Методика оценки показателей надёжности электроснабжения в условиях ухудшенного качества электрической энергии

Электроника, электрика / Электромонтаж / Строительство электростанций
Administrator
1 338
14-03-2017, 22:21
0

Процентная доля искажающей нагрузки в современных системах электроснабжения ежегодно возрастает. Одновременно с этим увеличиваются амплитуды кондуктивных электромагнитных помех (таких как токи высших гармонических составляющих, токи обратной последовательности основной частоты), оказывающих дополнительное воздействие на токоведущие части силового электрооборудования. В результате происходит интенсивный износ и старение изоляции, что приводит к преждевременному выходу из строя силового электрооборудования и снижению уровня надёжности электроснабжения электроприёмников потребителя. В современных нормативных документах отсутствует связь между показателями качества электрической энергии и надёжности электроснабжения, что создаёт предпосылки для увеличения риска нарушения бесперебойности поставки электрической энергии в условиях ухудшенного её качества.

I. Введение

На пути создания интеллектуальных электрических сетей возникает комплекс задач, направленных на обеспечение качественного и бесперебойного электроснабжения электроприемников (ЭП) потребителей. Показатели качества электрической энергии (ПКЭ), установленные в нормативной документации, характеризуют процессы выработки, передачи и распределения электрической энергии (ЭЭ). В отечественных распределительных электрических сетях (РЭС) классов напряжения 0,4-35 кВ наблюдаются нарушения нормативных значений ПКЭ по коэффициенту искажения синусоидальности формы кривой напряжения К_и, коэффициентам п-й гармонической составляющей напряжения Кщп) и несимметрии трехфазной системы напряжений по нулевой К_0и и обратной К_2и последовательности основной частоты (далее кондуктивные помехи). Причиной нарушения норм ПКЭ является ежегодно растущая потребляемая мощность с искажающей нагрузкой (ЭП с нелинейной

вольтамперной характеристикой, полупроводниковые преобразователи и несимметричная трехфазная нагрузка). Как известно, наибольшее распространение в РЭС имеют высшие гармонические составляющие порядка 6к ± 1, где к е X. В РЭС с изолированным режимом работы нейтрали (класс напряжения 6-35 кВ) несимметрия трехфазной системы напряжений обусловлена наличием токов обратной последовательности основной частоты, а при глухозаземленном режиме работы нейтрали (класс напряжения до 1 кВ) - токами обратной и нулевой последовательности.

Надежность электроснабжения (НЭС) регламентируется в зависимости от категории бесперебойности поставки ЭЭ приемникам потребителя. Основным требованием к бесперебойности поставки ЭЭ является количество независимых источников питания, присоединенных к зажимам ЭП потребителя. Нарушение бесперебойной поставки ЭЭ оценивается такими показателями, как ожидаемый объем недоотпуска электроэнергии ДЭ (как правило, годового) и связанная с ним вероятность отказа q системы

электроснабжения (СЭС) по отношению к данному узлу нагрузки. Причиной нарушения бесперебойной поставки ЭЭ являются отказы элементов РЭС, главным образом: воздушные и кабельные линии электропередачи, коммутационные аппараты, силовые трансформаторы. Отказы элементов РЭС вызваны как человеческим фактором, так и физическим их износом из-за выработки сверхнормативного срока службы. Согласно статистическим данным, наиболее уязвимой частью элементов РЭС к эксплуатационным факторам является твердая изоляция их токоведущих частей, а основным эксплуатационным фактором является температура нагрева активных частей электрооборудования (ЭО).

II. Моделирование надёжности работы элементов

СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

А. Интенсивность внезапных и постепенных отказов элементов систем электроснабжения

Отказы элементов СЭС могут формироваться кратковременно и продолжительно. Время возникновения отказа элемента зависит от трех составляющих: 1) амплитуды воздействующего фактора; 2) продолжительности воздействия; 3) сопротивления элемента фактору воздействия.

Внезапные отказы (например, импульсные напряжения, токи короткого замыкания) характеризуются большими амплитудами (с кратностями от нескольких единиц и более) и кратковременностью (от микросекунд до несколько секунд) воздействия факторов и связаны с переходными процессами в электрических сетях. Постепенные отказы (например, перенапряжения, допустимая токовая перегрузка, высшие гармонические и несимметричные составляющие тока или напряжения) характеризуются малыми амплитудами факторов (с кратностями менее единицы до нескольких единиц) и продолжительны во времени (часы-годы), наблюдаются в установившихся режимах работы электрических сетей. Поэтому эквивалентная интенсивность отказов Х_э элемента СЭС будет складываться из суммы интенсивностей внезапных Х и постепенных X отказов :

Для формализации технического состояния элемента СЭС необходимо определить свойства потока событий, происходящих в процессе его эксплуатации. Из теории массового обслуживания известно, что по отношению к потоку событий необходимо установить его свойства ординарности, последействия и стационарности. Так, например, простейшим является пуассоновский поток, которым описываются внезапные отказы:

Изменение во времени интенсивности постепенных отказов зависит от большого количества влияющих параметров. Главным свойством постепенных отказов является их накопление (кумулятивность), то есть с течением времени интенсивность отказов монотонно возрастает:

Таким образом, выражение (1) перепишется как

Вероятность безотказной работы элемента СЭС р(б) при начальном ее значении р₀ связана с его эквивалентной интенсивностью отказов Х_э следующим выражением:

В. Оценка надёжности работы распределительных трансформаторов

Среди элементов РЭС силовые трансформаторы занимают особое место, так как их отказы приводят к наиболее тяжелым последствиям и продолжительному восстановлению нормальной схемы СЭС. В процессе эксплуатации силовые трансформаторы РЭС не подвергаются текущим и капитальным ремонтам, а эксплуатируются до полного отказа.

