Абдурахманов Абдула Мухтарович. Разработка моделей надежности коммутационного оборудования и рекомендаций по их применению в задачах электроэнергетики

Краткое описание

Абдурахманов Абдула Мухтарович. Разработка моделей надежности коммутационного оборудования и рекомендаций по их применению в задачах электроэнергетики : диссертация ... кандидата технических наук : 05.14.02 / Абдурахманов Абдула Мухтарович; [Место защиты: ГОУВПО "Московский энергетический институт (технический университет)"]. - Москва, 2008. - 132 с. : 7 ил.

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
На правах рукописи
Ю4.20 0.Є 08205 -
Абдурахманов Абдула Мухтарович
РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ КОММУТАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ И РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ИХ ПРИМЕНЕНИЮ В ЗАДАЧАХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ
05.14.02 - Электростанции и электроэнергетические системы
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель доктор технических наук, профессор
Шунтов А.В.
Москва, 2007 г.
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава первая. АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ КОММУТА-ЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ 11
1.1. Постановка задачи 11
1.2. Анализ моделей надежности 12
1.3. Показатели надежности 19
1.4. Выводы 22
Глава вторая. ФОРМИРОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ КОММУТАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ 25
2.1. Постановка задачи 25
2.2. Модель потока отказов 26
2.3. Классификация отказов 29
2.4. Модель надежности выключателя 35
2.5. Модель надежности системы сборных шин 40
2.6. Динамика характеристик надежности 42
2.7. Статистические методы обработки результатов 43
2.8. Выводы 46
Глава третья. ОБОСНОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ КОММУТАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ 48
3.1. Постановка задачи 48
3.2. Структура параметра потока отказов выключателей 49
3.3. Модель отказов присоединений 53
3.4. Модель отказов систем сборных шин 65
3.5. Время восстановления 71
3.6. Динамика параметра потока отказов выключателей 73
3.7. Статистическая оценка результатов 82
3.8. Выводы 85
Глава четвертая. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА МОДЕЛЕЙ НА-ДЕЖНОСТИ КОММУТАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ 89
4.1. Постановка задачи 89
4.2. Практические методы оценки надежности схем электроустановок ... 89
4.3. Сравнительная оценка моделей в кольцевых схемах 102
4.4. Сравнительная оценка моделей в радиальных схемах 110
4.5. Учет систем сборных шин 116
4.5. Выводы 118
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 120
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 125
ПРИЛОЖЕНИЕ 133
ВВЕДЕНИЕ
Проблема обеспечения надежности электроэнергетических систем (далее сокращенно энергосистем или систем) была и остается актуальной. Анализ фактического материала показывает, что проблеме оценки надежности схем электроустановок уделяется все больше внимания. В частности, в последнее время в силу известных причин возрос интерес к проблеме как обеспечения на-дежности энергосистем на стадии ввода новых генерирующих мощностей, так и при сооружении подстанций и линий электропередачи.
При решении задачи оценки надежности схем электроустановок, необхо-димо располагать объективными методами оценки надежности. Их основой яв-ляются математические модели элементов схем электроустановок. В свою оче-редь, от корректного выбора моделей зависит как простота и удобство анализа, так и достоверность результатов оценки надежности.
В настоящее время в нашей стране существуют более десяти методик оценки надежности схем электрических соединений электроустановок. Основ-ное отличие методик заключается в модели надежности коммутационного обо-рудования. Помимо этого возникает достаточно большой разброс в приводимых различными авторами показателях надежности.
Таким образом, возникает проблема выбора методики оценки надежно-сти, модели надежности и показателей надежности коммутационного обору-дования.
Теоретические основы существующих методов отражены в многочислен-ных отечественных и зарубежных публикациях. Так, в работах [Bl, В2] иссле-дована эксплуатационная надежность оборудования распределительных уст-ройств (РУ) на начальном этапе формирования отечественных энергосистем и предложены модели отказов оборудования. В [ВЗ-В16] предложены различные по уровню учитываемых факторов модели надежности оборудования.
