + t ) – число восстановленных элементов на интервале времени
от t до t + t .
Интенсивность восстановления
 (t ) –
условная вероятность
восстановления после момента t за единицу времени t при условии, что до
момента t восстановления элемента не произошло:
23
 (t ) =
aB (t )
nB (t , t + t )
.

G(t ) ( N В (0) − N В )t
(1.10)
Среднее время восстановления TВ – это математическое ожидание времени
восстановления и численно соответствует площади под кривой вероятности
невосстановления:
N В (0)
t

TВ =  G (t )dt 
i =1
Bi
N В (0)
0
,
(1.11)
где t Bi –длительность восстановления i-го объекта.
Существуют и другие параметры, которые применяются, когда
требуется оценить надежность работы элемента безотносительно к времени
его работы: коэффициент готовности, коэффициент простоя, относительный
коэффициент
простоя,
коэффициент
технического
использования,
коэффициент оперативной готовности [10].
Коэффициент готовности
K Г – вероятность того, что элемент
работоспособен в произвольный момент времени:
n
KГ =
t
i =1
n
t
i =1
рi
n
рi
+  t Вi
,
(1.12)
i =1
где t рi – i-й интервал времени исправной работы элемента;
t Вi – i-й интервал времени восстановления элемента после i -го отказа;
n – число отказов.
Коэффициент
простоя
KП
–
вероятность
неработоспособен в любой момент времени:
того,
что
элемент
24
n
t
KП =
i =1
n
t
i =1
Вi
n
рi
+  t Вi
.
(1.13)
i =1
Сумма коэффициентов готовности и простоя всегда равна единице.
Относительный коэффициент простоя K ПO - отношения коэффициента
простоя к коэффициенту готовности:
K ПO =
KП
.
KГ
(1.14)
Коэффициент технического использования – параметр, учитывающий
дополнительные преднамеренные отключения элемента, необходимые для
проведения планово-предупредительных ремонтов:
KТИ =
T
,
T + TВ + TO
(1.15)
где T – средняя наработка на отказ;
TВ – среднее время восстановления;
TO – среднее время обслуживания, т.е. среднее время нахождения
элемента
в
отключенном
состоянии
для
производства
планово-
предупредительных ремонтов (профилактики).
Коэффициент оперативной готовности K OГ – вероятность того, что
элемент работоспособен в произвольный момент времени t и безошибочно
проработает в течение заданного времени (t , t + t ) :
KOГ = K Г P(t , t + t ) 
Nt (t , t + t )
,
N (0)
(1.16)
где N t (t) – число элементов, исправных в момент времени t и безотказно
проработавших в течение времени (t , t + t ) ;
N (0) – первоначальное число наблюдаемых элементов в момент
времени t = 0.
25
В зависимости от конечной цели расчета, от системы электроснабжения
и входящих в её состав элементов для анализа её надежности необходимы те
или иные параметры, как вероятностные, так и статические. Выбор метода
расчета зависит от сложности системы, имеющихся исходных данных и
необходимости учета особы событий, например плановых ремонтов [11]. При
этом все методы подразделяются на три группы: вероятностные, логические
и графо-аналитические.
На практике широкое применение нашли три
метода, которые будут рассмотрены ниже.
1.4.1 Аналитический метод
Применяется для анализа сложных систем, имеющих в своем составе
большое число элементов, для которых известна вся информация о
параметрах надежности и структурных и функциональных взаимосвязях.
Реализация метода связана с построением для реальной системы схемы
замещения по надежности. В большинстве случаев она напоминает схему
соединения
реальных
элементов,
которые
могут
быть
соединены
последовательно, параллельно или более сложным образом (треугольник или
звезда). Также как и реальная электрическая цепь, схема замещения по
надежности может быть упрощена на основе эквивалентных преобразований,
на основе которых определяются параметры надежности эквивалентных
элементов.
Так, вероятность безотказной работы системы из последовательно
соединенных элементов (рисунок 1.4) определяется как вероятность
безотказной работы всех элементов в течение времени t. При этом
вероятности безотказной работы всех элементов перемножаются:
n
P(t ) =  Pi (t ) ,
i =1
а потоки отказов складываются:
(1.17)
26
n
 (t ) = i (t ) .
(1.18)
i =1
Рисунок 1.4 – Схема замещения по надежности
при последовательном соединении элементов
Последовательная
модель
по
надежности
применима
для
электрических цепей с последовательным соединением электрических
аппаратов, трансформаторов, кабелей и воздушных линий, вторичных цепей
управления, содержащих обмотки и контакты реле и т.д.
Параллельная схема замещения (рисунок 1.5) используется для систем,
в которых из имеющихся n элементов для нормального режима необходимы
k элементов, а остальные n - k являются резервными.
Рисунок 1.5 – Параллельная схема замещения по надежности
При условии независимости отказа одного элемента от отказа другого,
а также с учетом допущения о том, что если число параллельных цепей
больше двух, то все, начиная с третьей, могут быть выведены из расчетной
схемы по причине малой вероятности отказов трех и более цепей
одновременно, то расчет вероятностей безотказной работы и отказа,
параметра пока отказов и времени восстановления для системы в целом
может быть произведен по упрощенным формулам:
P(t ) = P1 (t ) + P2 (t ) − P1 (t ) P2 (t ) ,
(1.19)
Q(t ) = 1 + P1 (t ) P2 (t ) − P1 (t ) − P2 (t ) ,
(1.20)
 (t ) = 1 (t )2 (t )(TB1 + TB1 ) ,
(1.21)
27
TB =
TB11 (t ) + TB 22 (t )
.
1 (t ) + 2 (t )
(1.22)
В литературе [4] описаны преобразования для более сложных случаев,
требующих
учета
поперечных
связей
между элементами, например
секционные выключатели между секциями сборных шин.
1.4.2 Логико-вероятностный метод
Метод основан на использовании законов теории вероятности к
функциям алгебры логики. Метод связан с построением дерева отказов,
которое представляет собой блок-схему, на которой учтены взаимосвязи всех
случайных событий. Каждое событие представляется в виде простых или
сложных высказываний.
Простое высказывание не может быть рассмотрено как сочетание
нескольких событий, а на дереве отказов отображается как кружок с
латинской
буквой
представляющее
–
именем
собой
события.
дизъюнкцию
Сложное
или
высказывание,
конъюнкцию
нескольких
высказываний. Дизъюнкция и конъюнкция – это основные операции алгебры
логики. Дизъюнкция – логическое сложение «или», конъюнкция –
логическое умножение «и». Сложное выражение обозначается на дереве
соответствующим логическим оператором, связывающим высказывания
низшего уровня с высказыванием высшего уровня.
Построение дерева отказов начинается с формулировки конечного
высказывания об отказе системы. В дереве отказов оно помещается вверху
блок-схемы и обводится двойной рамкой. Затем формируются простые и
сложные
высказывания
конъюнкция
(реже)
второго
которых
уровня,
приводит
дизъюнкция
к
отказу
(обычно)
системы.
или
Затем
рассматриваются события, формирующие высказывания второго уровня.
Построение дерева осуществляется сверху вниз до тех пор, пока на самом
нижнем уровне не окажутся только простые высказывания, которые
28
однозначно
описываются
соответствующими
количественными
характеристиками.
После построения дерева отказов логическое условие реализации
конечного события или состояния записывается в форме функции отказа
(ФО) путем выполнения указанных в дереве отказов операций логического
сложения и умножения над элементарными высказываниями, начиная с
нижнего уровня. Затем полученная функция отказа упрощается по правилам
алгебры
логики:
распределительного
сочетательного
(дистрибутивного)
(ассоциативного)
закона,
закона,
переместительного
(коммутативного) закона, закона инверсий, и операций поглощения и
склеивания [12].
На
заключительном
этапе
вместо
соответствующих
символов
высказываний подставляются частоты событий и условные вероятности.
Знаки конъюнкции «∧» в выражениях заменяются на арифметическое
умножение, а знаки дизъюнкции «∨» на арифметическую сумму. В
полученную формулу подставляются исходные численные значения, и в
результате расчетов получают искомые оценки частоты и длительностей
отказов.
Наиболее затруднительная операция данного метода – получение
функции отказа, сложность вывода которой расчет вместе со сложностью
системы. Поэтому метод применим к относительно простым схемам систем
электроснабжения предприятий.
1.4.3 Таблично-логический метод
Метод состоит в упорядоченном переборе состояний и событий в
системе и отборе таких сочетаний, которые представляют интерес с позиций
надежности, то есть связаны с совпадением отказов основных элементов и
неработоспособностью резервных. Для большей наглядности этой процедуры
массивы дизъюнкций и конъюнкций формируются в виде таблицы, которая
строится на основании принципиальной схемы системы. В ячейках таблицы
29
записываются последствия отказов элементов системы для различных
режимов в виде буквенных кодов аварии Si j . Индекс i означает номера
элементов, отключенных в первоначальном работоспособном состоянии
системы. Индекс j означает номера элементов, отказ которых приводит к
отказу всей системы. Каждый такой код соответствует определенной степени
нарушения
работоспособности
установки:
потере
генераторов,
трансформаторов, линий или их сочетаний. Если в i-том исходном
работоспособном состоянии отказ соответствующего элемента не приводит к
отказу системы, то данная ячейка таблицы остается пустой.
Алгоритм реализации метода состоит из следующих этапов:
1) задаются расчетные режимы работы системы электроснабжения,
отличные друг от друга составом работающего оборудования и его
повреждаемостью;
2) определяется относительная длительность каждого режима;
3) определяются расчетные события, приводящие к авариям, и
составляется таблица расчетных связей событий, аварий и режимов;
4) средние интенсивности аварий определяются по формулам:
(1.23)
(1.24)
5) среднее время восстановления нормального режима работы после
k-ой аварии вычисляется по формуле:
(1.25)
где τi j - время восстановления нормальной работы при повреждении i -го
элемента в j -м режиме.
30
В результате анализа принципиальной схемы электроснабжения ОАО
«СельхозДетальИнвест» (рисунок 1.3) сделан вывод о ее достаточной
сложности, в связи с чем расчет показателей ее надежности
таблично-
логическим и логико-вероятностным методами будет достаточно затруднен.
Таким образом, с помощью аналитического метода без построения
логических таблиц и диаграмм возможно оценить вероятность безотказной
работы и отказа, параметр пока отказов и время восстановления системы
электроснабжения исследуемого объекта.
ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ
На основе анализа цеховых производственных процессов для объекта
исследования
–
ОАО
«СельхозДетальИнвест»,
изготавливающего
комплектующие детали и узлы для отечественных сельхозмашин, определена
категория
надежности.
Наличие
цехов,
связанных
с
литейным
производством, позволило отнести предприятие к первой категории.
Проведен ретроспективный анализ теории надежности и методов
расчета ее параметров. Надежность систем электроснабжения – это
комплексное понятие, которое зависит от множества свойств. Для
исследования надежности в процессе эксплуатации или при проектировании
систем электроснабжения применяются показатели надежности, которые
делятся на три типа. Выбор типа обуславливается характером исследуемого
объекта: невосстанавливаемый или восстанавливаемый, а также наличием
или отсутствием временного фактора. Для анализа надежности наиболее
часто применяются три метода: аналитический, логико-вероятностный и
таблично-логический. Применительно к системе электроснабжения
«СельхозДетальИнвест» может быть рекомендован первый из них.
ОАО
31
2 СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
2.1 Повышение надежности отдельных элементов системы
Так как надежность системы зависит от надежности составляющих ее
элементов, то для повышения надежности систем электроснабжения
необходимо стремиться к повышению надежности электрооборудования [13].
На
стадии
проектирования
электроснабжения
необходимо
выбирать
наиболее качественное оборудование из существующих вариантов, а при
проектировании и изготовлении отдельных электротехнических устройств –
доводить их характеристики до уровня требований национальных и
международных стандартов. Для обеспечения последнего проводятся
испытания оборудования на заключительном этапе производства. По итогам
испытаний устанавливаются основные характеристики, в том числе и
параметры надежности (наработка на отказ, интенсивность отказов и др.), а
также оценивается устойчивость к условиям окружающей среды. Однако
испытание позволяет лишь убедиться в надежности или ненадежности
устройства, в то время как основные свойства надежности закладываются на
этапе проектирования и зависят от применяемых современных конструкций,
схемных решений и элементной базы,
от использования качественных
материалов и комплектующих, качества сборки заводами-изготовителями.
Выбор электротехнических устройств на стадии проектирования
систем электроснабжения должен осуществляться с учетом исключительного
соответствия всех его характеристик планируемым режимам эксплуатации.
Для силового оборудования важным параметром является номинальный ток
(мощность). Его занижение для выбираемых устройств приводит к их
перегреву (для обмоток двигателей и трансформаторов), быстрому старению
изоляции (для проводниковой продукции), вследствие чего реальный срок
эксплуатации будет снижен. Например, для трансформаторов справедливо 6-
32
градусное правило: увеличение температуры изоляции на 6 градусов
сокращает срок ее службы вдвое.
При выборе электрооборудования особое внимание следует уделять:
классу помещения по условию эксплуатации (сухие, влажные, сырые,
пыльные), классу по пожаровзрывоопасности, климатической зоне и т.д.
Условия
эксплуатации
(удары,
вибрация,
перегрузки,
температура,
влажность, солнечная радиация, песок, пыль, плесень, коррозирующие
жидкости и газы, электрические и магнитные поля) оказывают наибольшее
влияние на надежность электротехнических устройств. Например, известны
экспериментальные данные эксплуатации электрических машин, согласно
которым при относительной влажности 50 % сопротивление изоляции за 40
суток снижается в 5 раз, а при 95 % — минимум в 100 раз [14]. Таким
образом, от правильного выбора исполнения устройства напрямую зависит
его надежность в заданных условиях. При возможности отдельные узлы
рекомендуется выносить в отдельные помещения с более умеренными
условиями.
Еще одним важный способ повышения надежности отдельных
элементов
состоит
в
своевременном
и
качественном
проведении
профилактических мероприятий. Эффективной показала себя система
планово-предупредительного ремонта и технического обслуживания, в
которой предусматриваются следующие виды работ:
- техническое обслуживание, включает в себя систематическое
диагностирование состояния объекта, поддержание благоприятных режимов
работы и условий содержания оборудования (регулярная ревизия устройств,
очистка от пыли и грязи, смазка и устранение мелких неисправностей);
- технические осмотры – определение состояния устройств и объема
подготовительных работ, подлежащих выполнению при очередном ремонте,
чистка и устранение мелких неисправностей без разборки;
- текущий ремонт – выполнение минимального объема работ,
обеспечивающих возможность продления срока безотказной работы до
33
очередного капитального ремонта и сопровождающихся разборкой устройств
(очистка от пыли и грязи, устранение мелких неисправностей и повреждений,
например, смена масла в подшипниках электродвигателей, замена щеток);
- капитальный ремонт включает работы по замене или восстановлению
основных и наиболее сложных элементов при частичной или полной
разборке устройств, например, перемотка обмоток электродвигателей.
