fd02aed
.pdfПо признаку легкости обнаружения отказы бывают очевидные (явные) и скрытые (неявные).
По времени возникновения отказы подразделяются на прирабо-
точные, возникающие в начальный период эксплуатации, отказы
при нормальной эксплуатации, износовые отказы, вызванные необ-
ратимыми процессами износа деталей, старения материалов и т. п. Отключение – перевод объекта из рабочего в нерабочее со-
стояние.
Преднамеренное отключение – отключение, намеченное и вы-
полненное обслуживающим персоналом.
Восстановление – событие, заключающееся в переходе из неработоспособного состояния в работоспособное.
Включение – перевод объекта из нерабочего состояния в работоспособное.
Старение – процесс постепенного изменения физико-хими- ческих свойств объекта, вызываемый действием факторов, не зависимых от режима работы объекта.
Износ – процесс постепенного изменения физико-химических свойств объекта, вызываемый действием зависящих от режима работы объекта факторов.
Обслуживание – совокупность мер, предпринимаемых для сохранения или восстановления исправности объекта.
Ремонт – совокупность мер, предпринимаемых для восстановления работоспособности объекта.
Оперативные отключения – изменения схемы или режима работы объекта, выполняемые обслуживающим персоналом.
Схема перехода объекта из одного состояния в другое представлена на рис. 2.1.
Ряд важных свойств объекта характеризуют выходные параметры, называемые пороговыми (например, максимальная нагрузка, при которой сохраняется работоспособность изделия, максимально допустимая температура, минимально различимая амплитуда сиг-
нала и др.). Под пороговыми выходными данными подразумеваются граничные значения внешних параметров, при которых еще выполняется тот или иной оговоренный признак правильности функционирования объекта.
91
Требования к выходным параметрам, как правило, задаются в техническом задании (ТЗ). Величины, характеризующие эти требования, называются техническими требованиями (ТТ). Они удовлетворяются за счет изменения управляемых параметров Х.
В процессе проектирования представляют интерес только те значения управляемых параметров Х, которые принадлежат множеству D, образованному пересечением множеств Dx иDg (D = Dx ∩Dg ):
|
Dx = {x |
|
x j min ≤ x j ≤ x j max , j = 1, |
2, ..., n}, |
(2.1) |
||||||||||
|
|
||||||||||||||
|
|
Dg = {x |
|
gi (x)≥ 0, i = 1, 2, ..., |
m}. |
(2.2) |
|||||||||
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 2.1. Схема основных технических состояний объекта: 1 − повреждение; 2 − отказ; 3 − переход в предельное состояние;
4 − восстановление; 5 − ремонт
Выражения (2.1)…(2.2) означают, что множество D состоит из всех тех векторов x = (x1, x2,…, xn), для которых одновременно выполняются системы неравенств:
x j min ≤ x j ≤ x j max , j = 1, 2, ..., n, |
(2.3) |
g(x)≥ 0. |
(2.4) |
92
Множество D называется допустимой областью изменения
управляемых параметров Х. Любой вектор х, принадлежащий допустимой области D (x D), определяет работоспособный (в смысле
удовлетворения техническим требованиям) вариант проектируемого устройства. Иными словами, соотношения между выходными параметрами и техническими требованиями называют условиями работоспособности.
По своей структуре допустимая область D может оказаться выпуклым или невыпуклым множеством, которое, в свою очередь, может быть односвязной или многосвязной областью.
Допустимая область D называется многосвязной, если она состоит из нескольких отдельных частей (выпуклых или невыпуклых), которые не связаны между собой. В противном случае допустимая область D называется односвязной. На рис. 2.2 приведены примеры односвязной D и многосвязных областей D1 и D2.