Однако в созданных методиках, как правило, не приводятся расчетные условия, при которых получена модель надежности коммутационного оборудо-вания. В итоге за полувековую историю у специалистов так и не сформирова-
4
лось его общепринятой модели отказа, а по большому счету и доверия к ре-зультатам оценки надежности схем электрических соединений.
Моделью надежности коммутационного оборудования необходимо распо¬лагать при решении относительно разноплановых задач, в том числе: обоснова¬нии конструкций выключателей, оценке надежности схем электроустановок, при определении частоты планово-предупредительных ремонтов или межре¬монтных периодов. Таким образом, модели надежности следует классифициро¬вать в соответствии с классом решаемой задачи. Как показывает анализ факти¬ческого материала, а именно статистических данных по отказам, в модели на¬дежности коммутационного оборудования требуется учитывать свойства на¬дежности электрических аппаратов (собственно выключателя с приводом, из¬мерительных трансформаторов, разъединителей), устройств релейной защиты и автоматики (РЗА), условия ремонтно-эксплутационного обслуживания, природ¬но-климатические и ряд других факторов.
Таким образом, существо научно-технической проблемы, которой была посвящена диссертационная работа, состояла в исследовании структуры отка-зов коммутационного оборудования в энергосистемах путем обобщения об-ширных фактических статистических данных, выявления причинно-следственных связей основных влияющих факторов и на этой основе - разра-ботке научно обоснованных рекомендаций по формированию и использованию моделей надежности рассматриваемого оборудования при решении проектно-конструкторских и эксплуатационных задач: совершенствование конструкций выключателей и РУ, планирование их ремонтно-эксплуатационного обслужива-ния, а также обоснование и выбор схем электрических соединений электроуста-новок.
Цель работы и задачи исследований.
Цель работы заключается в создании теоретических и практических по-ложений, связанных с разработкой и уточнением моделей надежности коммута-ционного оборудования в энергосистемах с учетом фактических эксплуатаци-онных данных за длительный временной интервал в одной из крупнейших элек¬тросетевых компаний страны, совокупность которых представляет решение на¬учно-технической задачи, имеющей существенное значение для электроэнерге¬тической отрасли.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
- выявлены статистические закономерности в структуре отказов коммута¬ционного оборудования путем обобщения обширного фактического материала и исследования динамики соответствующих параметров надежности в сетях ПО- 75 0 кВ энергосистем;
- проанализирована эволюция моделей надежности коммутационного оборудования в схемах коммутации электроустановок, обоснованы причинно¬следственные связи в структуре отказов;
- сформированы научно обоснованные рекомендации по применению мо¬делей надежности коммутационного оборудования в схемах коммутации 110 кВ и выше.
Достоверность основных теоретических положений определяется тем, что полученные результаты подтверждены значительными объемами фактиче-ских статистических данных, детальным анализом основных влияющих факто-ров, расчетных условий и причинно-следственных связей, а так же опытом про-ектирования и эксплуатации объектов электросетевых объектов на современном этапе.
Научная новизна работы и личный вклад автора состоит в решении на-учно-технической задачи, имеющей существенное значение для электроэнерге-тической отрасли и заключающейся в разработке научно обоснованных реко-мендаций, связанных с выбором моделей надежности коммутационного обору-дования в энергосистемах при решения проектно-конструкторских и эксплуата-ционных задач.
Новое решение этой задачи заключается в исследовании причинно-следственных связей, проявляющихся в структуре, параметрах и динамике отка¬зов коммутационного оборудования сетей 110-750 кВ одной из крупнейших электросетевых компаний. Такая концепция реализована впервые и потребовала привлечения обширных статистических данных. В результате автором диссер¬тационной работы впервые получены следующие новые научные результаты:
1. Реализован комплексный подход к разработке и уточнению моделей надежности коммутационного оборудования в сетях 110-750 кВ, заключаю¬щийся в исследовании причинно-следственных связей основных влияющих факторов, а также поиске и учете новых свойств этих моделей. Это позволило предложить в рассматриваемой предметной области новые взгляды на тради¬ционно принимаемые решения, влияющие на надежность и экономичность энергосистем.