Интервалы
осмотров
и
ремонтов
устанавливаются
согласно
требованиям инструкций предприятий-изготовителей и действующими
правилами технической эксплуатации электроустановок. При составлении
графиков ремонтов необходимо учитывать план работы предприятия,
обслуживающего персонала и наличие материалов и запчастей. Полученная в
ходе осмотров информация о состоянии оборудования также может быть
использована для составления и корректировки графиков ремонтов. В случае
обнаружения критических неисправностей могут проводиться внеплановые
ремонты. Если же произошел отказ устройства, тогда проводится аварийный
ремонт.
Примером эффективности проведения осмотров и технической
диагностики оборудования является работа обходчиков-электромонтеров,
основная
деятельность
которых
состоит
в
контроле
состояния
эксплуатируемого оборудования и своевременное выявление развивающихся
дефектов в ООО УК «Татнефть-Энергосервис» [15]. План работ включает
осмотр воздушных линий электропередач (около 1200 км в месяц) и
ультразвуковое обследование изоляторов, позволяющее выявить их скрытые
дефекты. В результате
инструментального обследования 105 тысяч
изоляторов предотвращено 68 отказов воздушных линий, которые суммарно
могли бы привести к недобору нефти около 237,3 тонн.
Частичному устранению и предупреждению постепенных отказов
способствуют и такие организационные работы, как правильное оформление
и ведение документации при выполнении всех видов осмотров и ремонтов.
34
Эффективность организации работы электротехнических служб по
системе планово-предупредительных ремонтов подтверждена техникоэкономическими
расчетами
и
опытом
её
внедрения
на
различных
промышленных предприятиях. Её эффективность увеличивается по мере
увеличения масштабности системы электроснабжения. Однако, несмотря на
это, система планово-предупредительных ремонтов принята не повсеместно.
Повысить
надежность
и
срок
службы
отдельных
видов
электрооборудования возможно за счет других технических средств. К
примеру, устройства плавного пуска, комплектные пусковые устройства,
тиристорные
преобразователи
электродинамические
и
пусковые
частотные
перегрузки
регуляторы
снижают
электродвигателей
и
обеспечивают все необходимые виды их защит. Для увеличения срока
службы электропроводок в помещениях с загрязненной и химически
активной средой следует их выполнять в каналах с уплотнением выходов,
применять специальные средства изоляции мест соединения проводов и
кабелей.
При
детальном
изучении
системы
электроснабжения
ОАО
«СельхозДетальИнвест» было установлено, что на ГПП эксплуатируются
маслонаполненные выключатели как со стороны 35 кВ, так и со стороны
10 кВ. Для повышения надежности коммутационных аппаратов в этой части
схемы рациональным будет предложение об их замене на более современные
выключатели вакуумного типа. Аналогичная задача повышения надежности
отдельных
элементов
трансформаторов,
может
быть
установленных
решена
на
при
цеховых
замене
масляных
подстанциях,
на
трансформаторы сухого типа.
В
качестве
длительной
дополнительного
безаварийной
мероприятия,
эксплуатации
способствующего
отдельных
элементов,
применительно к ОАО «СельхозДетальИнвест» можно рекомендовать
жесткое соблюдение графика планово-предупредительных осмотров и
ремонтов.
35
2.2 Использование устройств релейной защиты и автоматики
Вопросы защиты от аварийных режимов являются одними из основных
при повышении безотказности и долговечности электрооборудования.
Ключевыми
элементами
в
обеспечении
надежности
систем
электроснабжения являются коммутационные аппараты и устройства
релейной защиты и автоматики. Их совместное применение позволяет
локализовать отказавший элемент, предотвратить развитие аварийной
ситуации
или подать в узел нагрузки питание от резервного источника.
Резервирование,
как
отдельный
способ
повышения
надежности
электроснабжения будет рассмотрено ниже. Важными характеристиками
коммутационных
аппаратов
являются
быстродействие
и
предельная
коммутационная способность, то есть гарантия отключения максимально
возможных токов короткого замыкания и включения аппарата на эти токи.
Необходимость применения быстродействующих устройств обусловлена
стремлением
сократить время протекания сверхтоков по токоведущим
частям оборудования при коротких замыканиях и уменьшить длительность
перерыва электроснабжения при переключении на резервный источник.
Большая выдержка времени действия резервного источника питания также
недопустима, если поставлена задача сохранить непрерывность сложных
технологических процессов на промышленных предприятиях, так как в
результате происходит выпадение из синхронизма синхронных двигателей,
опрокидывание
пускателей
асинхронных
напряжением
380
двигателей,
В,
отключение
отключение
контакторов
и
частотно-регулируемых
приводов и установок электроцентробежных насосов, сбои в работе другой
ответственной нагрузки и систем управления [16].
Длительность перерыва не должна превышать времени, необходимого
для успешного самозапуска двигателей, при этом желательно избежать
наиболее неблагоприятные для этого моменты, когда ток несинхронного
включения может вызвать разрушение обмотки статора динамическими
усилиями [16]. Как показано в [17], таким требованиям удовлетворяют
36
аппараты с дугогасительными камерами вакуумного типа, время отключения
которых составляет 0,05 — 0,075 с. Вакуумные выключатели также
считаются и самыми надежными и обладают большим перечнем достоинств:
имеют небольшие габариты и простую конструкцию, не содержат сжатого
воздуха или трансформаторного масла, взрывобезопасны, не оказывают
ударной
нагрузки
на
фундамент,
обладают
высокой
скоростью
восстановления прочности дугогасительного промежутка и значительным
коммутационным ресурсом (50 000 — 100 000 при номинальных токах и 100
при отключении токов короткого замыкания) [18].
В особых случаях требуется использование сверхбыстродействующих
аппаратов, быстродействие которых на порядок выше обычных. К ним
относятся коммутационные аппараты с пиротехническим (взрывным)
приводом, конструкции и принцип действия которых рассмотрен в [19].
Однако скорость переключения на резервный источник определяется
не
только
быстродействием
коммутационного
аппарата,
но
и
быстродействием автоматики. Ускорение действия автоматического ввода
резерва при коротких замыканиях повышает надежность электроснабжения
электроприемников первой категории, допускающих кратковременный
перерыв в электроснабжении на время срабатывания защит и действия
автоматики
[20].
На
ответственных
объектах
эксплуатируются
быстродействующие АВР, применение которых позволяет снизить время
цикла переключения с величины 0,7÷5 с до 0,04÷1 с [21]. Также
разрабатываются новые решения для сокращения времени переключения,
например, устройство тиристорное автоматического включения резерва
УТВР [22].
Коммутационные аппараты, с одной стороны, в нормальном режиме
несут нагрузку и относятся к элементам силовой электрической цепи. Так как
ни один аппарат не обладает 100 % надежностью, то к ним применимо
понятие отказа. Нарушение работы самого аппарата, например, перегрев
контактов или пробой изоляции, называется статическим. С другой стороны,
37
сигнал на срабатывание аппаратов подается от устройств релейной защиты и
автоматики, поэтому его можно рассматривать как часть этой подсистемы.
Если аппарат не срабатывает из-за неисправности релейной защиты, то такой
отказ называется отказом функционирования. К релейной защите, как
подсистеме, предъявляются дополнительные специфичные требования:
чувствительность и селективность (избирательность). Чувствительность –
это способность отключения всех аварийных режимов в защищаемой зоне, а
селективность – действие защиты с четким срабатыванием при повреждениях
в защищаемой зоне и четким несрабатыванием при повреждениях вне зоны.
С учетом этого отказы функционирования могут происходить из-за ложных
срабатываний (отсутствие аварии в зоне защиты), излишних срабатываний
(авария вне зоны защиты) и отказах в срабатывании (авария на защищаемом
объекте).
Таким образом, замена масляных выключателей на вакуумные на ГПП
предприятия ОАО «СельхозДетальИнвест» способствует также повышению
быстродействия защит, что положительно влияет на надежность
как
отдельных элементов, так и всей системы электроснабжения в целом.
Повышение эффективности работы и надежности самой релейной защиты и
автоматики (АВР) на исследуемом предприятии может быть достигнуто при
переходе на современные микропроцессорные модули.
2.3 Резервирование
Относительно надежная система может быть построена на основе
малонадежных элементов. Построение такой системы основано на принципе
резервирования элементов. Резервирование – повышение надежности
введением
избыточности,
применение
дополнительных
средств
и
возможностей с целью сохранения работоспособного состояния системы при
отказе одного или нескольких её элементов. За счет резервирования можно
снизить недоотпуск электроэнергии до нуля и одновременно обеспечить
проведение плановых ремонтов без отключения потребителей. К тому же,
38
введение дополнительных элементов более выгодно экономически, чем
повышение надежности отдельно взятых элементов. Таким образом, это
самое эффективное средство повышения надежности.
Если надежность повышают за счет
использования избыточных
элементов структуры объекта, то есть элементов, которые не являются
необходимыми для выполнения объектом своих функций, то такое
резервирование называется структурным. Если надежность повышают путем
использования способности элемента выполнять дополнительные функции,
то есть за счет перераспределения функций, то такое резервирование
называется функциональным. Резервное оборудование может вводиться в
работу либо автоматически, либо путём переключений оперативным
персоналом.
Также в электроэнергетике находит место временное резервирование,
которое подразумевает создание запаса времени, необходимого для
выполнения
технологических
функций
объекта
в
случае
отказа
в
работоспособности основной питающей линии. В течение созданного
временного запаса происходит возобновление функционирования системы.
Один из способов временного резервирования – использование накопителей
энергии (например, дизельный генератор с ограниченным запасом топлива).
Выбор типа накопителя, его мощности и ресурса работы зависит от
эксплуатационных параметров резервируемой системы [23].
Структурное резервирование может быть выполнено двумя способами.
В случае общего резервированию подлежит вся система, а при раздельном
резервируются отдельные элементы. В зависимости от способа включения
резервных элементов выделяют постоянное и резервирование замещением
[10], каждое из которых обладает достоинствами и недостатками. При
постоянном резервировании для введения в работу резервного элемента не
требуется специальных устройств, так как он включается в работу
одновременно с основным. Резервирование замещением заключается в том,
что резервный элемент включается в работу только при отказе основного.
39
Если резервный элемент замещает любой отказавший из нескольких
основных, такое резервирование называется скользящим и рассматривается
как разновидность резервирования замещением.
Достоинством
постоянного
резервирования
является
простота,
поскольку нет необходимости в контролирующих приборах для обнаружения
факта отказа основного элемента и переключающих устройств для
перекоммутации с основного элемента на резервный. Главный недостаток
заключается в нарушении режима работы резервных элементов при отказе
основных. Достоинства постоянного резервирования являются недостатками
резервирования замещением и наоборот.
По характеру режима работы резервных элементов выделяют
нагруженный (горячий), облегченный (теплый) и ненагруженный (холодный)
резервы. В первом случае резервный элемент работает наравне с основным, и
его ресурс начинает расходоваться с момента включения в работу всей
системы. Во втором случае резервный элемент также находится в работе, но
его режим менее нагружен. В качестве примера можно привести работающий
на холостом ходу генератор. Для такого генератора ресурс расходуется с
момента включения системы, также как и при горячем резерве, но
интенсивность снижения ресурса значительно меньше, чем при номинальной
нагрузке. При холодном резерве дополнительные элементы обычно
отключены и начинают расходовать свой ресурс только после включения их
вместо
основных.
Наличие
холодного
складского
резерва
электрооборудования способствует снижению длительности ремонтновосстановительных работ, а, следовательно, перерывов электроснабжения.
При этом резервное оборудование должно находиться в исправном
состоянии, в том числе за счет организации системы проведения плановопредупредительных ремонтов и технического обслуживания.
Резервирование источников энергии является главным принципом
обеспечения бесперебойности электроснабжения и учитывается на этапе
проектирования
при
выборе
схемы
электроснабжения
предприятия.
40
Основной критерий этого выбора заключается в составе электроприемников.
Надежные схемы электроснабжения строятся по принципу секционирования
всех элементов СЭС. При большой мощности нагрузок первой и второй
категорий
питание
двухтрансформаторных
подстанций
радиальными
линиями осуществляется от разных секций сборных шин распределительных
пунктов или главных понизительных подстанций (ГПП). При применении
радиальных схем осуществляется глубокое секционирование всей системы,
начиная от основных центров питания и кончая сборными шинами
напряжением 0,4 кВ цеховых подстанций с установкой на секционных
выключателях устройств АВР при необходимости.
Анализ системы электроснабжения ОАО «СельхозДетальИнвест»
показал, что и для этого предприятия резервирование источников является
основным типом резервирования. При этом полностью соблюдаются
требования к построению таких схем. Во-первых, предусмотрены два
независимых взаиморезервируемых источника питания. Во-вторых, имеется
автоматический ввод резерва и автоматическое повторное включение,
поскольку допускается перерыв в подаче электроэнергии на время
автоматического
восстановления
подачи
питания.
В третьих, схема
построена в соответствии с принципом секционирования, имеется глубокое
резервирование на уровне 0,4 кВ.
Для потребителей второй категории автоматика избыточна, так как
допускается
кратковременный
перерыв
на
время,
необходимое
для
включения резервного питания действиями дежурного персонала или
выездной оперативной бригады. Интерес с точки зрения надежности
вызывает особая группа первой категории надежности, так как для
обеспечения бесперебойности здесь требуется применение максимально
возможных средств. Стандартным, но не единственным средством для
электроприемников этой группы является третий независимый источник. В
качестве третьего источника могут применяться линии электропередачи от
ТЭЦ или соседней подстанции, не связанной с подстанцией основной схемы
41
электроснабжения или агрегаты резервного питания. Наименее значимые
потребители третьей категории подключаются только к одному источнику,
то есть резервирование источника не предусматривается.