x2
4
3
2
1
x2 |
|
4 |
|
3 |
D2 |
2 |
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
2 |
3 |
|
|
|
4 x1 |
|
1 |
|
2 |
3 |
4 x1 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
||
|
|
|
Рис. 2.2. Односвязная D (а) и многосвязные D1 и D2 (б) |
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
допустимые области управляемых параметров х1 и х2 |
|
|
|||||||||||||||||||
Для односвязной области |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
D = {x |
|
g1(x) = 0,25 |
x1 − x2 –1 ≥ 0; |
≥ 0}. |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
g |
2 |
(x) = x |
2 |
− x2 |
+ 4x − 4 ≥ 0, x ≥ 0, x |
2 |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
93
~
Для многосвязной области D , состоящей из двух частей
D1 и D2,
g |
2 |
(x)= −x + x 2 |
− 4x + 4 ≥ 0, x ≥ 0, x |
2 |
≥ 0}. |
||
|
2 |
1 |
1 |
1 |
|
||
Пример 2.1. Техническое задание на разработку принципиальной схемы электронного усилителя. Коэффициент усиления K0 на средних частотах должен быть не менее 104; входное сопротивление Rвх на средних частотах – не менее 1 МОм; выходное сопротивление Rвых – не более 200 Ом; верхняя граничная частота fв – не менее 100 кГц; температурный дрейф нуля Uдр – не более 50 мкВ/град; усилитель должен нормально функционировать в диапазоне температур от −50º до +60º С; напряжения источников питания +5 и −5 В; предельные отклонения напряжения источников питания должны быть не более ±0,5 %, усилитель эксплуатируется
встационарной установке.
Вданном случае выходными параметрами являются коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления, граничная
частота, температурный дрейф, т. е. Y = (K0 , Rвх, Rвых, fв, Uдр ). К внешним параметрам относятся температура окружающей
среды и напряжения источников питания.
Внутренние параметры в техническом задании не упоминаются, их перечень и смысл выявляются после синтеза структуры схемы. К внутренним относятся параметры резисторов, конденсаторов, транзисторов (параметры элементов схемы).
Обозначим вектор технических требований через ТТ, т. е.
ТТ= (104, 1 МОм, 200 Ом, 100 кГц, 50 мкВ/град).
Врассмотренном примере условия работоспособности имеют
вид следующих неравенств: K0 ≥ 104, Rвх ≥ 1 МОм, Rвых ≤ 0,2 кОм, fв ≥ 100 кГц, Uдр ≤ 50 мкВ/град.
2.2. Отказы в системах электроснабжения
Как показывает практика, даже наилучшая конструкция, совершенная технология и правильная эксплуатация не исключают полностью отказы. Различают три характерных типа отказов, присущих любым объектам.
94
1.Отказы приработочные, обусловленные дефектами проектирования, изготовления, монтажа. Они в основном устраняются путем «отбраковки» при испытании или наладке объекта. Доля этих отказов снижается по истечении периода приработки объекта.
2.Отказы внезапные (случайные), вызванные воздействием различных случайных факторов и характерные преимущественно для периода нормальной эксплуатации объекта. Особенностью таких отказов является невозможность их предсказания.
3.Отказы постепенные, происходящие в результате износа
истарения объекта. Долговечность работы системы можно увеличить за счет периодической замены наиболее ненадежных составляющих элементов.
Различают два вида отказов:
•отказ в работоспособности объекта;
•отказ в электроснабжении, т. е. отказ функционирования. При анализе надежности систем электроснабжения (СЭС)
имеют в виду два процесса:
•изменение уровня функционирования;
•изменение уровня способности выполнять заданные функции
взаданном объеме, т. е. изменение спроса электроэнергии потребителем.
Возникновение отказа работоспособности объекта не всегда
влечет за собой отказ в электроснабжении, и, наоборот, отказ в электроснабжении потребителя не всегда вызывается отказом работоспособности объекта.
Разделение отказов на полные и частные отражает то, что СЭС и ее части являются объектами с изменяющимся уровнем эффективности функционирования. Например, при повреждении секционированной ЛЭП отключается только часть линии, что означает частичный отказ линии электропередачи (ЛЭП). Ограниченное и некачественное электроснабжение являются типичными отказами функционирования СЭС в отличие от полного перерыва электроснабжения потребителя (полного отказа).