2. Доказано, что поток отказов коммутационного оборудования имеет сложную структуру, кроме того, зависящую от длительности эксплуатации оборудования, и приводит к многократным разбросам значений рассматривае-мого параметра: в 2-6 раз по компонентам и в 4—5 раз по длительности экс-плуатации. Это принципиально и важно учитывать при совершенствовании конструкций выключателей, планировании их ремонтно-эксплуатационного об-служивания, а так же при обосновании и выборе схем электрических соедине-ний электроустановок.
3. Установлена нелинейная взаимосвязь между продолжительностью экс¬плуатации коммутационного оборудования и его параметром потока отказов, что позволило сформулировать рекомендации по повышению качества работ в электроустановках и совершенствованию системы учета технологических на¬рушений в энергосистемах.
4. Уточнены модели надежности коммутационного оборудования в энер¬госистемах, что дает возможность более обоснованно подойти к решению ком¬плексной задачи обеспечения надежности и экономичности режимов работы электростанций, электрических сетей и энергосистем в целом.
Практическое значение и внедрение.
1. Примененный подход и полученные на его основе рекомендации по моделям надежности коммутационного оборудования в энергосистемах позво-ляют на практике повысить достоверность и устойчивость принимаемых реше-ний, а также надежность и экономичность электроустановок.
2. Разработанные практические рекомендации, а так же обобщенные ста-тистические данные используются в «Магистральных электрических сетях Центра» (МЭС Центра) - филиале ОАО «ФСК ЕЭС» при решении широкого спектра задач ремонтно-эксплуатационного обслуживания: совершенствования конструкций выключателей, планирования их ремонтов, а также обоснования и выбора схем энергообъектов при новом строительстве, реконструкции и техни-ческом перевооружении.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Применение комплексного подхода к оценке моделей надежности ком¬мутационного оборудования в сетях 110-750 кВ энергосистем.
2. Обоснование структуры и параметров отказов коммутационного обо¬рудования в энергосистемах.
3. Оценка областей применения моделей надежности коммутационного оборудования в схемах коммутации 110 кВ и выше.
Апробация работы.
По результатам исследований сделаны доклады на следующих конферен-циях: 11-я, 12-я и 13-я международная научно-техническая конференция сту-дентов и аспирантов (Москва, 2005, 2006, 2007).
В полном объеме диссертация докладывалась на 79-м международном научном семинаре им. Ю.Н.Руденко «Методические вопросы исследования на-дежности больших систем энергетики» (Вологда, 2007) а также на заседании кафедры электрических станций Московского энергетического института (Тех-нического университета) (Москва, 2007).
Публикации по проведенным исследованиям имелись в журналах «Электричество» (2007), «Электрические станции» (2005, 2005, 2007, 2007), в трудах трех конференций. Количество публикаций по теме диссертации со-ставляет девять печатных работ, из них пять в центральных изданиях.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения (актов внедрения результатов работы).
В первой главе анализу подвергнуты существующие методы оценки на-дежности схем электроустановок и модели отказов коммутационного оборудо-вания. Проведен сравнительный анализ и критический обзор публикаций по проблеме. Выполнена общая постановка задачи. Сформулирована методологи-ческая направленность исследований. Показано, что структура параметра пото-ка отказов выключателя должна соответствовать классу решаемой задачи, будь то анализ конструкций электрических аппаратов, планирование их ремонтно-эксплуатационного обслуживания или обоснование и выбор схем коммутации электроустановок.
Во второй главе сформированы модели надежности коммутационного оборудования, которые позволяют по результатам исследования и обработки статистических данных по отказам выбрать наиболее предпочтительные и объ-ективные модели надежности коммутационного оборудования.