Автономный
источник может быть применен
не только
для
потребителей первой категории, но и для потребителей, удаленных от
центров питания. Так для удаленных сельских районов предлагается
применение
комплексной
системы
электроснабжения
с
несколькими
источниками энергии. Рекомендуется, чтобы один из источников был
возобновляемым.
Он
должен
устанавливаться
непосредственно
у
потребителя, и параллельно ему должен включается накопитель энергии [24].
Накопители условно делятся на два класса: с последующей отдачей энергии в
течение длительного промежутка времени (более 10 минут) и с последующей
отдачей энергии в течение короткого промежутка времени (менее 10 минут).
К
первым
относятся
гидроаккумулирующие
электрические
станции,
воздушно-аккумулирующие электрические станции, химические накопители
(аккумуляторные батареи).
К накопителям второго типа относятся механические накопители и
суперконденсаторы. Последние на текущем этапе своего развития пока не
могут быть применены даже для маломощных потребителей.
Еще один метод повышения надежности заключается в резервировании
по перегрузочной способности. Режимы перегрузки особенно важны при
повреждениях или отключениях линий, трансформаторов, секций шин,
отдельных аппаратов. Выбор элементов должен осуществляться так, чтобы
протекающие в аварийных режимах токи не приводили в течение заданного
времени к отказам данного оборудования. Так, в ходе исследований
установлено, что кратковременная (до 2-2,5 ч) перегрузочная способность
выключателей ВН может быть принята равной 125 % номинальной, а
перегрузка воздушных линий возможна практически всегда при сохранении
нормального габарита до земли и составляет 30-35 % [18]. Выбор числа и
мощности
трансформаторов
осуществляется
также
с
учетом
их
42
перегрузочной
способности.
Более
детально
данный
вопрос
будет
рассмотрен ниже.
В крупных электроэнергетических системах дополнительным методом
поддержания их устойчивости и надежности является создание резервов
генерирующей мощности. Выбор резервных мощностей и мест их
расположения в современной электроэнергетической системе России
представляет собой актуальную проблему.
Повышение надежности устройств релейной защиты и автоматики
выполняется также за счет введения избыточности. Временная избыточность
характеризуется периодом времени, в течение которого отказавший элемент
релейной защиты не приводит к отказу электроснабжения защищаемого
объекта. Предположим, в каком-либо элементе релейной защиты произошел
сбой (самоустраняемый отказ), или возникла неисправность, которые не
позволяют правильно сработать при коротком замыкании. Если до
самоустранения сбоя или устранения неисправности не возникло коротких
замыканий, то сбой или не исправность не перерастут в отказ линии
(системы). Таким образом, временная избыточность определяется как
разница
моментов
времени
возникновения
короткого
замыкания
и
возникновения неисправности защиты. Структурную избыточность в
релейной защите принято называть схемной. Для повышения надежности ее
срабатывания или несрабатывания дублируют пусковые и исполнительные
органы. Характерным примером схемной избыточности является включение
токовых реле через трансформаторы тока в трех фазах высоковольтной
линии, тогда как достаточно только двух в схеме токовой отчески. Также
имеет место и функциональная избыточность, которая обеспечивается
взаимным
резервированием
различных
устройств
защиты
данного
присоединения или защит, установленных ближе к источнику питания, но
реагирующих на те же виды повреждений [4]. Например, функций токовой
отсечки мажет выполнить максимальная токовая защита с большей
выдержкой времени.
43
В литературе [25-29] упоминаются и другие, более специфические
способы повышения надежности, например,
применение четырехфазных
линий электропередач.
2.4 Учет надежности при выборе мощности трансформаторов
подстанций
От правильного выбора числа и мощности трансформаторов зависит
надежность всей системы электроснабжения. Выбор их числа зависит от
уровня системы и категории надежности. Также учитывается характер
электроприемников, подключаемых к шинам подстанций.
На ГПП обычно устанавливаются два трансформатора. Один может
быть в случае, когда есть возможность быстрого восстановления подачи
напряжения по низкой стороне (от генераторов или других источников).
Установка трех трансформаторов может быть рекомендована при наличии
электроприемников особой группы или крупных электроприемников с
резкопеременным и ударным характером нагрузки.
Для цеховых трансформаторных подстанций (ТП) выбор количества
зависит
от категории надежности электроприемников, удельной плотности
нагрузки, числа рабочих смен. Один трансформатор выбирается для
электроприемников третьей категории, так как для них резервирование не
предусматривается. При наличии резервирования по низкой стороне один
трансформатор может быть выбран и для потребителей второй категории.
Выбор
двух
трансформаторов
имеет
смысл
при
преобладании
электроприемников первой и второй категорий, а также для
объектов
общезаводского назначения (насосные и компрессорные станции, газовое
хозяйство и др.) [4].
Мощность трансформаторов выбирается по
коэффициентам их
загрузки kз, которые, в свою очередь, определяются в зависимости от числа
трансформаторов и расчетной нагрузке объекта. При преобладании нагрузок
первой категории при двухтрансформаторной подстанции kз лежит в
44
диапазоне 0,65…0,7;
при преобладании нагрузок второй категории при
однотрансформаторной
подстанции
и
взаимном
резервировании
трансформаторов по связям вторичного напряжения kз равен 0,7…0,8; при
преобладании нагрузок второй и третьей категории при наличии резерва
трансформаторов kз равен 0,9…0,95; при преобладании нагрузок первой и
второй категории и взаимном резервировании трех трансформаторов,
питающихся от трех источников, kз равен 0,93 [4].
Для ОАО «СельхозДетальИнвест» выполнена проверка коэффициентов
загрузки цеховых трансформаторов и трансформаторов ГПП с учетом
текущей загрузки производственных мощностей. Для этого выполнен расчет
электрических нагрузок предприятия по методикам, приведенным в [30-33].
Промежуточные результаты сведены в таблицы А.2 – А.6. В таблице 2.1
представлены
полученные
коэффициенты
загрузки
цеховых
трансформаторов в нормальном и аварийных режимах работы.
Таблица
2.1
–
Фактические
коэффициенты
загрузки
цеховых
трансформаторов ОАО «СельхозДетальИнвест»
№ ТП
Подключенные
цехи
Sсм
N
Sном
кВ·А
шт.
кВ·А
KЗ.ном
KЗ.ав
1
8, 9
657,888
2
630
0,52
1,04
2
1, 4, 13, 14, 16, 17
512,653
2
400
0,64
1,28
3
2, 10, 12
456,958
2
400
0,57
1,14
4
3, 5, 6, 7, 11, 15
382,161
2
400
0,48
0,96
На ГПП предприятия установлены трансформаторы типа ТМ-160035/10 номинальной мощностью 1600 кВ·А. По результатам расчетов полная
нагрузка предприятия составила 1733,44 кВ·А. Тогда коэффициенты в
нормальном и аварийных режимах равны:
kз =
Sсм
,
2  Sном.тр
(2.1)
45
k з.ав =
kз =
Sсм
Sном.тр
,
(2.2)
1733,44
= 0,54,
2  1600
k з.ав =
1733,44
= 1,08.
1600
Полученные в результате проверки коэффициенты загрузки цеховых
трансформаторов не только не превышают допустимые пределы, но и
значительно
ниже
их.
Это
свидетельствует
о
том,
что
на
ОАО
«СельхозДетальИнвест» предусмотрено резервирование по пропускной
способности. Замена трансформаторов на более мощные не требуется.
ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ
Проведен анализ основных способов обеспечения и повышения
надежности производственных предприятий. К ним относятся: повышение
надежности отдельных элементов системы, использование устройств
релейной защиты и автоматики и резервирование. Рассмотрена возможность
использования
каждого
метода
для
ОАО
«СельхозДетальИнвест».
Дополнительно проведено исследование наличия резерва по пропускной
способности
надежности
трансформаторов,
системы
который
электроснабжения.
косвенно
По
свидетельствует
результатам
о
проверки
коэффициентов загрузки трансформаторов установлено, что резерв для
трансформаторов ГПП в нормальном режиме составляет 22,85 %.
46
3 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ АНАЛИЗА
НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЯ
Целью анализа является определение количественных показателей
надежности системы электроснабжения ОАО «СельхозДетальИнвест». Для
проведения такого анализа необходимо иметь математическую модель
надежности, для получения которой могут выбираться те или иные методы.
Выбор метода зависит от сложности анализируемой системы, имеющихся
исходных данных и необходимости учета особых событий.
Исследуемая схема электроснабжения (рисунок 1.3) включает в свой
состав
элементы,
восстанавливаемым,
которые
полноценно
поэтому
при
анализе
могут
быть
необходимо
отнесены
к
использовать
статистические показатели надежности, такие как время восстановления. К
особым
событиям
относятся
плановые
ремонты,
проводимые
на
параллельном выключенном втором участке схемы при работающем первом.
Если во время ремонтных работ произойдет авария на первом участке, то это
приведет к отключению части цехов. Поэтому такие события необходимо
учитывать.
С учетом отмеченных обстоятельств, а также с учетом достаточной
сложности схемы построение математической модели может быть выполнено
на основе аналитического метода.
3.1 Построение аналитической математической модели
3.1.1 Составление схем замещения по надежности
Для исследования надежности электроснабжения потребителей (цехов)
ОАО «СельхозДетальИнвест» аналитическим методом необходимо составить
структурную схему (замещения), которая отражает логику связей элементов
с точки зрения надёжности работы всего объекта или с точки зрения его
отказа. Наиболее часто электрическая принципиальная схема совпадает со
схемой замещения по надежности, на которой замещаемые элементы также
47
соединяются последовательно и/или параллельно. В редких случаях
необходимо использовать более сложные способы соединения структурных
блоков. После составления схемы замещения она «сворачивается» путем
использования
соответствующих
формул в зависимости
от способа
соединения на текущем этапе свертки элементов и используемых в расчете
статистических или вероятностных показателей надежности. Для упрощения
процедуры свертки используется ряд перечисленных ниже допущений [4].
1. Перерывы электроснабжения по продолжительности отключений
делятся
на
два
вида
–
длительные,
связанные
с
ремонтно-
восстановительными работами, и кратковременные, ликвидируемые путем
оперативных переключений в схеме.
2. Устройства релейной защиты считаются действующими безотказно,
и устраняемые действием АПВ и АВР перебои не учитываются.
3. Расчетные схемы для всех видов отключений составляются отдельно
для каждого потребителя или группы потребителей.
4. Расчетные схемы для кратковременных отключений содержат только
элементы, отказ которых вызывает немедленное автоматическое отключение
данного потребителя или группы потребителей релейной защитой. В
расчетной схеме эти элементы соединяются в последовательную цепь, а
параллельные ветви не учитываются.
5. Для длительных отключений схемы замещения содержат как
последовательные, так и параллельные цепи и включают в себя источники
питания, линии электропередачи, трансформаторы, сборные шины и
коммутационные аппараты.
6. При определении эквивалентного структурного блока, замещающего
параллельные цепи необходимо учитывать возможность совпадения отказов
элементов одной цепи с аварийными и плановыми отключениями другой.
7. Если число параллельных цепей больше двух, то они могут быть
выведены из расчетной схемы по причине малой вероятности отказов трех и
более цепей одновременно.
48
8. Если параллельные цепи имеют перемычку в виде линий,
секционных или шиносоединительных выключателей и подстанций, то
расчетные схемы составляются для режимов с включенной перемычкой (она
считается абсолютно надежной) и с отключенной перемычкой (она считается
в состоянии ремонта).
9. Одновременные отключения цепи из двух параллельных элементов в
плановый период не допускаются.
10. За время отключения элемента с большой длительностью ремонта
может быть произведен ремонт других элементов (с относительно меньшей
длительностью ремонта).
Далее рассмотрен пример составления схемы и расчета показателей
надежности для цеха № 1. Схема электроснабжения данного цеха показана на
рисунке 3.1. На схеме каждый элемент схемы, участвующий в расчете,
дополнительно пронумерован. С учетом рассмотренных рекомендаций
составлены схемы замещения по надежности для кратковременных и
продолжительных перебоев при отключенных и включенных секционных
коммутационных аппаратах (рисунок 3.2).
Принятые на рисунке 3.1 обозначения: 1, 2 – ВЛ 35 кВ; 3, 4 –
отделители; 5, 6 – короткозамыкатели; 7, 8 – трансформаторы 35/10 кВ; 9, 10,
13, 14 – масляные выключатели; 11, 12 – сборные шины 10 кВ; 15, 16 – КЛ 10
кВ; 17, 18 – трансформаторы 10/0,4 кВ; 19, 20 – линейные автоматические
выключатели 0,4 кВ; 21, 22 – кабельная линия 0,4 кВ; 23, 24 –
автоматические выключатели на вводе РУ 0,4 кВ; 25 – секционный
выключатель на шинах РУ 0,4 кВ; 26 – вводной автоматический выключатель
цеха № 1; 27 – секционный выключатель на шинах ТП.
49
Рисунок 3.1 – Однолинейная схема электроснабжения цеха № 1
50
кратковременный перебой,
кратковременный перебой,
выключатель 25 включен
выключатель 25 выключен
продолжительный перебой,
продолжительный перебой,
выключатель 25 включен
выключатель 25 выключен
Рисунок 3.2 – Схемы замещения по надежности цеха №1
Аналогичным образом составлены схемы замещения для остальных
цехов. Для этого также использована схема на рисунке 3.1, разница
заключается только в точке их присоединения к сети. Некоторые цехи,
например № 2 и 10, имеют одинаковую схему электроснабжения, поэтому
для них схема замещения по надежности также одинакова (рис. 3.3).
кратковременный перебой,
кратковременный перебой,
выключатель 27 включен
выключатель 27 выключен
продолжительный перебой,
продолжительный перебой,
выключатель 27 включен
выключатель 27 выключен
Рисунок 3.3 – Схемы замещения по надежности цехов № 2, 10
51
Исходная схема для цехов № 5, 14, 15 отличается от рисунка 3.1 тем,
что секционный выключатель 25 отсутствует, с учетом этого составлены
схемы замещения на рисунке 3.4.
кратковременный перебой,
кратковременный перебой,
выключатель 27 включен
выключатель 27 выключен
продолжительный перебой,
продолжительный перебой,
выключатель 27 включен
выключатель 27 выключен
Рисунок 3.4 – Схемы замещения по надежности цехов № 5, 14, 15
Цехи № 7 и 8 подключены к шинам своих ТП с учетом категории
надежности через две кабельные линии, что существенно отразилось на
схемах замещения (рис. 3.5)
кратковременный перебой,
кратковременный перебой,
выключатель 27 включен
выключатель 27 выключен
продолжительный перебой,
продолжительный перебой,
выключатель 27 включен
выключатель 27 выключен
Рисунок 3.5 – Схемы замещения по надежности цехов № 7, 8
52
Цехи № 9, 11, 12, 13 имеют наиболее короткую цепь подключения к
сети, так как подсоединены непосредственно к шинам своих ТП. Схемы
замещения для них показаны на рисунке 3.6.