По продолжительности в электроснабжении различают следующие отказы:
95
•длительные перерывы в электроснабжении потребителей, вызываемые многочисленными повреждениями в СЭС, например го- лоледно-ветровыми разрушениями опор и проводов ЛЭП (на период до нескольких суток);
•прекращение питания потребителей на время восстановления работоспособности отказавшего элемента СЭС (от 4 до 24 ч);
•прекращение питания потребителей на время, необходимое для включения резервного элемента вручную оперативно-выезд- ными бригадами предприятий электрических сетей (от 1,5 до 6 ч);
•прекращение питания потребителей на время оперативных переключений, выполняемых дежурным персоналом на подстанциях (несколько минут);
•кратковременные перерывы питания потребителей на время ввода резервного питания или автоматического отключения поврежденного участка сети (несколько секунд).
Сточки зрения информативности отказы бывают:
•внезапные, когда потребитель не получает никакой информации об отказе;
•внеплановые отключения, сведения о которых поступают потребителю незадолго до момента отключения;
•плановые отключения, о которых потребитель предупреждается заблаговременно.
Критериями отказов являются их признаки (проявления), позволяющие установить факт нарушения работоспособного состояния. Они приводятся в нормативно-технической документации на объекты энергетики.
В зависимости от характеристики нарушения, степени повреждения и их последствий учитываются:
•аварии;
•отказы в работе I степени;
•отказы в работе II степени;
•потребительские отключения.
Аварии бывают стационарные, электросетевые, теплосетевые, системные.
На предприятиях электрической сети аварией считаются:
• нарушение нормальной работы электрической сети напряжением 6кВ и выше, вызвавшее:
96
а) перерыв электроснабжения одного и более потребителей I категории, имеющих питание от двух независимых источников, на срок, превышающий время действия устройств АПВ или АВР;
б) перерыв электроснабжения потребителей II категории, при несоответствии схемы питания требованиям Правил устройств электроустановок (ПУЭ) (т.е. не обеспеченным электроснабжением от двух независимых источников питания) на срок более 2,5 ч, а для сельскохозяйственных потребителей – более 10 ч;
в) перерыв электроснабжения одного и более |
потребителей |
II категории на срок более 2,5 ч, а для сельскохозяйственных потре- |
|
бителей II категории – более 10 ч; |
|
г) перерыв электроснабжения одного и более потребителей |
|
III категории на срок более 24 ч; |
|
д) недоотпуск электроэнергии потребителям |
в размере |
20 тыс. кВт·ч и более независимо от длительности перерыва электроснабжения;
•разрушение силового трансформатора мощностью 10 МВА
иболее, если восстановление его невозможно или нецелесообразно;
•повреждение ВЛ 110 кВ и выше, требующее восстановления в течение 24 ч, а также повреждение КЛ 110 кВ и выше, требующее восстановления в течение 24 ч, а также повреждение КЛ 110 кВ, требующее восстановления в течение 36 ч;
•пожар на подстанции с высшим напряжением 110 кВ и выше, вызвавший ее обесточивание на срок 8 ч и более.
Системными авариями считаются:
•нарушение устойчивости работы энергосистемы и разделение ее на части, вызвавшее отключение потребителей на общую мощность более 5 % от нагрузки энергосистемы;
•работы энергосистемы с частотой ниже 49,5 Гц, длительностью более 1 ч;
•многочисленные отключения или повреждения ЛЭП напряжением 6 кВ и выше из-за стихийного явления, приведшие к отключению потребителей на общую мощность более 10% нагрузки энергосистемы.
Отказом в работе I степени являются:
•нарушение нормальной работы электрической сети, вызвавшее перерыв электроснабжения одного и более потребителей I категории при несоответствии схемы их питания требованиям ПУЭ,
97
либо одного и более потребителей II категории на срок от 0,5 до 2,5 ч, а для сельскохозяйственных потребителей – от 2 до 10 ч; одного и более потребителей III категории на срок от 8 до 24 ч; недоотпуск электроэнергии потребителям от 5 до 20 тыс. кВт·ч;
•повреждение основного электрооборудования сетей, требующее восстановительного ремонта в установленные сроки;
•повреждение ВЛ или КЛ 35 (110) кВ, требующее восстановительного ремонта в срок до 24 (36) ч.
