«Диагностика изоляции электрооборудования»

Направление подготовки – 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника»
Профиль:  Электротехнологии и надежность электрооборудования 
   

Занятие 2.

Теория надежности. Общие вопросы надежности технических систем.

Содержание

2.1 Закономерности распределения отказов. Причины и модели возникновения отказов электрооборудования.
2.2 Методы обеспечения надежности электрооборудования в процессе проектирования, производства, эксплуатации и хранения.
2.3 Количественные показатели надежности. Связь между показателями надежности и эффективности.




2.1 Закономерности распределения отказов. Причины и модели возникновения отказов электрооборудования


Теория надёжности - наука, изучающая закономерности распределения отказов технических устройств, причины и модели их возникновения.

Теория надёжности изучает методы обеспечения стабильности работы объектов (изделий, устройств, систем и т.п.) в процессе проектирования, производства, приёмки, эксплуатации и хранения.

Устанавливает и изучает количественные показатели надёжности. Исследует связь между показателями эффективности и надёжности.

Техническая диагностика (как научное направление) как раз и появилась, благодаря теории надежности в технике. Появились и другие направления: планирование эксперимента; физика отказов; статистическая теория прочности; инженерная психология; исследование операций; и другие.

В своей деятельности инженеру-энергетику приходиться решать множество различных задач, от которых в той или иной степени зависит надежность электрооборудования или электрических систем. Например, определять наиболее приемлемый вариант системы электроснабжения или каких-то  ее элементов и частей, задавать режимы работы оборудования, производить реконструкцию и т.д. и т.п.   

При этом, принятие любого решения, должно в конечном счет решать главную задачу.

А главной задачей, в данном случае (речь идет об эксплуатации электрооборудования или систем ЭС) является бесперебойное электроснабжение потребителей при заданных параметрах мощности и при обеспечении определенного качества поставляемой электроэнергии.

Тем не менее, различные аварии, отказы, перебои в электроснабжении и т.д. и т.п. всё равно происходят.  

Кроме того, от надежности электроснабжения зависят промышленность, сельское хозяйство, жизнь крупных городов и небольших населенных пунктов. Зависимость эта огромна, поэтому нарушение в электроснабжении, всегда ведёт  к материальному ущербу. Всё зависит от размеров объекта, электроснабжение которого прекращено внезапно. Иногда это может иметь масштаб национального бедствия.

Так, например, в 1965 г., в США, в Нью-Йорке призошла авария, в результате которой 30 млн. человек почти на 10 часов остались без электричества. Ущерб составил около 100 млн. долларов. Но, выводы сделаны небыли, так как электроснабжение города просто восстановили, не придав значения причинам, приведшим к аварии. В результате, аварии повторились. В 1977 году в Нью-Йорке произошла очередная авария, последствия которой оказались еще более тяжелыми. Жизнь крупнейшего в мире мегаполиса была парализована 25 часов, а ущерб достиг 1 млрд. долларов.

Вообще, аварии (а это всегда проблема надежности) в современной электроэнергетике могут приводить к ущербам в сотни млрд. долларов.

Например, авария на Чернобыльской АЭС – несколько сотен млрд. долларов. Точно неизвестно.

«Фукусима-1» - ориентировочно 74 млрд. долларов. Но, ущерб можно было значительно сократить, если бы вовремя были приняты соответствующие меры.

Фукусима-1. Ядерная катастрофа на АЭС. Как это было.

 



Таким образом, обеспечение надежности энергетических систем - главная проблема современной энергетики.

Теория надежности систем электроснабжения основана на вероятностно-статистической природе их состояния и поведения.

А вообще, основной задачей теории надежности является разработка и изучение методов обеспечения эффективности работы различных объектов в процессе их эксплуатации, определение и изучение количественных характеристик надежности, и связь их с показателями экономичности.


Направления повышения надежности:

1.    Повышение надежности различных элементов системы электроснабжения или отдельных элементов и узлов электрооборудования из которых состоит система.
2.    Создание системы электроснабжения с высокой степенью надежности из элементов различной степени надежности, путем использования их резервирования.