кратковременный перебой,
кратковременный перебой,
выключатель 27 включен
выключатель 27 выключен
продолжительный перебой,
продолжительный перебой,
выключатель 27 включен
выключатель 27 выключен
Рисунок 3.6 – Схемы замещения по надежности цехов № 9, 11, 12, 13
Подстанции № 3, 4, 6, 16 и 17 наиболее удалены от источника.
Исходной схемы на рисунке 2 не достаточно для составления схем
замещения, так как на первой отсутствуют необходимые для расчета
элементы. Поэтому она должна быть дополнена фрагментом, показанным на
рисунке 3.7.
Рисунок 3.7 – Франмент схемы электроснабжения цеха № 4
53
Схемы замещения, соответствующие исходной, для цеха № 4 показаны
на рисунке 3.8.
кратковременный перебой,
кратковременный перебой,
выключатель 25 включен
выключатель 25 выключен
продолжительный перебой,
продолжительный перебой,
выключатель 25 включен
выключатель 25 выключен
Рисунок 3.8 – Схемы замещения по надежности цеха № 4
Для цехов № 3, 6, 16 и 17 наиболее близким секционным
коммутационным аппаратом является выключатель 27 (рис. 3.1), в связи с
чем схемы замещения имеют вид, показанный на рисунке 3.9.
кратковременный перебой,
кратковременный перебой,
выключатель 27 включен
выключатель 27 выключен
продолжительный перебой,
продолжительный перебой,
выключатель 27 включен
выключатель 27 выключен
Рисунок 3.9 – Схемы замещения по надежности цехов № 3, 6, 16 и 17
54
3.1.2 Анализ схем замещения по надежности
В соответствии с допущениями аналитического метода составленные
схемы замещения подлежат математическому анализу по ниже приведенным
формулам [34]. Исходными данными расчета являются интенсивности
отказов
оборудования
λ i,
время
его
восстановления
TВi,
удельная
продолжительность плановых ремонтов τплi.
Коэффициенты планового и аварийного простоя вычисляются по
формулам:
qавi =
qплi =
iTВi
8760
 плi
8760
,
(3.1)
.
(3.2)
При последовательном соединении n элементов эквивалентные
интенсивности отказов и коэффициенты простоя могут быть найдены как:
n
посл =  i ,
[1/год]
(3.3)
i =1
n
qав ( посл ) =
T
i =1
i Вi
8760
(3.4)
.
Учет параллельных связей осуществляется по формуле:
n
k
k
n
i =1
j =1
j =1
i =1
парал. =  i  q j +  i  qi ,
[1/год]
(3.5)
где n – количество последовательных элементов первой параллельной ветви;
k – количество последовательных элементов второй параллельной ветви;
qi , q j – суммарные коэффициенты простоя i-го оборудования:
n
n
i =1
i =1
 qi =  qавi + q max пл ,
[1/год]
(3.6)
где q max пл - плановый простой максимальной продолжительностью среди n
элементов, соединенных последовательно в первой параллельной ветви.
55
Последняя
величина
вычисляется
для
значения
удельной
продолжительности плановых ремонтов, которая при последовательном
соединении определяется как:
 пл ( посл )
1 n max
=  пл ,
m i =1
[ч/год]
(3.7)
где m – количество плановых ремонтов в течение ремонтного цикла;
 max пл – удельная длительность плановых ремонтов максимальная в
данном простое.
Таким образом, учитывается, что за время проведения наиболее длительного
ремонта
могут
быть
продолжительности.
Для
выполнены
второй
ремонтные
ветви
работы
величина
k
q
j =1
j
меньшей
вычисляется
аналогично.
На основании представленных формул составлены аналитические
выражения для интенсивностей отказов каждого цеха при соответствующих
видах отключения и состояния секционных выключателей.
Цех № 1.
Кратковременный перебой при включенном аппарате 25:
№1( кр.вкл.) = 25 + 26 .
[1/год]
(3.8)
Кратковременный перебой при выключенном аппарате 25:
№1( кр.выкл.) = 26 + 24 + 22 + 20 .
[1/год]
(3.9)
Продолжительный перебой при включенном аппарате 25:
№1( пр.вкл.) = 26 + (23 + 21 + 19 )(q24 + q21 + q20 ) +
+ (q23 + q21 + q19 )(24 + 21 + 20 ) + (17 + 15 + 13 +
+11 )(q18 + q16 + q14 + q12 ) + (q17 + q15 + q13 + q11 ) 
(18 + 16 + 14 + 12 ) + (5 + 7 + 9 )(q6 + q8 + q10 ) +
+(q5 + q7 + q9 )(6 + 8 + 10 ) + (1 + 3 )(q2 + q4 ) +
+ (q1 + q3 )(2 + 4 ).
[1/год]
(3.10)
56
Так как в параллельных ветвях содержится одинаковое оборудование,
то разумно предположить, что в таком случае также одинаковы и их
исходные данные по надежности, тогда:
(23 + 21 + 19 )(q24 + q21 + q20 ) = (q23 + q21 + q19 )(24 + 21 + 20 ),
(17 + 15 + 13 + 11 )(q18 + q16 + q14 + q12 ) =
= (q17 + q15 + q13 + q11 )(18 + 16 + 14 + 12 ),
[1/год]
(3.11)
[1/год]
(3.12)
(5 + 7 + 9 )(q6 + q8 + q10 ) = (q5 + q7 + q9 )(6 + 8 + 10 ),
(1 + 3 )(q2 + q4 ) = (q1 + q3 )(2 + 4 ).
С учетом этого формула (10) упрощается:
№1( пр.вкл.) = 26 + 2(23 + 21 + 19 )(q24 + q21 + q20 ) +
+ 2(17 + 15 + 13 + 11 )(q18 + q16 + q14 + q12 ) +
+2(5 + 7 + 9 )(q6 + q8 + q10 ) + 2(1 + 3 )(q2 + q4 ).
Продолжительный перебой при выключенном аппарате 25:
№1( пр.выкл.) = 26 + 24 + 22 + 20 + 2(23 + 21 + 19 ) 
(q24 + q21 + q20 ) + 2(17 + 15 + 13 + 11 )(q18 + q16 + q14 + q12 ) +
[1/год]
(3.13)
+ 2(5 + 7 + 9 )(q6 + q8 + q10 ) + 2(1 + 3 )(q2 + q4 ).
Цехи № 2, 10.
Кратковременный перебой при включенном аппарате 27:
№ 2( кр.вкл.) = 24 + 22 + 20 + 27 .
[1/год]
(3.14)
Кратковременный перебой при выключенном аппарате 27:
№ 2( кр.выкл.) = 24 + 22 + 20 + 18 + 16 + 14 + 12 .
[1/год]
(3.15)
Продолжительный перебой при включенном аппарате 27 записывается
с учетом упрощения (3.11):
№ 2( пр.вкл.) = 24 + 22 + 20 + 2(17 + 15 + 13 + 11 ) 
(q18 + q16 + q14 + q12 ) + 2(5 + 7 + 9 )(q6 + q8 + q10 ) +
[1/год]
(3.16)
+ 2(1 + 3 )(q2 + q4 ).
Продолжительный перебой при выключенном аппарате 27:
№ 2( пр.выкл.) = 24 + 22 + 20 + 18 + 16 + 14 + 12 +
+2(5 + 7 + 9 )(q6 + q8 + q10 ) + 2(1 + 3 )(q2 + q4 ).
[1/год]
(3.17)
57
Цехи № 5, 14, 15.
Кратковременный перебой при включенном аппарате 27:
№5( кр.вкл.) = 26 + 24 + 22 + 20 + 27 .
[1/год]
(3.18)
Кратковременный перебой при выключенном аппарате 27:
№5( кр.выкл.) = 26 + 24 + 22 + 20 + 18 + 16 + 14 + 12 .
[1/год]
(3.19)
Продолжительный перебой при включенном аппарате 27 записывается
с учетом упрощения (3.11):
№ 5( пр.вкл.) = 26 + 24 + 22 + 20 + 2(17 + 15 + 13 + 11 ) 
 (q18 + q16 + q14 + q12 ) + 2(5 + 7 + 9 )(q6 + q8 + q10 ) +
[1/год]
(3.20)
+ 2(1 + 3 )(q2 + q4 ).
Продолжительный перебой при выключенном аппарате 27:
№ 5( пр.выкл.) = 26 + 24 + 22 + 20 + 18 + 16 + 14 + 12 +
+2(5 + 7 + 9 )(q6 + q8 + q10 ) + 2(1 + 3 )( q2 + q4 ).
[1/год]
(3.21)
Цехи № 7, 8.
Кратковременный перебой при включенном аппарате 27:
№7( кр.вкл.) = 27 .
[1/год]
(3.22)
Кратковременный перебой при выключенном аппарате 27:
№7( кр.выкл.) = 17 + 15 + 13 + 11 + 12 + 14 + 15 + 18 .
[1/год]
(3.23)
Продолжительный перебой при включенном аппарате 27 записывается
с учетом упрощения (3.11):
№ 7( пр.вкл.) = 2(23 + 21 + 19 )  (q24 + q22 + q20 ) +
+ 2(17 + 15 + 13 + 11 )(q18 + q16 + q14 + q12 ) +
[1/год]
(3.24)
+2(5 + 7 + 9 )(q6 + q8 + q10 ) + 2(1 + 3 )(q2 + q4 ).
Продолжительный перебой при выключенном аппарате 27:
№ 7( пр.выкл.) = 2(23 + 21 + 19 + 17 + 15 + 13 + 11 ) 
 (q24 + q22 + q20 + q18 + q16 + q14 + q12 ) +
+ 2(5 + 7 + 9 )(q6 + q8 + q10 ) + 2(1 + 3 )(q2 + q4 ).
Цехи № 9, 11, 12, 13.
[1/год]
(3.25)
58
Кратковременный перебой при включенном аппарате 27:
№9( кр.вкл.) = 27 + 19 .
[1/год]
(3.26)
Кратковременный перебой при выключенном аппарате 27:
№9( кр.выкл.) = 19 + 17 + 15 + 13 + 11.
[1/год]
(3.27)
Продолжительный перебой при включенном аппарате 27 записывается
с учетом упрощения (3.11):
№ 9( пр.вкл.) = 19 + 2(17 + 15 + 13 + 11 )(q18 + q16 + q14 + q12 ) +
+ 2(5 + 7 + 9 )(q6 + q8 + q10 ) + 2(1 + 3 )(q2 + q4 ).
[1/год]
(3.28)
Продолжительный перебой при выключенном аппарате 27:
№ 9( пр.выкл.) = 19 + 17 + 15 + 13 + 11 +
+2(5 + 7 + 9 )(q6 + q8 + q10 ) + 2(1 + 3 )(q2 + q4 ).
[1/год]
(3.29)
Цех № 4.
Кратковременный перебой при включенном аппарате 25:
№ 4( кр.вкл.) = 25 + 26 + 29 + 30 .
[1/год]
(3.30)
Кратковременный перебой при выключенном аппарате 25:
№ 4( кр.выкл.) = 20 + 22 + 24 + 26 + 29 + 30 .
[1/год]
(3.31)
Продолжительный перебой при включенном аппарате 25 записывается
с учетом упрощения (3.11):
№ 4( пр.вкл.) = 29 + 30 + 26 + 2(23 + 21 + 19 )  (q24 + q22 + q20 ) +
+ 2(17 + 15 + 13 + 11 )(q18 + q16 + q14 + q12 ) +
[1/год]
(3.32)
+ 2(5 + 7 + 9 )(q6 + q8 + q10 ) + 2(1 + 3 )(q2 + q4 ).
Продолжительный перебой при выключенном аппарате 25:
№ 4( пр.выкл.) = 29 + 30 + 26 + 24 + 22 + 20 +
+ 2(17 + 15 + 13 + 11 )(q18 + q16 + q14 + q12 ) +
+2(5 + 7 + 9 )(q6 + q8 + q10 ) + 2(1 + 3 )(q2 + q4 ).
Цехи № 3, 6, 16, 17.
[1/год]
(3.33)
59
Кратковременный перебой при включенном аппарате 27:
№3( кр.вкл.) = 27 + 20 + 22 + 24 + 26 + 29 + 30 .
[1/год]
(3.34)
Кратковременный перебой при выключенном аппарате 27:
№3( кр.выкл.) = 12 + 14 + 16 + 18 + 20 + 22 + 24 + 26 + 29 + 30 .
[1/год]
(3.35)
Продолжительный перебой при включенном аппарате 27 записывается
с учетом упрощения (3.11):
№ 3( пр.вкл.) = 20 + 22 + 24 + 26 + 29 + 30 +
+ 2(17 + 15 + 13 + 11 )(q18 + q16 + q14 + q12 ) +
[1/год]
(3.36)
+2(5 + 7 + 9 )(q6 + q8 + q10 ) + 2(1 + 3 )(q2 + q4 ).
Продолжительный перебой при выключенном аппарате 27:
№ 3( пр.выкл.) = 12 + 14 + 16 + 18 + 20 + 22 + 24 + 26 +
+29 + 30 + 2(5 + 7 + 9 )(q6 + q8 + q10 ) + 2(1 + 3 )(q2 + q4 ).
[1/год]
(3.37)
После определения интенсивностей отказов для каждого цеха
становится
возможным
определить
результирующий
коэффициент
аварийного простоя:
qi ав =
где Tкр и Tпр
i ( кр )Tкр + i ( пр )Tпр
8760
[1/год]
,
(3.38)
– время устранения кратковременных и продолжительных
перебоев соответственно. [4]
Результирующий коэффициент аварийного простоя наряду с другими
показателями
надежности
используется
при
проведении
технико-
экономических расчетов. Обычно с его помощью определяется ущерб от
недоотпуска электроэнергии.