В третьей главе выполнено обоснование моделей надежности на осно-вании анализа статистических данных работы коммутационного оборудования в нашей стране и за рубежом как для присоединения, так и для систем сборных шин в отдельности. Выявлены причинно-следственные связи в обширных мас-сивах исследованных отказов. В частности оценено влияние средств РЗА на на-дежность присоединения. Составлена классификация отказов и структура па-раметра потока отказов. Выявлена динамика изменения параметра потока отка-зов в зависимости от срока эксплуатации. Анализируются статистические дан-ные по отказам за рубежом. Предложена модель отказа выключателя, коррели-руемая с фактическими эксплуатационными данными. Даны рекомендации по выбору средств повышения надежности коммутационного оборудования
В четвертой главе выполнено сравнение методик оценки надежности схем электроустановок при использовании существующих и на базе предло¬женной новой более объективной модели надежности коммутационного обору¬дования и системы сборных шин. По результатам оценок даны рекомендации по выбору конкретных моделей надежности коммутационного оборудования.
По мнению автора, проведенные исследования по изучению надежности коммутационного оборудования, а так же схем РУ в энергосистемах и получен-ные новые результаты окажутся полезными для инженерно-технических работ-ников проектных организаций, энергосистем, а также студентов вузов.

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработаны теоретические и практические положения, связанные с выбором моделей и показателей надежности коммутационного оборудования в условиях фактической эксплуатации реальных энергосистем, совокупность которых представляет решение научно-технической задачи, имеющей существенное значение для электроэнергетической отрасли.
1. Реализован комплексный подход к разработке и уточнению моделей надежности коммутационного оборудования в сетях 110-750 кВ, заключающийся в исследовании причинно-следственных связей основных влияющих факторов, а также поиске и учете новых свойств этих моделей. Это позволило предложить в рассматриваемой предметной области новые взгляды на традиционно принимаемые решения, влияющие на надежность и экономичность энергосистем.
При этом необходимо, что бы структура параметра потока отказов выключателя соответствовала классу решаемой задачи, будь то анализ конструкций электрических аппаратов, планирование их ремонтно¬эксплуатационного обслуживания или обоснование и выбор схем коммутации электроустановок.
2. Доказано, что параметр потока отказов коммутационного оборудования имеет объемную структуру, кроме того, зависящую от срока эксплуатации оборудования, и приводит к многократным разбросам значений рассматриваемого параметра: в 2—6 раз по компонентам и в 4—5 раз по сроку эксплуатации. Это принципиально и важно учитывать при совершенствовании конструкций выключателей, планировании их ремонтно¬эксплуатационного обслуживания, а так же при обосновании и выборе схем электрических соединений электроустановок.
3. Установлена взаимосвязь между продолжительностью эксплуатации коммутационного оборудования и его надежностью, что позволило сформулировать рекомендации по повышению качества работ в
электроустановках и совершенствованию системы учета технологических нарушений в энергосистемах.
Большое количество отказов выключателей в начальной зоне приработки заставляет обратить пристальное внимание на состояние работ по приемо-сдаточным испытаниям оборудования. Недопустимо, когда на первые годы эксплуатации приходится до 25-40% всех отказов выключателей.
Стабилизация количества отказов выключателей на уровне 2%/год. (в пять раз меньше, чем на начальных этапах эксплуатации) на длительных временных интервалах, исчисляемых десятками лет, — положительный фактор. Однако необходимо тщательное технико-экономическое сопоставление целесообразности поддержания в работоспособном состоянии устаревших и снятых с производства выключателей по сравнению с заменой их на новые типы оборудования.
4. Уточнены модели надежности коммутационного оборудования в энергосистемах, что дает возможность более обоснованно подойти к решению комплексной задачи обеспечения надежности и экономичности режимов работы электростанций, электрических сетей и энергосистем в целом. .