Соответственно, максимума надежности можно достичь путем рационального сочетания этих двух направлений.


Закономерности распределения отказов

Законы распределения отказов делятся на две части: дискретные и непрерывные.
Каждому техническому объекту могут быть свойственны различные законы распределения. Применительно к сложным системам могут быть использованы композиции нескольких законов распределений.

Дискретные законы распределения.
К дискретным распределениям относят биномиальное, Пуассона, гипергеометрическое, равномерное и некоторые другие.

Биномиальный закон распределения.

Рассмотрим воздействие нагрузки, например, на электропривод какого-либо электрооборудования в процессе его эксплуатации.


 


Нагрузка будет изменяться со временем, в зависимости от режима работы, условий эксплуатации, и т.д.

Величина G_max на представляет собой максимальную нагрузку, которую может выдержать электродвигатель привода в работе. В идеальных условиях параметр G_max может быть выше максимального значения.

Но, учитывая заложенную на стадии проектирования и сборки электродвигателя надежность, G_t может быть меньше расчетного значения.

При каких значениях отказ данного электрооборудования из-за перегрузки будет иметь ненулевую вероятность?




2.2 Методы обеспечения надежности электрооборудования в процессе проектирования, производства, эксплуатации и хранения.


Обеспечение надежности в процессе проектирования

Все технические объекты, в том числе и машины, должны создаваться высокого качества, быть эффективными и конкурентоспособными.

Вместе с тем, в процесс эксплуатации, машина взаимодействует с человеком и окружающей средой, в результате чего она теряет свою работоспособность.

Поэтому, при проектировании любых технических систем, необходимо уделять особое внимание вопросам надежности.

Соответственно, например, каждая новая серия АД (асинхронный двигатель), будет по некоторым параметрам более надежная, чем предыдущая.

С чем это связано и почему настает время создания новой серии АД?

Это связано с многими факторами. Например, с развитием науки, средств проектирования, появлением новых материалов, и т.д.

В процессе испытаний нового технического объекта, могут быть вскрыты недостатки проектирования. Эти недостатки устраняются путем внесения соответствующих изменений в конструкцию.

Все изменения вносятся в проектную документацию. Проектная документация – это один из основных элементов обеспечения надежности, которая закладывается на стадии проектирования.

Любые ошибки на стадии проектирования, ошибки, не вскрытые в процессе испытаний, всегда ведут к снижению надежности нового технического объекта.


Проектирование. Как избежать ошибок?
 






Обеспечение надежности в процессе производства, изготовления, монтажа и т.д.

В процессе изготовления, любой технический объект может получить скрытые дефекты, которые повлияют на его надежность.

Даже незначительные отклонения технологического процесса влияют на последующие эксплуатационные свойства изделий. Так, например, долговечность изоляции обмотки статора АД зависеть от качества изоляционных материалов, режимов пропитки обмотки, сушки, и т.д.

Поэтому, на предприятиях, надежность выпускаемых изделий обеспечивается методами и режимами работы технологического оборудования, общей автоматизацией процесса изготовления и методами контроля готовых изделий.

При изготовлении электрических машин, таких, например, как электродвигатель или трансформатор, необходимо обеспечивать не только качество отдельных элементов конструкции и деталей, но и качество сборки машины в целом.


Фильм о производстве трансформаторов типа ТСЛ и ТМГ
 





Обеспечение надежности в процессе эксплуатации

Уровень надежности, заложенный при проектировании и изготовлении, реализуется в процессе эксплуатации технического изделия.

Так, например, работоспособность АД зависит от режимов работы, условий эксплуатации и окружающей среды, выполнения системы технического обслуживания и ремонта, и многих других воздействующих факторов.

В конструкцию любого технического изделия заложен определенный рабочий ресурс. Но, этот ресурс будет выдержан по времени, если будут выполняться, например, необходимы технические условия, и будут отслеживаться изменения рабочих параметров с самого начала эксплуатации изделия.

Для предотвращения внезапных отказов, необходимо, например, при проведении плановых мероприятий по обслуживанию и ремонту, оценивать остаточный ресурс и прогнозировать таким образом состояние технического объекта.

