3. Влияние качества электроэнергии на эксплуатацион- ные свойства электрооборудования

Одним из факторов, оказывающих серьезное влияние на эффек­тивность работы электрооборудования и приводящих к ухудшению эксплуатационно-технических характеристик, к преждевременному выходу его из строя, является низкое качество электроэнергии на зажимах электроприемников. Причины появления недопустимых значений показателей каче­ства электроэнергии в условиях сельской электрификации связаны с дефицитом реактивной мощности в узлах нагрузки, неправиль­ным проектированием трансформаторных подстанций, перегрузка­ми сетей низкого напряжения, чрезмерно большими потерями на­пряжения в распределительных сетях, отсутствием и неправильной эксплуатацией регулирующих устройств.

Требования к качеству электроэнергии регламентируются ГОСТ 13109—87. Основными показателями качества электроэнер­гии являются: отклонения напряжения, размах колебаний на­пряжения, доза колебаний напряжения, коэффициент несинусоидальности кривой напряжения, коэффициент обратной последовательности, коэффициент нулевой последовательности, отклонение частоты, длительность провала напряжения, величина импульсного напряжения. ГОСТ 13109—87 устанавливает нормальный и максимальный пределы изменения по отдельным показателям. Так, отклонения напряжения должны составлять ±5 и ±10% соответственно, от­клонения частоты ±0,02 и ±0,04%, коэффициент несинусоидаль­ности 5 и 10 %.

Отклонения напряжения оказывают существенное влияние на работу электрических двигателей, осветительных приборов, элект­ронагревательных элементов. При увеличении напряжения изменяются потери в электриче­ских машинах. Установлено, что при U = +10% Uном изменения мощности составляют 3%. Изменение напряжения на 1 % приводит к росту реактивной мощности на 3 %.

При снижении напряжения увеличивается ток и двигатель на­чинает греться. Наблюдается преждевременный выход из строя его изоляции. Уменьшение напряжения приводит к изменению вращающего момента асинхронного электродвигателя. Известна квадратичная зависимость величины напряжения от вращающего момента.' При значительных провалах напряжения происходит «опрокидывание» электродвигателя и выход его из строя.

Весьма чувствительны к отклонениям напряжения осветитель­ные установки.

Значительные отклонения напряжения в бытовых сетях приво­дят к массовому использованию стабилизаторов напряжения, при этом расходуется дефицитная сталь, резко возрастает потребление реактивной мощности.

Колебания напряжения представляют собой быстрые измене­ния, возникающие при ударных отклонениях нагрузки, коротких замыканиях в сети, включении мощных асинхронных электродви­гателей. Колебания напряжения приводят к мерцанию осветитель­ных ламп, влияют на четкость восприятия предметов, снижают производительность труда, ухудшают самочувствие работающих. Помимо колебаний напряжения в последнее время большое вни­мание уделяется импульсным перенапряжениям, возникающим на зажимах электроприемников при аварийных ситуациях в сети (ко­роткие замыкания, грозовые воздействия и т. д.). Величина напря­жения в этих случаях может достигать 1000. ..1500 В при длитель­ности 0,1...10 мкс. Чувствительны к таким перенапряжениям ап­параты на современной полупроводниковой элементной базе. До 50 % всех выходов из строя бытовой радиоэлектронной аппарату­ры обусловлено подачей некачественного напряжения. При исполь­зовании ЭВМ и других устройств дискретной техники могут быть сбои информации.

В качестве средств уменьшения колебаний напряжения можно рекомендовать раздельное питание ударной нагрузки, использова­ние продольной емкостной компенсации, применение синхронных машин с быстродействующей системой регулирования напря­жения.

Для сетей сельскохозяйственного назначения характерна не­равномерность распределения нагрузки по фазам и, как следствие, несимметрия напряжений, сопровождающаяся протеканием тока в нулевом проводе. Несимметрия напряжений приводит к дополни­тельному нагреву обмоток и сокращению срока службы электро­двигателей. При величине несимметрии в 4 % и работе с номиналь­ным вращающим моментом срок службы асинхронного двигателя сокращается вдвое. Помимо этого наблюдаются ложные срабаты­вания или неправильная работа устройств защиты и автоматики.

Несинусоидальность кривой напряжения обусловлена наличием среди электроприемников нелинейных элементов: сварочных транс­форматоров, выпрямительных устройств, дуговых печей и др. В результате появляются высшие гармонические составляющие, что нежелательно, т. к. возникают дополнительные потери энергии в элементах сетей, перегружаются силовые конденсаторные установ­ки. При наличии гармоник наблюдается заостренная форма кривой напряжения, приводящая к ускоренному старению изоляции элект­рических машин и трансформаторов. Высшие гармоники вызывают трудности в эксплуатации релейной защиты и автоматики, в рабо­те преобразователей на тиристорах.

В качестве мер борьбы с несинусоидальностью кривой напря­жения рекомендуется использование фильтров, а также питание устройств, создающих гармоники, от отдельных трансформаторов.