Получены новые практические результаты:
5. Предложены рекомендации по объективному выбору моделей надежности коммутационного оборудования в энергосистемах при решения проектно-конструкторских и эксплуатационных задач, позволяющие повысить надежность и экономичность электроустановок:
— принципиально- и важно учитывать при решении задач совершенствования конструкций выключателей и распределительных устройств, планирования их ремонтно-эксплуатационного обслуживания, а так же при обосновании и выборе схем электрических соединений электроустановок учитывать структуру параметра потока отказов. В общем случае, если за базисное значение взять отказы собственно выключателей с приводом (100%), значение параметра потока отказов при учете структуры может изменяться в достаточно широких диапазонах (до 2-6 раз). Эти значения могут существенно измениться в большую сторону (до 12 раз), если учесть динамику параметра потока отказов;
- при рассмотрении модели надежности с классификацией отказов коммутационного оборудования по условию возникновения, будь то в
статическом состоянии, при оперативных переключениях или при
отключении КЗ, допустимо не выделять отказы при отключении КЗ из общей группы отказов. Анализ фактического материала показывает, что отказы в статическом состоянии, при оперативных переключениях и отказы при отключении КЗ проявляются достаточно равномерно: их частота
возникновения в среднем составляет 30-40%. Таким образом, в модели отказа коммутационного оборудования не имеет большого смысла особо выделять отдельные режимы;
- классификация отказов по месту установки выключателей в схеме коммутации в целом себя оправдывает, поскольку аварийность
выключателей в цепях линий электропередачи на 6—25% выше, чем в других цепях. Однако данный фактор менее важен по сравнению с корректностью учета многокомпонентности при определении параметра потока отказов (см. выше). Поэтому для упрощения расчетов надежности схем электрических соединений, по-видимому, допустимо не разделять отказы выключателей’по месту их установки;
- структура отказов по их распределению между составляющими присоединения (собственно выключатель с приводом, трансформаторы тока, разъединители с ошиновкой, средства РЗА привязанные к ячейке) показал, что в ряде случаев собственно выключатель с приводом не является первопричиной отказа присоединения. Так по статистическим данным отношение количества отказов выключателей из-за нарушений работы устройств РЗА к отказам собственно выключателей с приводами составляет 0,57; 0,77; 0,64; 1,46 и 0,71 при напряжении соответственно 110; 220; 330; 500
и 750 кВ. Таким образом, в ряде случаев влияние РЗА на параметр потока отказов выключателей более весомый фактор по сравнению с их конструктивными особенностями и условиями ремонтно-эксплуатационного обслуживания, что принципиально и важно учитывать при решении задач повышения надежности схем электроустановок;
— известные типы отказов выключателя («КЗ в одну (каждую) сторону», «КЗ в обе стороны», «разрыв») фактически можно рассматривать в качестве условно независимых случайных событий, поскольку на каждого из них ориентировочно пришлось Ул общего числа отказов выключателей. Данный факт подтверждает вывод П.Г.Грудинского, полученный 50- лет назад, что лишь Уг отказов присоединений приводит к отключению сборных шин электроустановок в схеме с двумя системами сборных шин. Действительно, погашение системы сборных шин в рассматриваемой^ схеме* происходит при* отказе типа «КЗ в обе стороны» (Ул отказов) и отказе типа * «КЗ в одну сторону» (!Л отказов) - в сторону сборных шин. Таким образом, публикуемые последние десятилетия в специализированной литературе значения коэффициента, характеризующего долю отказов типа «КЗ в обе стороны» на уровне 0,6-0,7 и более представляются необоснованно завышенными;
— погашения подстанций 500 кВ из-за отказов на сборных шинах 110-220 кВ, т.е. на вторичной стороне подстанций, преимущественно связаны с тем, что на них использованы схемы коммутации с двумя
системами сборных шин. В таких схемах на каждом присоединении;
присутствуют развилки из двух шинных разъединителей. Поэтому часть отказов приводит к неустраненным КЗ, одновременно затрагивающим обе- системы сборных шин. Ситуация усугубляется еще и тем, что шинные разъединители выполняют оперативные функции. Это так же увеличивает количество отказов, приводящих к одновременному погашению обеих
систем сборных шин. Поэтому, при реконструкции подстанций необходимо стремиться к использованию в РУ 110-220 кВ схемы с одной
секционированной системой сборных шин с обходной. В таких схемах практически исключены оперативные функции шинных разъединителей и отказы, связанные с одновременным погашением обеих секций системы сборных шин. Использование схемы с двумя системами сборных шин, следует считать вынужденным решением и должно требовать в проектах специального обоснования, в первую очередь, с режимных позиций;
- более 1/3 отказов на сборных шинах 110-220 кВ, зафиксированных в период 1993—2004 гг., связаны со старением оборудования. При анализе эксплуатационной надежности сборных шин за период 1978-1992 гг. данный фактор не был заметен. Это свидетельствует о необходимости пристального внимания к первоочередным мероприятиям по организации ремонтной деятельности на предприятиях отрасли, а также к модернизации и техническому перевооружению электроустановок.