При работе в условиях ухудшенного качества электрической энергии (КЭ) отказ силового трансформатора происходит быстрее, что наносит ущерб потребителю и электросетевой организации. Кондук- тивные помехи, распространяющиеся по токоведущим частям элементов РЭС, создают дополнительный нагрев. Дополнительный нагрев ускоряет процесс износа и старения изоляции обмоток силовых трансформаторов, что приводит к сокращению их срока службы в целом. Таким образом, надежность работы силовых трансформаторов определяется классом нагревостойкости главной изоляции их обмоток.

На Рис. 1 показано семейство графиков зависимости кумулятивной интенсивности отказов Х изоляции силового трансформатора от кратности срока службы К_сл:

Сплошные линии на Рис. 1 соответствуют тепловому воздействию тока нагрузки, а штриховые линии - воздействию тока нагрузки и кондуктивных помех (токи высших гармоник 5, 7, 11 и 13-го порядка и токи обратной последовательности основной частоты). Как видно из Рис. 1, графики зависимости Х от дополнительного воздействия кондуктивных помех проявляются после наработки 50 % от ожидаемого срока службы ЭО (К_сл > 0,5). Следовательно, без проведения ремонтно-восстановительных работ после половины ожидаемого срока службы возрастает вероятность отказа силового трансформатора, подверженного воздействию от ухудшенного КЭ.

С. Оценка надёжности работы асинхронных двигателей в системах собственных нужд крупных энергетических объектов

Асинхронные двигатели (АД) приводят в действие рабочие механизмы как на промышленных предприятиях, так и в системах собственных нужд (с. н.) крупных энергетических объектов (мощные трансформаторные подстанции, электростанции). Обеспечивая нормальную работу основного ЭО (силовые трансформаторы с системой охлаждения ДЦ, синхронные генераторы), АД с. н. оказывают косвенное влияние на бесперебойность поставки ЭЭ потребителям.

Надежность работы АД определяется целостностью изоляции обмоток статора. Нагрев обмоток АД зависит от режима работы приводимого им в движение исполнительного механизма. АД с продолжительным режимом работы редко запускаются, и параметры их режима относятся к установившемуся процессу. Загрузка на валу таких АД близка к номинальной, то есть параметры режима соответствуют паспортным значениям. Поэтому воздействие кондуктивных помех на питающих зажимах приводит к дополнительному износу изоляции этих АД. Предлагается оценку сработанного ресурса АД проводить в разрезе года с учетом изменения температуры окружающей среды (Рис. 2).

Вероятность отказа АД q оценивается по суммарной температуре нагрева обмотки статора 0_об, превышающей температурный индекс изоляционного материала:

В результате компьютерного моделирования с помощью генератора псевдослучайных чисел и по формулам (10), (11) получена диаграмма зависимости вероятности отказа АД от коэффициента искажения напряжения К_шна его зажимах (Рис. 3) за один год:

Как видно из диаграммы рис. 3, максимальный прирост вероятности отказа АД наблюдается при значении К_ш = 8,29 %, когда наибольший вклад в перегрев обмотки статора вносят высшие гармонические составляющие напряжения 5-го порядка.

III. Методика оценки недоотпуска электроэнергии

ОТ ВЛИЯНИЯ УХУДШЕННОГО КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Рассмотрим двухтрансформаторную подстанцию РЭС напряжением 10 кВ, питающую двигательную нагрузку. На основании принципиальной электрической схемы подстанции (Рис. 4, а) получаем расчетную схему по оценке НЭС двигательной нагрузки (Рис. 4, б).

Элементами, подверженными ухудшенному КЭ, являются силовые трансформаторы Т1, Т2 и асинхронные двигатели М1-М4. Расчетная схема (Рис. 4, б) может находиться в следующих состояниях: (1) - рабочее состояние схемы; (2) - отказ а или А; (3) - отказ Ь или В; (4) - отказ с; (5) - отказ й; (6) - отказ элементов а или А, с; (7) - отказ элементов Ь или В, й; (8) - отказ С1; (9) - отказ С2; (10) - отказ Ш; (11) - отказ Б2; (12) - отказ схемы. Далее построим граф переходов и состояний расчетной схемы (рис. 5).

Согласно графу переходов и состояний записывается система дифференциальных уравнений (СДУ) Колмогорова :

В результате решения СДУ (13) получаем зависимости вероятностей состояния расчетной схемы от времени Рі = /(ґ). В частности, на Рис. 6 представлена зависимость вероятности отказа Q расчетной схемы от кратности срока службы К_сл.

Из Рис. 6 следует, что при К_сл = (0 ^ 0,2) вероятность отказа Q возрастает по экспоненциальной зависимости, что свидетельствует о преобладании внезапных отказов. Далее значение Q стабилизируется, и при К_сл > 0,5 проявляются постепенные отказы, накопленные за предшествующий период эксплуатации.