При оценке надежности электрооборудования, так же как и других технических объектов, различают три основных периода эксплуатации:

1.    Период приработки;
2.    Период нормальной эксплуатации;
3.    Период ускоренного износа и старения.

Эти периоды три периода изображены на кривой интенсивности отказов (кривой жизни технического изделия).
 


Периоды эксплуатации


На кривой интенсивности отказов t₂ – это начальный период старения и износа.
Период при 0 < t < t₁, начинается с момента  начала эксплуатации (t = 0) – это период приработки. Этот период характеризуется достаточно высокой интенсивностью отказов, которая постепенно снижается.

Отказы в период приработки связаны с производственными, конструкционными,  технологическими и прочими недостатками, которые присущи как самому техническому объекту, так и производству в целом.

Отказы, возникающие в этот период, исключают путем выявления скрытых дефектов, и в случае их обнаружения – технический объект или какой-то из его элементов -  отбраковывается.




2.3 Количественные показатели надежности. Связь между показателями надежности и эффективности

Показатель надежности — это количественная характеристика одного или нескольких свойств, составляющих надежность объекта. Показатель надежности может иметь размерность (например, вероятность безотказной работы).

При рассмотрении показателей надежности следует различать:

- наименование показателя (например, средняя наработка на отказ);
- численное значение, которое может изменяться в зависимости от условий эксплуатации  объектов;
- формулировку сущности этой величины;
- размерность показателя (при ее наличии).

Формулировка показателя должна содержать указания о способах расчетного или экспериментального определения его численного значения. Многие показатели надежности являются параметрами распределения случайных величин.


Различают единичные и комплексные показатели надежности.

Единичный показатель надежности - это показатель, характеризующий одно из свойств, составляющих надежность объекта (например, наработка на отказ датчика характеризующая  безотказность).

Комплексный показатель надежности - это показатель, характеризующий несколько частных свойств надежности объекта.

Основные единичные и комплексные показатели надежности, применяемые на этапе испытаний и эксплуатации невосстанавливаемых и восстанавливаемых объектов техники, приведены ниже:

Безотказность

P(t) - Вероятность безотказной работы
λ(t) - Интенсивность отказов
Т_о - Средняя наработка до отказов
ω(t) - Параметр потока отказов
Т_on - Средняя наработка на отказ

Ремонтопригодность

Р(t_в) - Вероятность восстановления
μ(t) - Интенсивность восстановления
Т_В - Среднее время восстановления

Безотказность и ремонтопригодность

К_г - Коэффициент готовности
К_п  - Коэффициент простоя
К_и - Коэффициент технического использования
К_ог - Коэффициент оперативной готовности

Долговечность

R_н - Назначенный ресурс
R_мр - Средний ресурс между капитальными (средними) ремонтами (межремонтный ресурс)
Т_сл - Средний срок службы

Сохраняемость

Т_сх - Средний срок сохраняемости
γ_сх – Гамма-процентный срок сохраняемости


Количественные характеристики надежности не восстанавливаемых объектов

Вероятность безотказной работы
Под вероятностью  безотказной  работы понимается  вероятность  того,  что  в  заданном интервале времени или в пределах заданной наработки отказ не возникает.

Частота отказов
Частота отказов - число отказов в единицу времени, отнесенное к первоначальному числу элементов.

Для определения частоты отказов необходимо иметь статистические данные, которые получены в результате испытаний или опытной эксплуатации.

Интенсивность отказов - вероятность отказов невосстанавливаемого изделия в единицу  времени после данного момента времени при условии, что до этого момента отказ не возник.
Интенсивность отказов определяется числом отказов в единицу времени, отнесенному к  среднему числу элементов, исправно работающих в данный отрезок времени.

Интенсивность отказов характеризует степень надежности элементов (изделий) в каждый  момент времени, поэтому является более полной и качественной характеристикой надежности.
Интенсивность отказов, являясь одним из основных количественных показателей надежности изделий, широко используется для определения других показателей свойств
Надежности.

Средняя наработка до отказа
Средняя  наработка  до  отказа - это  математическое  ожидание  наработки  изделия  до  первого  отказа.  