К отказам в работе II степени относятся нарушения нормальной работы электрических сетей, в том числе:
•перерывы в электроснабжении потребителей, не являющиеся аварией I степени;
•повреждение некоторых видов оборудования;
•недовыполнение диспетчерского графика электрической нагрузки или оперативного задания диспетчера;
•автоматическое отключение или ошибочное отключение оборудования персоналом;
•обесточивание участков электросети напряжением ниже 6 кВ.
Под потребительским отключением понимают отключение
оборудования из-за неправильных действий персонала потребителя.
2.3. Показатели надежности объекта
Показатель надежности − это количественная характеристика одного или нескольких свойств, составляющих надежность объекта. Различают единичные и комплексные показатели надежности.
Единичный показатель характеризует одно из свойств надежности объекта. К единичным показателям относятся показатели безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости. В технической диагностике используются в основном показатели безотказности и ремонтопригодности. Поэтому рассмотрим именно эти показатели надежности.
Безотказность объекта характеризуют следующие показатели:
•вероятность безотказной работы;
•средняя наработка до отказа;
•средняя наработка на отказ;
98
•интенсивность отказов;
•параметр потока отказов.
Основные показатели ремонтопригодности:
•вероятность восстановления;
•среднее время восстановления;
•интенсивность восстановления.
Комплексный показатель надежности характеризует несколь-
ко свойств, составляющих надежность объекта. К основным комплексным показателям относятся коэффициенты готовности, оперативной готовности, коэффициент простоя, коэффициент технического использования.
Рассмотрим указанные показатели надежности более подробно.
Вероятность безотказной работы − это вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникает, т. е. время T безотказной работы объекта будет больше времени функционирования t:
P(t)= P{T > t}. |
(2.5) |
Величина Т является случайной: любой из объектов данного типа отказывает в произвольный, заранее неизвестный момент времени. Для очень большой совокупности объектов существует закономерность, при которой с вероятностью Р(t) любой из объектов проработает безотказно время Т, большее, чем заданное. В этом заключается математический смысл данного показателя безотказности.
Статистически значение Р(t) оценивается отношением числа объектов, продолжающих после истечения времени t безотказно работать, к общему числу N объектов, работоспособных в момент времени t = 0:
P (t)=1− |
n(t) |
|
, n (t)≤ N, |
(2.6) |
|
N |
|||||
|
|
|
|||
где P (t) − статистическая оценка вероятности безотказной работы;
n (t) – число объектов, отказавших за время t. Формула (2.6) применяется для оценки надежности невосстанавливаемых объектов,
99
и основным условием получения достоверной оценки является накопление большого числа опытных данных. В соответствии с законом больших чисел по мере увеличения числа испытуемых объектов N статистические показатели надежности, в данном случае
P (t), становятся все менее случайными и, таким образом, все точ-
нее оценивают неизвестные значения вероятностных показателей, в данном случае Р(t).
Из определения вероятности безотказной работы следует, что этот показатель надежности является функцией времени, обладающей следующими свойствами: 1) Р(t) − убывающая функция време-
ни; 2) 0 ≤ P(t)≤1; 3) Р(0) = 1, P(∞)= 0.
Вероятность безотказной работы изделия в целом, состоящего из последовательно соединенных узлов, сборочных единиц, определяют по формуле
k |
|
P(t) = ∏Pj (t), |
(2.7) |
j=1 |
|
где Pj(t) − вероятность безотказной работы за время |
j-го узла; |
k − число узлов структурной схемы надежности. |
|
Наряду с безотказной работой используется противоположное событие − отказ, при этом вероятность отказа объекта Q (t) определяется соотношением
Q (t) = P {T ≤ t}=1− P(t). |
(2.8) |
Функция Q (t) представляет собой при 0 ≤ t ≤ ∞ функцию распределения случайной величины Т. Статистические значения Q(t) оцениваются отношением числа объектов, отказавших за время t, к общему числу объектов, работоспособных в момент t = 0:
Q (t) = |
n(t) |
. |
(2.9) |
|
|||
|
N |
|
|
Показатели безотказности, полученные в различных условиях испытаний или эксплуатации, различаются по величине. Поэтому должны оговариваться или стандартизироваться не только значения показателей, но и условия, для которых они заданы или при которых они получены.
100