3.2 Экономико-математические модели для оптимизации надежности
электроснабжения
На стадии проектирования электрических сетей или при модернизации
в процессе эксплуатации важно принимать правильные и обоснованные
60
технические решения
для
обеспечения
или повышения
надежности
электроснабжения. Их выбор обычно зависит от многих факторов, поэтому
существует множество методик принятия решений и критериев сравнения. В
условиях рыночной экономики также необходимо учитывать и временной
фактор. Такая задача возникает, если приток и отток капитала распределен
по времени срока эксплуатации объекта, и прибыль, полученная в начальный
период, предпочтительнее прибыли, полученной позднее [2]. Оценка
проектов в этих условиях может быть сделана на основе чисто
экономических показателей: нормы дисконта, чистого дисконтированного
дохода, индекса доходности и т.д.
Применительно к электроэнергетике чистый дисконтированный доход
(ЧДД) может быть вычислен по формуле:
n
ЧДД = 
m =1
Д m − Иm − Km − Уm
,
(1 + E )m
[руб.]
(3.39)
где Дm – суммарный доход m-ом году, руб.;
Иm – годовые эксплуатационные расходы, руб.;
Кm – капитальные вложения, руб.;
Уm ‒ ущерб (с учетом или без учета риска), руб.;
n – расчетный срок инвестиционного проекта, лет.
К реализации принимается вариант с наибольшим ЧДД.
Методика
расчета
стоимости
капитальных
вложений
и
эксплуатационных издержек описана в [34].
Суммарный
рассматривается
доход
как
Дm
доход
для
от
энергоснабжающих
реализации
организаций
электроэнергии.
Для
промышленных предприятий Д m ‒ это доход от реализации продукции. По
этой причине непосредственное использование ЧДД как критерия сравнения
может быть выбрано тогда, когда рассматриваются проекты, улучшающие
качество продукции. Если же проекты направлены только на повышение
61
надежности электроснабжения без улучшения качества продукции, то оценка
по этой методике дает отрицательный результат.
Более
корректно
в
этом
случае
считать
доходом
стоимость
электроэнергии в затратах на производство конечного продукта. Для
базового проекта ЧДД при этом равна нулю, а к реализации рекомендуется
проект с положительным ЧДД.
В том случае, когда затраты на реализацию проекта делаются
единовременно, т.е. временной фактор устраняется, выбор вариантов
предлагается делать на основе сравнения годовых приведенных затрат. Такой
подход считается более подходящим для плановой экономики, которая
существовала в СССР, но с указанным допущением он рекомендуется и в
современной литературе [35, 36]. При этом годовые приведенные затраты
вычисляются по формуле:
З = И + K +У .
[руб.]
(3.40)
В качестве критерия сравнения также может выступать срок
окупаемости.
На практике встречаются и более сложные способы оценки проектов, в
основном они являются комплексными (интегральными) [2].
В рассмотренных подходах принятия проектных решений фигурирует
величина ущерба У, подразумевающего различные дополнительные затраты,
связанные с прекращением подачи электроэнергии. В работе [37] показано,
что
точная
оценка
ущерба
является
сложной
задачей,
а
также
проанализированы основные существующие подходы к ее решению. Так,
достаточно точным методом прогнозирования, учитывающим основные
аспекты отключения электроэнергии, следует считать расчет по удельным
показателям:
r
У полн
= (У 0r + Уtr1  T1 )P r + Уtr2  T2 ,
[руб.]
(3.41)
62
где
–
r
У полн
ущерб
от
прогнозируемой
аварии
с
перерывом
в
перерыва
в
электроснабжении, руб.;
У 0r
–
удельный
ущерб,
связанный
с
фактом
электроснабжении объекта r-й категории потребителей, руб./кВт;
У tr1 – удельный ущерб, связанный с длительностью перерыва в
электроснабжении потребителей, руб./кВт·ч.;
У tr2 – удельный ущерб, связанный с ремонтными работами, руб./ч.;
Pr – величина отключаемой мощности, кВт;
T1 – максимальные длительности перерыва электроснабжения, ч;
T2 – длительность ремонтно-восстановительных работ объекта r-го
типа, ч.
Сведения
об
удельных
ущербах
предприятий
по
отраслям
промышленности приводятся в [4].
Близким к рассмотренному является метод, также основанный на
удельных показателях и часто встречающийся в учебной и справочной
литературе [4, 35, 36]:
У = Э  У 0 = У1 + У 2 .
[руб.]
(3.42)
где Э - ожидаемый недоотпуск энергии, вызванный перебоями, кВт·ч;
У1
– ущерб, вызванный внезапными отключениями (нарушение
технологических процессов, брак продукции, выход из строя оборудования),
руб.;
У 2 – ущерб, определяемый продолжительностью отключения, руб.
Для объектов, авария в системе электроснабжения которых приводит к
полному
отключению
электроэнергии,
математическое
ожидание
недоотпуска может быть найдено как:
Э = PM TM qав ,
где PM – максимальная нагрузка объекта, кВт;
[кВт·ч]
(3.43)
63
TM – время использования максима нагрузки в течение года, ч;
qав – коэффициент аварийного (вынужденного) простоя, вычисляемый по
формуле (38).
Для рассматриваемого объекта исследования более удобна экономикоматематическая модель на основе приведенных годовых затрат с учетом
ущерба от перерыва электроснабжения (3.40), (3.42), (3.43).
ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ
С учетом степени сложности исследуемой системы электроснабжения
для анализа ее надежности выбран аналитический метод. На его основе
получены
соотношения,
позволяющие
определить
коэффициенты,
а
следовательно, и продолжительности аварийного простоя каждого цеха.
Полученные
в
предполагается
результате
использовать
анализа
при
параметры
проведении
надежности
далее
технико-экономических
расчетов на стадии обоснования решений, направленных на дальнейшее
повышение надежности исходной схемы электроснабжения объекта. Сами
технико-экономические расчеты могут быть выполнены с помощью
экономико-математической модели по приведенным годовым затратам с
учетом ущерба.
64
4 АНАЛИЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЯ И РАЗРАБОТКА
РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ЕЕ ПОВЫШЕНИЮ
4.1 Анализ надежности схемы электроснабжения
Определим параметры надежности существующей схемы (рисунок 1.3)
электроснабжения для каждого цеха предприятия по полученным ранее
выражениям для интенсивностей отказов. Значения интенсивностей отказов
λi, времени восстановления TВi и удельной продолжительности плановых
ремонтов
τплi.
для
эксплуатируемого
силового
электрооборудования
приведены в таблице 4.1 и определены по справочным данным [38].
Таблица 4.1 – Исходные данные для расчета надежности
№ Наименование № на
п.п. оборудования схеме
замещения
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
2
Воздушная
линия 35 кВ
Отделители
Короткозамыкатели;
Трансформаторы 35/10 кВ
Масляные
выключатели
Сборные
шины 10 кВ
Кабельная
линия 10 кВ
Трансформаторы 10/0,4 кВ
Линейные
автоматические
выключатели
0,4 кВ
ИнтенсивВремя
ность
восстановотказов
λi, ления TВi, ч
-1
год
3
4
5
Удельная
Продолжительность плановых
ремонтов τплi,
ч/год
6
1, 2
0,500
8
30
3, 4
0,030
3
5
5, 6
0,015
5
6
7, 8
0,015
120
30
9, 10,
13, 14
0,009
16
20
11, 12
0,020
6
3
15, 16
табл. 2
10
8
17, 18
0,030
80
12
19, 20
0,010
3
4
65
Окончание табл. 4.1
1
10
11
12
13
14
15
2
3
Кабельная
21, 22,
линия 0,4 кВ
29
Автоматические
выключатели 23, 24
на вводе РУ
0,4 кВ
Секционный
выключатель
25
на шинах РУ
0,4 кВ
Вводной
выключатель
26, 30
i-го цеха
Секционный
выключатель
27
на шинах ТП
Секционный
выключатель
28
на шинах РУ
10 кВ
4
5
6
табл. 3
16
8
0,010
4
3
0,010
4
2
0,009
2,5
2
0,010
4
2
0,009
16
14
Интенсивность отказов кабельных линий вычисляется в зависимости от
их длины по формуле:
КЛ i = КЛ уд  l ,
[1/год]
(4.1)
где КЛ уд – удельная интенсивность отказов кабельной линии, принимается
равной 10 год-1 на 100 км длины [38] для линий 0,4 кВ и 4 год-1 на 100 км
длины [38] для линий 10 кВ;
l – длина линии, км.
Результаты расчета интенсивностей отказов кабельных линий 0,4 кВ и
10 кВ приведены в таблицах 4.2 и 4.3.
66
Таблица 4.2 – Интенсивности отказов кабельных линий 10 кВ
Линия 10 кВ, питающая
ТП с номером
1
2
3
4
Длина, км
КЛ уд , год-1 КЛ , год-1
на 100 км
0,130
0,096
0,031
0,080
4
0,520
0,384
0,124
0,320
Таблица 4.3 – Интенсивности отказов кабельных линий 0,4 кВ
Линия 0,4 кВ, питающая Длина, км
КЛ уд , год-1 КЛ , год-1
на 100 км
Цех № 8
РУ-1
Цех № 4
РУ-2
Цех № 16
Цех № 17
Цех № 2
Цех № 10
Цех № 7
РУ-3
РУ-4
Цех № 3
Цех № 6
0,060
0,047
0,049
0,072
0,051
0,030
0,052
0,053
0,041
0,030
0,029
0,044
0,066
10
0,60
0,47
0,49
0,72
0,51
0,30
0,52
0,53
0,41
0,30
0,29
0,44
0,66
Для каждого вида электрооборудования найдены коэффициенты
аварийного простоя. Результаты расчета сведены в таблицу 4.4.
№
п.п.
1
1
2
3
4
5
6
7
Таблица 4.4 – Коэффициент аварийного простоя оборудования
№ оборудования λi, год-1 TВi, ч Коэффициент аварийного
на
схеме
простоя (формула 3.1)
замещения
2
3
4
5
1, 2
0,500
8
0,000457
3, 4
0,030
3
0,000010
5, 6
0,015
5
0,000009
7, 8
0,015
120
0,000205
9, 10, 13, 14
0,009
16
0,000016
11, 12
0,020
6
0,000014
15, 16
табл. 2
10
табл. 6
67
Окончание табл. 4.4
1
8
9
10
11
12
13
14
15
2
17, 18
19, 20
21, 22, 29
23, 24
25
26, 30
27
28
3
0,030
0,010
табл. 3
0,010
0,010
0,009
0,010
0,009
4
80
3
16
4
4
2,5
4
16
5
0,000274
0,000003
табл. 6
0,000005
0,000005
0,000003
0,000005
0,000016
Для кабельных линий коэффициенты аварийного простоя вычислены
отдельно, результаты приведены в таблицах 4.5 и 5.6.
Таблица 4.5 – Интенсивности отказов кабельных линий 10 кВ
Линия 10 кВ, КЛ , год-1 TВi, ч
питающая
ТП с номером
1
0,520
2
0,384
10
3
0,124
4
0,320
Коэффициент аварийного простоя
(формула 3.1)
0,0005940
0,0004380
0,0001416
0,0003650
Таблица 4.6 – Интенсивности отказов кабельных линий 0,4 кВ
№
п.п.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Линия 10 кВ,
питающая
ТП с номером
Цех № 8
РУ-1
Цех № 4
РУ-2
Цех № 16
Цех № 17
Цех № 2
Цех № 10
Цех № 7
РУ-3
РУ-4
Цех № 3
Цех № 6
КЛ ,
год-1
TВi, ч
Коэффициент
простоя
qавi =
0,60
0,47
0,49
0,72
0,51
0,30
0,52
0,53
0,41
0,30
0,29
0,44
0,66
16
аварийного
iTВi
8760
0,001096
0,000858
0,000895
0,001315
0,000932
0,000548
0,000950
0,000968
0,000749
0,000548
0,000530
0,000804
0,001205
68
Согласно полученным исходным данным ниже приведен пример
расчета интенсивности отказа цеха № 1.
Кратковременный перебой при включенном секционном выключателе
25 (формула (3.8)):
№1( кр.вкл.) = 0,01 + 0,009 = 0,019 .
Кратковременный
перебой
при
выключенном
[1/год]
секционном
выключателе 25 (формула (3.9):
№1( кр.выкл.) = 0,009 + 0,01 + 0,47 + 0,01 = 0,499 .
[1/год]
Для расчета интенсивности отказа данного цеха при продолжительном
отключении найдены суммарные коэффициенты простоя для каждой группы
последовательно соединенных элементов:
3
q24 + q21 + q20 =  qавi + q21пл = 0,000005 +
i =1
+0,000858 + 0,000003 +
8
= 0,001779;
8760
4
q18 + q16 + q14 + q12 =  qавi + q14 пл = 0,000274 +
i =1
+0,000438 + 0,000016 + 0,000014 +
20
= 0,003025.
8760
2
q6 + q8 + q10 =  qавi + q8пл = 0,000009 +
i =1
+0,000205 + 0,000016 +
30
= 0,003655;
8760
2
q2 + q4 =  qавi + q2 пл = 0,000457 + 0,000010 +
i =1
+
30
= 0,003892.
8760
Тогда интенсивность отключения цеха № 1 при включенном аппарате
25 равна (формула (3.10):
69
№1( пр.вкл.) = 0,009 + 2(0,010 + 0,47 + 0,010)  0,001779 +
+ 2(0,030 + 0,384 + 0,020 + 0,009)  0,003025 +
+2(0,015 + 0,015 + 0,009)  0,003655 + 2(0,030 + 0,5) 
0,003892=0,017.
[1/год]
Для случая продолжительного перебоя при выключенном аппарате 25
получено (формула (3.11):
№1( пр.вкл.) = 0,009 + 0,010 + 0,47 + 0,010 +
+ 2(0,030 + 0,384 + 0,020 + 0,009)  0,003025 +
+2(0,015 + 0,015 + 0,009)  0,003655 + 2(0,030 + 0,5) 
0, 003892=0,507.
[1/год]
Результаты расчетов для остальных цехов сведены в таблицу 4.7.
Таблица 4.7 – Интенсивности аварийных перебоев электроснабжения
№
цеха
Интенсивность отказа при
включенном секционном
выключателе, год-1
Кратковремен-
Интенсивность отказа при
выключенном секционном
выключателе, год-1
Продолжительный Кратковременный Продолжительный
ный перебой
перебой
перебой
перебой
1
0,019
0,017
0,500
0,507
2
0,549
0,545
0,723
0,727
3
0,639
0,637
1,009
1,013
4
0,519
0,519
1,000
1,007
5
0,339
0,337
0,709
0,713
6
0,999
0,997
1,369
1,373
7
0,009
0,008
0,000
0,01
8
0,009
0,011
0,000
0,015
9
0,009
0,018
0,589
0,593
10
0,559
0,555
0,733
0,737
11
0,009
0,017
0,389
0,393
12
0,009
0,015
0,193
0,197
13
0,009
0,017
0,453
0,457
14
0,759
0,757
1,193
1,197
15
0,329
0,327
0,699
0,703
16
1,279
1,277
1,713
1,717
17
1,069
1,067
1,503
1,507
70
Результирующий
коэффициент
простоя
определяется
с
учетом
интенсивностей аварийного и планового отключений:
qi = i ( кр.)