Использование практических результатов:
6. Примененный подход и полученные на его основе рекомендации по моделям надежности коммутационного оборудования в энергосистемах
позволяют на практике повысить достоверность и устойчивость
принимаемых решений, а также надежность и ’ экономичность
электроустановок.
2. Разработанные практические рекомендации, а так же обобщенные статистические данные используются в «Магистральных электрических сетях Центра» (МЭС Центра) - филиале ОАО «ФСК ЕЭС» при решении широкого спектра задач ремонтно-эксплуатационного обслуживания:
совершенствования конструкций выключателей, планирования их ремонтов, а также обоснования и выбора схем энергообъектов при новом строительстве, реконструкции и техническом перевооружении. 
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников
ISISI
В.1. Грудинский П.Г. Схемы коммутации электрических станций и под-станций. M.-JL: Госэнергоиздат, 1948.
В.2. Грудинский П.Г. Анализ повреждаемости и условий эксплуатации в распределительных устройствах 110-220 кВ и выводы для проектирования. М.: Министерство электростанций, 1957.
В.З. Ерхан Ф.М., Неклепаев Б.Н. Токи короткого замыкания и надежность энергосистем. Кишинев: Штиинца, 1985.
В.4. Трубицын В.И. Надежность электростанций. - М: Энергоатомиздат,
1997.
В.5. Галлиев И.Ф. Методы расчета надежности энергоустановок электро¬станций. — Казань: КГЭУ, 2005.
В.6. Розанов М.Н. Надежность электроэнергетических систем. М.: Энер¬гоатомиздат, 1984.
В.7. Двоскин Л.И. Схемы и конструкции распределительных устройств. М.: Энергия, 1974. ’
В.8. Китушин В.Г. Надежность энергетических систем. М.: Высшая шко¬ла, 1984.
В.9. Синьчугов Ф.И. Выбор главных схем электрических соединений блочных электростанций // Электрические станции. 1967. №5.
В. 10. Синьчугов Ф.И. Расчет надежности схем электрических соедине-ний. М.: Энергия, 1971. •
В.11. Синьчугов Ф.И. Основные положения расчета надежности электро¬энергетических систем// Электричество. 1980. №4. (Дискуссии - Лосев Э.А. Ос¬новные положения расчета надежности электроэнергетических систем// Элек¬тричество. 1981. №9.
В.12. Жданов В. С. Технико-экономичесая оценка вариантов схем распре¬делительных устройств с учетом надежности. Учебное пособие для курсового проектирования. - М.: МЭИ, 1979. 
В: 13. Грудинский П.Г., Эдельман В.И. Применение метода блок-схем для расчета надежности систем электроснабжения// Электрические станции. 1973. №2.
В. 14. Грудинский П.Г., Горский Ю.М. Метод оценки надежности схем электроснабжения // Труды Московского энергетического института. M.-JL: Госэнергоиздат, 1956, вып. XX.