Количественные характеристики надежности восстанавливаемых объектов

В большинстве своем технические системы являются восстанавливаемыми, т.е. такими отказы которых устраняются. Для восстанавливаемых систем введенное ранее определение для  вероятности безотказной работы может не иметь смысла.

Параметр потока отказов
Под потоком отказов понимается последовательность отказов, происходящих один за другим  в случайные моменты времени.

Простейшим потоком отказов называется такой поток, при котором время  возникновения отказов удовлетворяет одновременно условию стационарности, отсутствия последствий и ординарности.

Наработка на отказ
Наработка на отказ( средняя наработка на отказ )  – это среднее время между соседними отказами. Практически, значение наработки на отказ, определяется отношением суммарной наработки
восстанавливаемых изделий к суммарному числу отказов за какое-то время испытаний


Основные показатели ремонтопригодности, долговечности и сохраняемости

Дадим краткую характеристику и принципы определения показателей долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости в соответствии с ГОСТ 27.002-89.

Показатели ремонтопригодности
Вероятность восстановления работоспособного состояния – это вероятность того, что время восстановления работоспособного состояния объекта не превысит заданного.

Среднее  время  восстановления работоспособного  состояния - математическое ожидание времени восстановления работоспособного состояния.

Показатели долговечности
Средний  ресурс - математическое  ожидание  ресурса.  В  терминах  показателей  долговечности  указывают  вид  действий  после  наступления  предельного  состояния  объекта (например,  средний  ресурс  до  капитального  ремонта  и  т.д.). 

Если  предельное  состояние обусловливает  окончательное  снятие  объекта  с  эксплуатации,  то  показатели  долговечности называют: полный средний ресурс (срок службы), полный назначенный ресурс.
В полный срок службы входят продолжительности всех видов ремонта объекта.

Гамма-процентный ресурс - наработка, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью

Назначенный ресурс - суммарная наработка объекта, при достижении которой применение по назначению должно быть прекращено.

Цель установления назначенного ресурса (назначенного срока службы) обеспечение принудительного, заблаговременного   прекращения применения объекта по назначению, исходя из требований безопасности и экономических соображений. Для объектов, подлежащих длительному хранению, может быть установлен назначенный срок хранения, по истечению
которого дальнейшее хранение недопустимо.

При  достижении  объектом  назначенного  ресурса  (срока  службы),  в  зависимости  от  его назначения,  особенности  эксплуатации,  технического  состояния  и  других  факторов,  объект может быть списан, направлен на средний или капитальный ремонт, передан   для применения
не  по  назначению, переконсервирован  (при  хранении)  или  может  быть  принято  решение  о продолжении эксплуатации.

Средний  срок  службы - математическое  ожидание  срока  службы.  Физический  смысл  и аналитическое выражение для расчета показателя аналогичный показателю «средний ресурс».

Гамма - процентный  срок  службы - календарная  продолжительность  от  начала эксплуатации  объекта,  в  течение  которой  он  не  достигнет  предельного  состояния  с  заданий вероятностью, выраженной в процентах.

Назначенный срок службы - календарная продолжительность эксплуатации объекта, при достижении которой применение по назначению должно быть прекращено.

Показателя сохраняемости

Средний срок сохраняемое - математическое ожидание срока сохраняемости.

Гамма - процентный срок сохраняемости - срок, достигаемый с заданной вероятностью, выраженной в процентах.

Надежность оказывает влияние на технологические и экономические показатели эффективности.

В свою очередь, технологические показатели эффективности связаны с качеством и количеством выпускаемой предприятием продукции, и затратами на выпуск этой продукции.

Экономические показатели эффективности связаны с экономическими результатами деятельности предприятия в целом, и выражаются, как правило, в денежных единицах.

Взаимосвязь между надежностью и эффективностью

Повышение надежности технических объектов или систем – неизбежно влечет увеличение затрат.

Но, отказы в работе снижают эффективность, и это снижение может быть существенным. В результате, снижение эффективности влечет негативные экономические последствия.

Поэтому, одна из задач, которую должны уметь решать специалисты в области надежности, связана с нахождением оптимального соотношения между надежностью и эффективностью.