Tкр.
8760
+ i ( пр.)
Tпр.
8760
,
(4.2)
где i ( кр.) и i ( пр.) – интенсивности аварийного и планового отключений i-го
цеха, для расчета принимаются максимальные значения (табл. 7.), год-1;
Tкр . и Tпр . - время восстановления при кратковременных и длительных
отключениях, ч.
Суммарная частота отключений определяется по формуле:
i = i ( кр.) + i ( пр.) .
[ год-1]
(4.3)
Результаты расчетов по (4.2) и (4.3) сведены в таблицу 4.8
Таблица 4.8 – Результаты анализа надежности электроснабжения цехов
№ цеха
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Суммарная интенсивность
отключений, год-1
0,526
1,276
1,652
1,526
1,052
2,372
0,019
0,026
0,611
1,296
0,410
0,212
0,474
1,956
1,032
2,996
2,576
Результирующий
коэффициент простоя
0,000031821
0,000522118
0,000612471
0,000502711
0,000329937
0,000951513
0,000008504
0,000001057
0,000003336
0,000531535
0,000026741
0,000019320
0,000028567
0,000727312
0,000320519
0,001217038
0,001019264
71
Рекомендации
4.2
по
повышению
надежности
системы
электроснабжения предприятия
Основа
надежности
системы
электроснабжения
ОАО
«СельхозДетальИнвест» была заложена на стадии ее проектирования с
учетом различных факторов. С учетом наличия на предприятии цехов,
относящихся
к
ответственным
потребителям,
были
выбраны
соответствующие способы их подключения. Согласно проведенному во
второй
главе
анализу,
основной
мерой
обеспечения
надежности
электропитания на предприятии послужили резервирование питания от двух
независимых
источников, секционирование системы шин 10 кВ
использование
двухтрансформаторных
подстанций
с
и
секционными
выключателями на стороне низкого напряжения. Это нашло отражение в
произведенных расчетах параметров надежности. Например, согласно
полученным данным (таблицы 4.7, 4.8) потребители первой категории, к
которым относятся цехи № 7 и 8 обладают минимальными интенсивностями
отключения, и, следовательно, коэффициентами аварийных простоев.
Дальнейшее повышение надежности возможно, однако стоит помнить,
что обычно при этом возникают непропорционально большие экономические
затраты, и поэтому возникает вопрос целесообразности вносимых изменений
в
текущую
систему
электроснабжения.
Применительно
к
данному
предприятию могут быть сделаны следующие рекомендации:
- повышение надежности отдельных элементов;
- сокращение числа последовательно соединенных элементов.
Первый способ относительно прост и требует финансовых вложений
средней величины. Второй относится к более сложным рекомендациям,
требующим
существенных
реконструкции),
и
капитальных
заключается
в
затрат
(если
уменьшении
речь
числа
идет
о
ступеней
трансформации напряжения путем использования подстанций глубокого
ввода.
72
Эффекту
повышения
надежности
от
сокращения
числа
последовательных элементов способствует также применение устройств
защиты и автоматики с цифровыми логическими органами. Достигается это
благодаря существенному уменьшению числа используемых блоков и
соединений внутри самих устройств защиты.
В работе сделан выбор в пользу первого способа, как более простого.
Для реализации первого способа предлагается использовать вакуумные
выключатели вместо масляных. Это самый актуальный вариант при замене
масляных и маломасляных выключателей на сегодняшний день [39].
Сравнительный анализ из конструкций, показывает, что число подвижных
деталей в масляных выключателях существенно превосходит число таковых
в вакуумных. Благодаря исключительно простой кинематической схеме,
небольшому числу деталей, незначительному трению движущихся частей,
способных работать без смазки, и замене механической защелки на
магнитную обеспечивается большая механическая стойкость и надежность в
течение всего срока службы без проведения ремонтных работ. То есть не
требуется проведение среднего и капитального ремонтов в течение всего
срока их службы [40]. Поэтому установка вакуумных выключателей
позволяет уменьшить продолжительность плановых отключений.
Таким образом, требуется сравнить два варианта схем: с масляными
выключателями и с вакуумными. На первом этапе для составленных схем
замещения по полученным формулам заново вычислены показатели
надежности. В расчете были использованы следующие исходные данные:
- интенсивность отказов вакуумных выключателей:
 = 0,004 год-1;
- время восстановления:
TВ = 12 ч;
- удельная продолжительность плановых ремонтов:
τпл = 15 ч.
Результаты повторных расчетов сведены в таблицу А.7.
73
Из анализа таблиц 4.7 и А.7 следует, что использование вакуумных
выключателей
обеспечивает
кратковременных
и
снижение
продолжительных
интенсивностей
режимах
при
отказов
в
выключенных
секционных аппаратах, что в итоге приводит к уменьшению суммарных
интенсивностей отказов и коэффициентов простоя (таблица 4.9).
Таблица 4.9 – Результаты анализа надежности электроснабжения цехов
№ цеха
Суммарная интенсивность
Результирующий
отключений, год-1
коэффициент простоя
1
0,526
0,000031820
2
1,271
0,000521975
3
1,647
0,000612329
4
1,526
0,000502711
5
1,047
0,000329795
6
2,367
0,000951370
7
0,018
0,000008476
8
0,023
0,000009503
9
0,605
0,000003231
10
1,291
0,000531393
11
0,404
0,000025685
12
0,207
0,000019178
13
0,469
0,000028425
14
1,951
0,000727169
15
1,027
0,000320377
16
2,991
0,001216895
17
2,571
0,001019121
Сравнение показателей надежности для рассматриваемых вариантов
схем произведено в таблице А.8 и наглядно продемонстрировано на рисунках
74
4.1 и 4.2. В качестве базового варианта выбрана схема с вакуумными
выключателями.
Рисунок 4.1 – Изменение интенсивности отказа цехов схемы с масляными
выключателями относительно схемы с вакуумными
Рисунок 4.2 – Изменение коэффициента простоя цехов схемы с масляными
выключателями относительно схемы с вакуумными
В среднем интенсивность отказов цехов варианта с вакуумными
выключателями меньше интенсивности отказов цехов варианта с масляными
на 1,61 %. Средний коэффициент простоя при этом снижается на 1,14 %.
Дополнительно для повышения надежности отдельных элементов
можно рекомендовать установку на цеховых подстанциях ТП-1, ТП-2, ТП-3,
75
ТП-4 сухих трансформаторов в место маслонаполненных. Общепризнано,
что сухие трансформаторы вследствие более простой конструкции являются
более надежными, и вместе с тем более экономичными в процессе
эксплуатации, так как не требуется периодическая проверка и замена масла.
4.3
Технико-экономическое
сравнение
вариантов
систем
электроснабжения
Проведем
сравнение
вариантов
систем
электроснабжения,
отличающихся использованием масляных или вакуумных выключателей.
Экономический ущерб от перебоев электроснабжения для каждого цеха
вычислен по формуле (3.42). При полном отключении цеха математическое
ожидание недоотпуска электроэнергии найдено по формуле (3.43). При
анализе максимальная нагрузка для каждого цеха принята равной расчетной
активной
мощности (таблица А.9).
Удельный ущерб принят равным
150 руб./кВт·ч для цехов первой категории надежности, 80 руб./кВт·ч для
цехов второй категории надежности и 45 руб./кВт·ч для остальных.
Результаты расчета приведены в таблице А.10 и на рисунке 4.3.
Рисунок 4.3 – Гистограмма ущерба от недоотпуска электроэнергии по цехам
для 1-го варианта (синий) и 2-го варианта (синий плюс красный)
76
Суммарный ущерб для варианта схемы с масляными выключателями
составляет 48656,04 руб., что на 322,44 руб. больше, чем для варианта с
вакуумными. Таким образом, оба варианта по величине ущерба равнозначны,
то есть они находятся в зоне равной надежности. Тогда они могут быть
оценены по критерию суммы годовых приведенных капиталовложений и
издержек без учета ущерба:
З = ( И + K  Ен ) / Tэксп ,
[руб.]
(4.4)
где И – годовые эксплуатационные расходы, руб.;
К – капитальные вложения, руб.;
Eн – нормативный коэффициент эффективности капиталовложений;
Tэксп – срок службы изделий до списания, лет.
Капитальные затраты включают стоимость выключателей и затраты на их
установку:
K =  niСВ i +  niСМ i ,
[руб.]
(4.5)
где СВ i и Смi – стоимость выключателя i-го типа и его монтажа с учетом
доставки, руб.
Стоимость монтажа, пусконаладочных работ и доставки принимается равной
15 % от стоимости масляного выключателя и 12 % от стоимости вакуумного.
Результаты расчетов капитальных затрат приведены в таблице 4.10 для
рассматриваемых вариантов.
Таблица 4.10 – Расчет капитальных затрат на установку выключателей
Тип выключателя
ВВ/TEL-10- 20-630А
ВМГ-10/630
Цена, руб.
Кол-во,
шт.
Вариант 1
130000
10
Вариант 2
45000
10
Стоимость Капитальные
монтажа затраты, руб.
единицы
изделия,
руб.
6750
51750
15600
1456000
77
Издержки складываются из затрат на эксплуатацию и ремонт
выключателей, которые включают оплату труда рабочим, начисления на
зарплату, стоимость ремонтных материалов и запасных частей, амортизацию
ремонтных оборудования и площадей.
И = ФОТ + А + С рем ,
[руб.]
(4.6)
где ФОТ - фонд оплаты труда ремонтной бригады, руб.;
А - амортизационные отчисления, руб.;
С рем - стоимость запасных частей и материалов, руб.
Стоимость запасных частей и материалов принимается равной 5 % от
капитальных затрат для вакуумных выключателей и 25 % для масляных.
Норма амортизации ремонтных оборудования и площадей принята равной
10 % от капитальных затрат.
А = 0,1K ,
[руб.]
(4.7)
С масл. рем = 0,25K ; С вак. рем = 0,05K ,
[руб.]
(4.8)
[руб.]
(4.9)
Оплата труда ремонтного персонала
З рем = 1,1  1,3  1,5  Сч  Tрем  N ,
где 1,1 – коэффициент, учитывающий затраты на дополнительную
заработную плату;
1,3– коэффициент, учитывающий затраты страховые взносы;
1,5– коэффициент, учитывающий доплаты к тарифу;
Сч − часовая тарифная ставка, руб.;
Tрем − суммарные затраты времени на проведение ремонтных работ в
течение всего срока службы выключателей, ч;
N – численность ремонтного персонала, одновременно обслуживающих
один выключатель.
Часовая тарифная ставка для электроремонтного персонала принята
равной 130 руб./ч. Ремонтные работы одного выключателя маломасляного
78
типа производятся тремя рабочими, вакуумного – двумя. Затраты времени на
ремонт одного выключателя в зависимости от его типа определены в таблице
4.11. Результаты расчета по перечисленным формулам сведены в таблицу
4.12.
Несмотря на изначально высокую стоимость вакуумных выключателей,
издержки от их эксплуатации оказываются на уровне издержек масляных. Но
благодаря более длительному сроку их использования приведенные годовые
затраты оказались на 16 % меньше, чем при использовании масляных
выключателей.
А с учетом того, что установка последних приводит к
снижению надежности всей системы электроснабжения в среднем на 1,61 %,
то наиболее оптимальным вариантом является схема с вакуумными
выключателями.
Таблица 4.11 – Затраты времени на ремонт выключателей
Тип
выключателя
ВВ/TEL-1020-630А
ВМГ-10/630
Норма
Периодичность,
времени
лет
ремонта
одного
изделия, ч
Срок
службы
изделия,
лет
Затраты
времени на
ремонт в
течение
срока
службы, ч
12
Вариант 1
10
30
24
20
Вариант 2
1
25
475
Таблица 4.12 - Расчет приведенных затрат на установку и эксплуатацию
выключателей
№
п.п.
1
1
Статьи затрат
2
Капитальные затраты, руб.
Тип выключателя
ВВ/TEL-10-20ВМГ-10/630
630А
3
4
1456000
51750
79
Окончание табл. 4.12
1
2
3
4
5
6
2
Фонд оплаты труда, руб.
Амортизация
ремонтного
оборудования и зданий, руб.
Стоимость
ремонтных
материалов и запчастей, руб.
Суммарные эксплуатационные
издержки, руб.
Приведенные годовые затраты
при
коэффициенте
эффективности
капиталовложений 0,12, руб.
3
133800
4
3982000
14560
517500
72800
129400
4200000
4163000
145800
169000
ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ
В
результате
анализа
надежности
двух
вариантов
систем
электроснабжения, установлено, что применение вакуумных выключателей
способствует снижению интенсивности отказов цехов в среднем на 1,61 %,
коэффициента их простоя в среднем на 1,14 % при уменьшении приведенных
годовых затрат на 23200 руб.
80
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
По итогам проведенной работы можно заключить следующее.
Проведен ретроспективный анализ теории надежности, методов
1.
расчета ее параметров и требований, предъявляемых к надежности систем
электроснабжения промышленных предприятий. Также осуществлен анализ
производственных
процессов
в
цехах
предприятия
ОАО
«СельхозДетальИнвест», которое является объектом исследования. Итогом
стало определение категории надежности предприятия и выбор метода
расчета
показателей
надежности
его
электроснабжения:
категория
надежности – первая; метод расчета – аналитический.
2. Анализ литературных источников показал, что существует
множество подходов к обеспечению надежного электропитания различных
производств
и
предприятий.
предприятию
ОАО
Применительно
«СельхозДетальИнвест»
к
рассматриваемому
повышение
надежности
системы электроснабжения возможно путем рационального сочетания двух
методов: повышением надежности отдельных элементов и за счет введения
избыточности. Проведено исследование избыточности по пропускной
способности трансформаторов. По результатам проверки коэффициентов
загрузки трансформаторов установлено, что резерв для трансформаторов
ГПП в нормальном режиме составляет 22,85 %.
3.