Особенно важно поддерживать у электроприемников требуемые значения отклоне­ний напряжения. Среди первоочередных мер решения поставленной задачи мож­но рекомендовать:установку ПБВ трансформаторов потребительских трансфор­маторных подстанций в правильное положение,обоснованный выбор устройств автоматического регулирования напряжения,обеспечение встречного регулирования,систематический контроль напряжения в распределительных сетях.

4.НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

Теория надежности изучает процессы возникновения отказов ■объектов и способы борьбы с этими отказами. Объекты,, изучаемые в теории надежности,— это изделия, элементы, системы.

Под системой понимают совокупность совместно действующих элементов с определенными связями, предназначенную для выпол­нения определенных функций. Термин «элемент» применяется для составной части системы.

Система обычно состоит из нескольких изделий.

а) БЕЗОТКАЗНОСТЬ

Понятие безотказности является одним из основных в теории надежности. Согласно ГОСТ 27.002—89 под безотказностью пони­мается свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки. В основ­ном безотказность рассматривается применительно к использова­нию объекта по назначению, но может рассматриваться и при транспортировании и хранении.

Для характеристики безотказности обычно используется веро­ятность безотказной работы P(t). Вероятность безотказной работы определяется в предположении, что в начальный момент времени объект находится в работоспособном состоянии.

Обозначим через t время или суммарную наработку объекта. Возникновение первого отказа — случайное событие, а наработка т от начального момента до возникновения этого события — случай­ная величина. Вероятность безотказной работы объекта в интер­вале от 0 до t включительно определяется как P(t)=P(T>t), где Р(-)—вероятность события, заключенного в скобках.

P(t) является функцией наработки. Обычно предполагают, что эта функция непрерывна и дифференцируема.

Наряду с понятием «вероятность безотказной работы» часто используется понятие «вероятность отказа», которое определяется следующим образом — это вероятность того, что объект откажет хотя бы один раз в течение заданной наработки, будучи работо­способным в заданный момент времени.

Вероятность отказа на отрезке от 0 до t определяется по фор­муле Q(t) = l-P(t).

З ависимости вероятности безотказной работы и вероятности от­каза от времени показаны на рис. 2.1. Из приведенного графика видно, что чем больше заданный про­межуток времени, для которого определяется надежность, тем меньше значение вероятности безотказной работы и наоборот.Вероятность безотказной работы имеет смысл лишь в том слу­чае, если указано, в течение какого интервала времени рассматри­вается безотказность объекта. Выражается этот показатель чис­лом от 0 до 1. Если,например, в технических условиях на ремонт асинхронных электродвигателей указывается значение вероятности безотказной работы 0,8 за 9000 ч наработки, то это значит, что из 100 отремонтированных устройств в течение 9000 ч не менее 80 проработают безотказно.

б) Безотказность неремонтируемых объектов

Показателями безотказности неремонтируемых объектов явля­ются: вероятность безотказной работы P(t), интенсивность отка­зов k(t), средняя наработка до первого отказа Tj.

Критерием, наиболее полно характеризующим надежность не­ремонтируемых объектов, является интенсивность отказов X(t). Ин­тенсивность отказов — это условная плотность возникновения от­каза объекта, определяемая при условии, что до рассматриваемого-момента времени отказ не возник. Этот показатель характери­зует локальную надежность в каждый данный момент времени. Статистическая оценка для интенсивности отказов имеет вид где N, n(t)—те же обозначения, что и в выражении (2.3);

Чем меньше интенсивность отказов, тем надежнее устройство.

И нтенсивность отказов связана однозначной зависимостью с вероятностью безотказной работы Указанная формула называется общим законом надежности. Интенсивности отказов в теории надежности отводится особая роль. Для типовых элементов машин, механизмов, радиоэлектрон­ной аппаратуры интенсивность отказов обычно приводится в спра-вочно-технической литературе. Используя эти данные, в проектной практике выполняются необходимые расчеты показателей надеж­ности сложных устройств.

в). Безотказность ремонтируемых объектов

Понятие надежности, введенное при рассмотрении неремонти-руемых объектов, является в данном случае-неполным, т. к. оно не отражает свойство восстанавливаемости. Процесс эксплуатации ремонтируемых изделий можно предста­вить как последовательное чередование интервалов времени рабо­тоспособного и неработоспособного состояний. Появле­ние отказов в таких системах имеет смысл потока требований на ремонт.

Показателями безотказности ремонтируемых объектов являют­ся: вероятность безотказной работы. P(t), параметр потока отказов (i(t), средняя наработка на отказ Т. Вероятность безотказной работы для нового оборудования рас­сматривается до первого отказа, а для оборудования, находящего­ся в эксплуатации,—до отказа после восстановления работоспо­собного состояния.

П араметр потока отказов представляет собой отношение мате­матического ожидания числа отказов восстанавливаемого объекта за достаточно 'малую его наработку к значению этой наработки. Параметр потока отказов опреде­ляется по формуле

где At — малый отрезок наработки; r(t)—число отказов, насту­пивших от начального момента времени до достижения нара­ботки t. Разность r(t + At)—r(t) представляет собой число отказов на отрезке At. Статистическая оценка для параметра потока отказов у,* (t) вычисляется по формуле

где (t2 — tj) —конечный отрезок времени.