На основе аналитического метода получены соотношения,
позволяющие определить интенсивности отказов, коэффициенты простоя и
продолжительности аварийного простоя для каждого цеха. С использованием
данных соотношений проведен анализ надёжности электроснабжения цехов
предприятия.
Результаты
расчета
для
существующей
системы
электроснабжения ОАО «СельхозДетальИнвест» показали, что внесение
дополнительных изменений в ее схему не требуется.
4.
Для
повышения
надежности
существующей
схемы
электроснабжения использован метод повышения надежности ее отдельных
элементов,
а
именно
рекомендована
установка
высоковольтных
81
выключателей системы сборных шин 10 кВ на главной понизительной
подстанции.
Данное
решение
подкреплено
технико-экономическим
сравнением двух вариантов систем: с маломасляными выключателями серии
ВМГ-10 и вакуумными серии ВВ/TEL-10. Использование последних
гарантирует снижение интенсивности отказа цехов в среднем на 1,61 %,
коэффициента их простоя в среднем на 1,14 % при уменьшении приведенных
годовых затрат на 23200 руб. Также предложены рекомендации по замене
масляных трансформаторов на сухие.
82
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Правила
устройства
электроустановок.
Седьмое
издание.
Утверждены Приказом Минэнерго России от 08.07.2002 № 204.
2.
Сафонов, В.И. Надежность систем электроснабжения [Текст] :
Учебное пособие / В.И. Сафонов, П.В. Лонзингер – Челябинск: Издательский
центр ЮУрГУ, 2014. – 90 с.
3.
Волков, Н.Г. Надежность электроснабжения: учебное пособие /
Н.Г. Волков, А.А. Сивков, А.С. Сайгаш. – 2-е изд., доп. – Томск: Изд-во
Томского политехнического университета, 2011. – 160 с.
4.
Шеметов, А.Н. Надежность электроснабжения [Текст] : учебное
пособие для студентов специальности 140211 «Электроснабжение». –
Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», 2006 – 141 с.
5.
ГОСТ 27.002-2015 Межгосударственный стандарт. Надежность в
технике. Термины и определения [Текст]. – Москва:
Стандартинформ,
2016.
6.
Китушин, В.Г. Надежность энергетических систем. Часть 1.
Теорети-ческие основы [Текст] : Учебное пособие / В.Г. Китушин. –
Новосибирск: Изд-во НГТУ. – 2003. – 256 с.
7.
Попов, В.А. Теория вероятностей. Часть 2. Случайные величины
[Текст] : Учебное пособие / В.А. Попов – Казань: Казанский университет,
2013. – 45 с.
8.
Крицкий, О.Л. Теория вероятностей и математическая статистика
для технических университетов. I. Теория вероятностей [Текст] : учебное
пособие / О.Л. Крицкий, А.А. Михальчук, А.Ю. Трифонов, М.Л. Шинкеев;
Томский
политехнический
университет.
–
Томск:
Изд-во
Томского
политехнического университета, 2010. – 212 с.
9. Reliability Considerations for Power Supplies [Электронный ресурс] //
CUI
Inc.
-
№
6.
–
2013.
–
Режим
доступа:
83
https://www.cui.com/catalog/resource/reliability-considerations.pdf
(дата
обращения 06.06.2018).
10. Анищенко, В.А. Основы надежности систем электроснабжения
[Текст]
:
пособие
«Электроснабжение»
для
студентов
специализации
1-43
специальности
010301
1-430103
«Электроснабжение
промышленных предприятий» / В.А. Анищенко, И.В. Колосова. - Мн.: БНТУ,
2007. – 151 с.
11. Ершов,
С.В.
Анализ
методик
и
подходов
к
проблеме
диагностирования технического состояния сетей электроснабжения [Текст] /
С.В. Ершов, А.М. Дмитриев // Известия Тульского государственного
университета 2014. Технические науки. Выпуск 8. – 2014. – С. 88-97.
12. Шум, А.А. Логика высказываний и булевы алгебры [Текст] :
Учебное пособие. – Тверь: ТГТУ, 2011. – 60 с.
13. How to improve power supply MTBF and reliability [Электронный
ресурс]
//
New
electronics.
–
2016.
–
Режим
доступа:
http://www.newelectronics.co.uk/electronics-blogs/how-to-improve-power-supplymtbf-and-reliability/141531/ (дата обращения 09.06.2018 г.) – Загл. с экрана.
14. Улучшение условий эксплуатации и повышение надежности
работы электрооборудования [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
http://helpiks.org/1-91351.html. – Загл. с экрана.
15. Саримов,
посредством
Н.Ф.
применения
Повышение
методики
надежности
электроснабжения
ультразвукового
обследования
изоляторов воздушных линий [Текст] / Н.Ф. Саримов, А.Ю. Грахов //
Экспозиция Нефть Газ. – 2014. - № 5(37). – С. 93-94.
16. Вертугин,
А.А.
Повышение
надежности
электроснабжения
промышленных предприятий за счет применения быстродействующего
резервного источника питания [Электронный ресурс] / А.А. Вертугин //
Научно-технический вестник Брянского государственного университета. –
2017. – № 2. – Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/povyshenie-
84
nadezhnosti-elektrosnabzheniya-promyshlennyh-predpriyatiy-za-schetprimeneniya-bystrodeystvuyuschego-rezervnogo.
17. Шутенко, Д.А. Повышение надежности электроснабжения путем
применения
вакуумных
реклоузеров
[Текст]
/
Д.А.
Шутенко
//
Стратегические задачи развития науки, образования, технологий. Сборник
научных трудов по материалам Международной научно-практической
конференции. В 4-х частях. Под общей редакцией Е.П. Ткачевой, 2017. – С.
153-156.
18. Конюхова, Е.А. Надежность электроснабжения промышленных
предприятий [Текст] / Е.А. Конюхова, Э.А. Киреева. – М.: НТФ
"Энергопрогресс", 2001. – 92 с; ил.
19. Сивков, А.А. Использование сверхбыстродействующих взрывных
коммутационных аппаратов для повышения надежности функционирования
систем электроснабжения [Текст] / А.А. Сивков, А.С. Сайгаш, Г.Н. Климова
// Фундаментальные исследования. – 2013. – № 4 (часть 2) – С. 328-334.
20. Руди,
Д.Ю.
Повышение
надежности
электроснабжения
и
электробезопасности при повреждении в сети 6 - 10 кВ [Текст] / Д.Ю. Руди,
Е.С. Кожинова // Молодежь и системная модернизация страны. Сборник
научных статей Международной научной Конференции студентов и молодых
ученых: в 2-х томах, 2016. – С. 288-291.
21. Кожевникова,
Е.С.
Повышение
надежности
схемы
электроснабжения нефтеперерабатывающего предприятия [Текст] / Е.С.
Кожевникова, Ю.П. Кубарьков, С.Н. Синельникова, В.В. Челпанов // Труды
Кольского научного центра РАН. – 2011. – С. 170-177.
22. Ушаков, И.И. Современное решение повышения надежности
электроснабжения ответственных потребителей в сетях среднего напряжения
[Текст] / И. И. Ушаков // Экспозиция Нефть Газ. – 2013. – № 4. – С. 81-83.
23. Шпиганович,
А.Н.
Резервирование как
актуальный
способ
повышения эффективности сложных систем [Текст] / А.Н. Шпиганович //
мат-лы Междунар. заочной науч.-практ. конф. Липецк, 2013. – С. 25-27.
85
24. Кудрин, Б.И. О концепции государственного плана рыночной
электрификации России [Текст] / Б.И. Кудрин // Электрика. – 2009. – № 8.– С.
3–12.
25. Семыкина, И.Ю. Проблемы и пути решения вопросов надежности
внешнего электроснабжения угольных шахт [Текст] / И.Ю. Семыкина, Е.В.
Скребнева // Записки Горного института. – Т. 226. – 2017. – С. 452-455.
26. Лязмин, В.В. Повышение надежности систем электроснабжения
промышленных предприятий [Текст] / В.В. Лязмин // Теоретический и
практический взгляд на современное состояние науки. Сборник материалов
Международной научно-практической конференции. – 2015. - Кузбасский
государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, ЗападноСибирский научный центр, 2015. – С. 69-72.
27. Гончаров,
А.К.
Повышение
надежности
электроснабжения
предприятий пищевой промышленности [Текст] / А.К. Гончаров // Известия
вузов. Пищевая технология. - № 6. – 2006. – С. 74-76.
28. Пухальская, О.Ю. О повышении надежности электроснабжения
потребителей сельскохозяйственного назначения [Текст] / О.Ю. Пухальская,
А.В. Сычев // Вестник ГГТУ им. П.О. Сухого. – 2009. – № 4. – С. 80-86.
29. Морозов,
В.В.
Мероприятия
по
повышению
надежности
электроснабжения однофазных потребителей [Текст] / В.В. Морозов, П.С.
Орлов // Вестник АПК Верхневолжья. – 2014. - № 1. – С. 78-82.
30. Козловская, В.Б. Электрическое освещение [Текст]: справочник /
В.Б. Козловская, В.Н. Радкевич, В.Н. Сацукевич. -
2-е изд. Минск:
Техноперспектива, 2008. – 271 с.
31. СНИП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение»
(Утверждено
постановлением
Минстроя
Российской
Федерации
от
02.08.1995 № 18-78 с изменениями и дополнениями).
32. Королева, Т.Г. Внутризаводское электроснабжение и режимы.
Расчет электрических нагрузок [Текст] : учебное пособие для вузов/ Т.Г.
Королева. – Орел: ОрелГТУ, 2010. – 132 с.
86
33. Кабышев,
А.В.
Расчёт
и
проектирование
систем
электроснабжения: Справочные материалы по электрооборудованию
[Текст] : Учеб. пособие / А.В. Кабышев, С.Г. Обухов. – Томск: ТПУ, 2005.
– 168 с.
34. Cлышалов,
В.К.
Основы
расчета
надежности
систем
электроснабжения [Текст] : учеб. пособие/ В.К. Слышалов. – Иваново:
ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им.
В.И.Ленина», 2012. – 80 с.
35. Александров, Д.С. Надёжность и качество электроснабжения
предприятий [Текст] : учебное пособие / Д. С. Александров, Е. Ф.
Щербаков.– Ульяновск : УлГТУ, 2010. – 155 с.
36. Гук, Ю.Б. Расчет надежности схем электроснабжения [Текст] / Ю.Б.
Гук, М.М. Синенко, В.Я. Тремясов. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние,
1990. – 216 с.
37. Лесных,
В.В.
Проблемы
оценки
экономического
ущерба,
вызванного перерывами в электроснабжении [Текст] / В.В. Лесных, Т.Б.
Тимофеева, В.С. Петров // Экономика региона. — 2017. — Т. 13, вып. 3. — С.
847-858.
38. Гук, Ю.Б. Анализ надежности электроэнергетических установок
[Текст] / Ю.Б. Гук. – Л.: Энергоатомиздат. Ленинг. отд-ние, 1988. – 224 с.
39. Стрижова,
Т.А.
Сравнение
эксплуатационной
надежности
выключателей среднего напряжения для нефтегазовой промышленности
[Текст] / Т.А. Стриженова // Современная техника и технологии. – № 11 (39).
– 2014. – С. 21-23.
40. Комбин, Н.Н. Экономический эффект от замены высоковольтных
масляных выключателей на вакуумные [Текст] / Н.Н. Комбин // Научное
сообщество студентов XXI столетия. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ НАУКИ: сб. ст. по
мат.
XLVII
междунар.
студ.
науч.-практ.
конф.
№
10(47).
URL:
https://sibac.info/archive/economy/10(47).pdf (дата обращения: 17.12.2018).
87
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Таблица А.1 – Краткая характеристика цехов предприятия
№
п./п.
Наименование цеха
1
2
Краткое описание
производственного
процесса
3
Термический цех
Термическая
закалка
инструмента и деталей
Механический
Механическая
обработка
деталей, узлов и элементов
двигателей резанием
3
Инструментальный
Изготовление и ремонт
специальных
режущих,
измерительных
и
вспомогательных
инструментов
4
Заготовительный
1
2
Производство
заготовок
деталей из металлопроката
Основное
оборудование
4
Печи
сопротивления,
высокочастотные
индукционные
установки
Токарные,
токарновинторезные,
шлифовальные,
радиальносверлильные
резьбонарезные
заточные и другие
виды станков
Универсальные
металлорежущие
станки нормальной
и
повышенной
точности,
координатнорасточные,
заточные и другие
виды
станков;
сварочное
и
термическое
оборудование
Гильотинные
ножницы, линии
продольного
раскроя, отрезные
станки,
штамповочные
прессы
88
Продолжение табл. А.1
1
5
6
7
8
9
10
11
12
2
3
4
Токарные,
строгальные,
Производство деталей для сверлильные
Ремонтноремонтируемого
станки;
механический
оборудования
и
их точило; сварочные
установка в ходе ремонтов аппараты;
слесарные столы;
кран-балки
Токарные,
фрезерные,
точильные станки,
Для специальных опытов и
Экспериментальный
сварочные
исследований
аппараты,
испытательные
стенды
Для нужд водоснабжения,
Насосная
Насосы
канализации и т.д.
Литейный цех
Выплавка заготовок из Литьевые машины;
цветных металлов цветных металлов
плавильные печи
Тигельные
Литейный цех
Выплавка заготовок из индукционные
черных металлов стали
печи,
литьевые
машины
Сварочные
Получение
неразъемных
Сварочный
трансформаторы и
соединений материалов
сварочные пункты
Снабжение
производственных
цехов Компрессионные
Компрессорная
сжатым
воздухом установки
давлением до 6 атм.
Гильотины,
гидравлические
Изготовление
новых
Кузнечный
прессы,
поковок и штамповок
листогибочные
станки
89
Продолжение табл. А.1
1
2
3
Цех
металлопокрытий
Детали
и
изделия
покрывают тонким слоем
металла путем электролиза
14
Покрасочный цех
Нанесение
изделия
покрытий
15
Электроцех
13
на детали и
лакокрасочных
Ремонт
электрооборудования
4
Гальванические
установки,
оборудование для
дробеструйной
очистки
и
ультразвукового
обезжиривания;
источники
постоянного тока
Линии покраски и
сушки, приточные
и
вытяжные
вентиляторы
Токарные,
фрезерные,
точильные,
шлифовальные
станки; установка
для балансировки
ротора;
прибор
определения
короткозамкнутых
витков
в
электродвигателях;
прибор
определения
годности
подшипников
качения
в
электродвигателях;
съемник
подшипников
качения
с
электродвигателей;
испытательный
стенд
90
Окончание табл. А.1
11
16
17
2
Административнохозяйственный
корпус
Склад
3
Размещает
помещения
управления,
конструкторских
и
технологических
бюро,
учебных
занятий,
санитарно-бытовые
и
помещения
здравоохранения, столовую
Упаковка
и
хранение
готовой продукции
4
Различные
бытовые
электроприборы,
ЭВМ, холодильное
оборудование
столовой
Упаковочные
машины
91
Таблица А.2 – Расчет осветительных нагрузок цехов
№
цеха
Цех
Длина
Ширина
Площадь
pуд ,
Pуст
м
4
м2
5
Вт/м2
6
Вт
7
kсо
tgφ
Qр.о.
Sр.о.
9
Вт
10
11
вар
12
В·А
13
8540,11
kПРА
Pр.о.
8
1
2
м
3
1
Термический цех
42
24
1008
6,70
6753,60
0,95
1,20
7699,10
0,48
3695,57
2
Механический
42
24
1008
10,20
10281,60
0,95
1,10
10744,27
1,17
12570,80 16536,76
3
Инструментальный
36
24
864
6,70
5788,80
0,95
1,20
6599,23
0,48
3167,63
7320,09
4
Заготовительный
24
18
432
6,70
2894,40
0,95
1,20
3299,62
0,48
1583,82
3660,05
5
Ремонтно-механический
36
24
864
6,70
5788,80
0,95
1,20
6599,23
0,48
3167,63
7320,09
6
Экспериментальный
54
24
1296
6,70
8683,20
0,95
1,20
9898,85
0,48
4751,45
10980,14
7
Насосная
24
18
432
6,70
2894,40
0,95
1,20
3299,62
0,48
1583,82
3660,05
8
Литейный цех цветных
металлов
36
24
864
10,20
8812,80
0,95
1,10
9209,38
1,17
10774,97 14174,36
9
Литейный цех черных
металлов
60
24
1440
10,20
14688,00
0,95
1,10
15348,96
1,17
17958,28 23623,94
10
Сварочный
42
24
1008
6,70
6753,60
0,95
1,20
7699,10
0,48
3695,57
8540,11
11
Компрессорная
24
18
432
6,70
2894,40
0,95
1,20
3299,62
0,48
1583,82
3660,05
92
Окончание табл. А.2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Кузнечный
42
24
1008
10,20
10281,60
0,95
1,10
10744,27
1,17
12570,80 16536,76
13
Цех металлопокрытий
36
18
648
6,70
4341,60
0,95
1,20
4949,42
0,48
2375,72
5490,07
14
Покрасочный цех
36
18
648
6,70
4341,60
0,95
1,20
4949,42
0,48
2375,72
5490,07
15
Электроцех
36
24
864
6,70
5788,80
0,95
1,20
6599,23
0,48
3167,63
7320,09
16
Административнохозяйственный корпус (2
этажа)
1776
6,00
10656,00
0,90
1,20
11508,48
0,48
5524,07
12765,60
17
Склад
432
5,80
2505,60
0,90
1,20
2706,05
0,48
1298,90
3001,64
18
Территория (дороги)
5304
0,90
4773,60
1,00
1,10
5250,96
130405
1,17
6143,62
97989,8
8081,87
24
18
Итого:
12
13
93
Таблица А.3 – Расчет силовых нагрузок цехов
№
цех
а
Цех
Pном
1
Термический цех
кВт
300
0,75
2
Механический
240
3
Инструментальный
4
5
6
7
cosφ
tgφ
kс
Pр.НН
Qр.НН
Sр.НН
0,88
0,60
кВт
180,00
квар
158,75
кВ·А
240,00
0,75
0,88
0,50
120,00
105,83
160,00
150
0,75
0,88
0,25
37,50
33,07
50,00
Заготовительный
160
0,75
0,88
0,35
56,00
49,39
74,67
Ремонтномеханический
155
0,75
0,88
0,50
77,50
68,35
103,33
90
0,70
1,02
0,20
18,00
18,36
25,71
110
0,75
0,88
0,60
66,00
58,21
88,00
Экспериментальны
й
Насосная
8
Литейный цех
цветных металлов
340
0,70
1,02
0,45
153,00
156,09
218,57
9
Литейный цех
черных металлов
670
0,80
0,75
0,60
402,00
301,50
502,50
10
Сварочный
230
0,60
1,33
0,40
92,00
122,67
153,33
11
Компрессорная
100
0,75
0,88
0,60
60,00
52,92
80,00
12
260
0,75
0,88
0,50
130,00
114,65
173,33
170
0,80
0,75
0,40
68,00
51,00
85,00
14
Кузнечный
Цех
металлопокрытий
Покрасочный цех
120
0,70
1,02
0,60
72,00
73,45
102,86
15
Электроцех
115
0,75
0,88
0,35
40,25
35,50
53,67
16
Административнохозяйственный
корпус (2 этажа)
60
0,80
0,75
0,45
27,00
20,25
33,75
17
Склад
30
0,8
0,75
0,3
9
6,75
11,25
Итого:
1608,25
1426,73
13
94
Таблица А.4 – Расчет центра электрических нагрузок
№
цеха
Цех
Sр.ΣНН
r
Sр.о.
α
Xi
Yi
Xi·Sр.ΣНН Yi·Sр.ΣНН
кВ·А
мм
град
м
м
кВ·А·м
кВ·А·м
4
кВ·А
5
6
7
8
9
10
1
2
3
1
Термический цех
248,23
19,8814 8,54011 12,3855
227
164
56348,1
40709,6
2
Механический
176,39
16,7593 16,5368 33,7507
48
122
8466,64
21519,4
3
Инструментальный
57,08
9,53366 7,32009 46,1679
45
66
2568,57
3767,23
4
Заготовительный
78,20
11,1586 3,66005 16,8503
165
172
12902,2
13449,6
5
Ремонтномеханический
110,40
13,2586 7,32009 23,8708
91
71
10046
7838,11
6
Экспериментальный
36,23
7,59552 10,9801 109,103
47
20
1702,84
724,611
7
Насосная
91,53
12,0725 3,66005 14,3958
167
62
15285,1
5674,72
8
Литейный цех
цветных металлов
232,71
19,2501 14,1744 21,9271
120
175
27925,8
40725,1
9
Литейный цех
черных металлов
525,58
28,9294 23,6239 16,1814
58
174
30483,6
91450,8
10
Сварочный
160,96
16,0094 8,54011 19,1009
161
122
25914,2
19636,8
11
Компрессорная
83,53
11,5329 3,66005 15,7745
127
62
10608,1
5178,75
12
Кузнечный
189,72
17,3811 16,5368
104
121
19730,9
22956,2
31,379
95
Окончание табл. А.4
1
90,39
14
2
Цех
металлопокрытий
Покрасочный цех
7
8
9
10
11,9973 5,49007 21,8652
224
114
20247,7
10304,6
108,03
13,116
5,49007 18,2944
224
72
24199,7
7778,49
15
Электроцех
60,74
9,83493 7,32009 43,3827
115
20
6985,54
1214,88
16
Административнохозяйственный
корпус (2 этажа)
46,34
8,58991 12,7656
99,176
246
20
11399,1
926,759
17
Склад
14,21
4,75619 3,00164 76,0647
265
63
3764,65
894,991
12
Кузнечный
2310,26
288579
294751
13
3
4
5
6
Таблица А.5 – Предварительный выбор числа и мощности трансформаторов цеховых ТП
№
ТП
ТП-1
ТП-2
ТП-3
ТП-4
Подключенные цехи
8, 9
1, 4, 13, 14,
16, 17
2, 10, 12
3, 5, 6, 7, 11,
15
Pр.НН
кВт
Qр.НН
квар
Pр.о.
Qр.о.
Pр.ΣНН
Qр.ΣНН
Вт
вар
кВт
квар
555,00 457,59
24,5583
28,7333
579,56
486,32
412,00 359,59
37,657
21,6985
449,66
342,00 343,15
29,1876
28,8372
299,25 266,40
36,2958
17,422
Pсм
кВт
Qсм
квар
Sсм
кВ·А
N
Sном
KЗ.ном
KЗ.ав
шт.
кВ·А
503,964 422,891 657,888
2
630
0,52
1,04
381,29
391,006 331,553 512,653
2
400
0,64
1,28
371,19
371,98
322,772 323,464 456,958
2
400
0,57
1,14
335,55
283,82
291,779 246,804 382,161
2
400
0,48
0,96
96
Таблица А.6 – Окончательный выбор числа и мощности трансформаторов цеховых ТП
с учетом компенсации реактивной мощности
№
Pр.НН
Qр.НН
ТП
кВт
квар
ТП-1
555,00
457,59
0,83913
ТП-2
412,00
359,59
ТП-3
342,00
ТП-4
299,25
Qп.комп
QК.У.
Qнескомп
Qсм
Sсм
N
Sном
квар
квар
квар
квар
кВ·А
шт.
кВ·А
295,07
300
186,32
162,0213 529,3679
2
0,84795 232,899
0
381,29
331,5527 512,6529
343,15
1,00214 249,491
250
121,98
266,40
0,84586 173,095
150
133,82
tgφ
KЗ.ном
KЗ.ав
400
0,66171
1,32342
2
400
0,640816 1,281632
106,0723 339,7543
2
250
0,679509 1,359017
116,3694 314,1286
2
250
0,628257 1,256514
97
Таблица А.7 – Результаты анализа надежности электроснабжения цехов
(вариант с вакуумными выключателями)
№
це
ха
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Интенсивность отказа при
включенном секционном
выключателе, год-1
Кратковременн Продолжительн
ый перебой
ый перебой
0,019
0,017
0,549
0,545
0,639
0,636
0,519
0,518
0,339
0,336
0,999
0,996
0,009
0,007
0,009
0,01
0,009
0,017
0,559
0,555
0,009
0,016
0,009
0,015
0,009
0,017
0,759
0,757
0,329
0,326
1,279
1,277
1,069
1,067
Интенсивность отказа при
выключенном секционном
выключателе, год-1
Кратковременн Продолжительн
ый перебой
ый перебой
0,500
0,507
0,718
0,722
1,004
1,008
1,000
1,007
0,704
0,708
1,364
1,368
0
0,009
0
0,013
0,584
0,588
0,728
0,732
0,384
0,388
0,188
0,192
0,448
0,452
1,188
1,192
0,694
0,698
1,708
1,712
1,498
1,502
98
Таблица А.8 – Результаты анализа надежности электроснабжения
цехов
Относительное изменение
коэффициента простоя для
варианта с масляными
выключателями, %
№ цеха
Относительное изменение
интенсивности отключений
для варианта с масляными
выключателями, %
1
100,00
100,00
2
100,39
100,03
3
100,30
100,02
4
100,00
100,00
5
100,48
100,04
6
100,21
100,02
7
105,56
100,34
8
113,04
110,21
9
100,99
103,27
10
100,39
100,03
11
101,49
104,11
12
102,42
100,74
13
101,07
100,50
14
100,26
100,02
15
100,49
100,04
16
100,17
100,01
17
100,19
100,01
99
Таблица А.9 – Расчет силовых нагрузок цехов
№
цех
а
Цех
Pном
1
Термический цех
кВт
300
0,75
2
Механический
240
3
Инструментальный
4
5
6
7
cosφ
tgφ
kс
Pр.НН
Qр.НН
Sр.НН
0,88
0,60
кВт
180,00
квар
158,75
кВ·А
240,00
0,75
0,88
0,50
120,00
105,83
160,00
150
0,75
0,88
0,25
37,50
33,07
50,00
Заготовительный
160
0,75
0,88
0,35
56,00
49,39
74,67
Ремонтномеханический
155
0,75
0,88
0,50
77,50
68,35
103,33
90
0,70
1,02
0,20
18,00
18,36
25,71
110
0,75
0,88
0,60
66,00
58,21
88,00
Экспериментальны
й
Насосная
8
Литейный цех
цветных металлов
340
0,70
1,02
0,45
153,00
156,09
218,57
9
Литейный цех
черных металлов
670
0,80
0,75
0,60
402,00
301,50
502,50
10
Сварочный
230
0,60
1,33
0,40
92,00
122,67
153,33
11
Компрессорная
100
0,75
0,88
0,60
60,00
52,92
80,00
12
260
0,75
0,88
0,50
130,00
114,65
173,33
170
0,80
0,75
0,40
68,00
51,00
85,00
14
Кузнечный
Цех
металлопокрытий
Покрасочный цех
120
0,70
1,02
0,60
72,00
73,45
102,86
15
Электроцех
115
0,75
0,88
0,35
40,25
35,50
53,67
16
Административнохозяйственный
корпус (2 этажа)
60
0,80
0,75
0,45
27,00
20,25
33,75
17
Склад
30
0,8
0,75
0,3
9
6,75
11,25
Итого:
1608,25
1426,73
13
100
Таблица А.10 – Результаты расчета ущерба от недоотпуска электроэнергии
Э , кВтч
Э , кВтч
(1 вариант)
(2 вариант)
Ущерб,
Ущерб,
руб.
руб.
№
цеха
кВт
1
180,00
3490
19,98981
19,98981
1599,1850
1599,185
2
120,00
3210
201,11969
201,0647
9050,3860
9047,913
3
37,50
2870
65,91724
65,90188
2966,2760
2965,585
4
56,00
3050
85,86307
85,86307
3863,8380
3863,838
5
77,50
3200
81,82443
81,78904
3682,0990
3680,507
6
18,00
1540
26,37593
26,37197
1186,9170
1186,739
7
66,00
3510
1,97017
1,963557
157,6134
157,0845
8
153,00
3370
5,40037
4,900061
810,0551
735,0091
9
402,00
3380
45,33078
43,89601
6799,6170
6584,402
10
92,00
2910
142,30265
142,2645
6403,6190
6401,900
11
60,00
3240
5,198425
4,993151
415,8740
399,4521
12
130,00
2590
6,50531
6,45726
520,4244
516,5808
13
68,00
3120
6,06085
6,030575
484,8679
482,446
14
72,00
2600
136,15274
136,12600
6126,8730
6125,671
15
40,25
2890
37,28362
37,26702
1677,7630
1677,016
16
27,00
1290
42,38942
42,38445
1907,5240
1907,300
17
9,00
2430
22,29130
22,28818
1003,1080
1002,968
Pр ,
TM , ч
(1 вариант) (2 вариант)
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа