8. Расчет надежности по статистическим данным об отказах электрооборудования

Посредством сбора и обработки информации об отказах опре­деляются причины отказов, корректируются данные по интенсивностям отказов типовых элементов, оптимизируется работа элект­ротехнической службы по созданию необходимого резервного фон­да. Статистические данные учитываются при определении сроков проведения технических обслуживании и текущих ремонтов, расче­те численности обслуживающего персонала.

В практике работы электротехнических служб сведения об от­казах электрооборудования фиксируются в специальных журналах. При этом должны указываться: тип, марка оборудования, время наступления отказа, причина, время восстановления работоспособ­ного состояния. Формы документов должны предусматривать воз­можность обработки информации на ЭВМ. Расчет надежности по статистическим данным может прово­диться либо в процессе испытаний на надежность, либо на основе опыта эксплуатации.

Наиболее типичная постановка задачи при экспериментальной оценке надежности — определение вида функции распределе­ния и параметров распределения исследуемой случайной вели­чины. Обработка полученного статистического материала ведется в следующей последовательности. Сначала составляется таблица по­тока отказов, а затем исходные данные группируют в вариа­ционный ряд в порядке возрастания значений случайной вели­чины.

При большом числе наблюдений (порядка сотен) вариационный ряд перестает быть удобной формой записи статистического ма­териала. Для удобства его использования он подвергается допол­нительной обработке. Весь диапазон полученных значений случай­ной величины делится на интервалы и подсчитывается количество членов выборки, приходящихся на каждый интервал. Это число, делится на общее число наблюдений и определяется частота, со­ответствующая данному разряду. Сумма частот всех разрядов дол­жна быть равна единице. Полученный статистический ряд оформляется в виде гистограм­мы, которая строится следующим образом. По оси абсцисс откла­дываются разряды и на каждом из них строится прямоугольник, площадь которого равна частоте данного разряда. По виду гистограммы выдвигают гипотезу о предполагаемом законе распределения случайной величины и определяют его па­раметры. Определяют теоретические вероятности попадания исследуемой величины в каждый интервал, строят теоретическую кривую.

При построении гистограммы с выравнивающей ее кривой обычно бывает видно, что между теоретической кривой и стати­стическим распределением имеется расхождение На практике такое расхождение всегда неизбежно. Следовательно, возникает вопрос о согласованности теоретического и статистиче­ского распределений. Такая проверка осуществляется по критериям согласия. Наиболее часто используются критерий Колмогорова и критерий х2— Пирсона.

9.РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОВЫШЕНИЮ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ СЕЛЬСКИХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК

Опыт эксплуатации электрооборудования в условиях сельского хозяйства показывает, что фактические сроки службы его и нара­ботка до отказа в 1,5... 3 раза меньше нормируемых. Все причины преждевременного выхода из строя электрооборудования можно разбить на три группы.

Первая группа — причины внешнего характера. К ним относят­ся: общий дефицит электротехнических изделий, нехватка обору­дования специализированного сельскохозяйственного изготовления, низкий уровень ремонта оборудования, плохое качество электро­энергии у электроприемников, тяжелые условия работы, дефекты монтажа, отсутствие надежных защит электроприемников от ава­рийных режимов (до 75 % электродвигателей, используемых в сельском хозяйстве, не имеют надежной защиты от перегрузок).

является планово-предупредительная система. В сельском хо­зяйстве действует система ППРЭсх. Подтверждена экономическая эффективность организации работы электротехнических служб по такому принципу. К сожалению, система ППРЭсх используется не повсеместно.

Основным направлением совершенствования существующей си­стемы обслуживания электрооборудования является переход на но­вую стратегию — обслуживание по текущему состоянию. Непремен­ным условием использования таких систем является создание и внедрение устройств диагностики, позволяющих решить задачу контроля параметров электротехнического изделия в процессе экс­плуатации и выполнить прогноз сроков проведения ремонтных ме­роприятий.

10.ВЫБОР ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ПО ТЕХНИЧЕСКИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ

Выбор оборудования по техническим характеристикам включает в себя оценку соответствия его условиям окружающей среды и предполагаемым режимам работы (мощности, току, напряжению). Выбор с учетом параметров окружающей среды должен исключить применение электроприемников в условиях, на которые они не рас­считаны. Электротехнические изделия, выпускаемые промышленностью, могут иметь следующее климатическое исполнение: У—с умерен­ным климатом, ХЛ— с холодным климатом, ТВ — с влажным тро­пическим климатом, Т—>с сухим тропическим климатом, О — об­щеклиматического исполнения.

Категории размещения обозначаются следующим образом: 1—• для работы на открытом воздухе; 2 — для работы в помещениях, имеющих ту же температуру, что и на открытом воздухе; 3 — для работы в закрытых неотапливаемых помещениях; 4 — для работы в помещениях с искусственно регулируемым климатом; 5 — для работы в помещениях с повышенной влажностью. Для применения электрооборудования в особых условиях выпускаются изделия сель­скохозяйственного исполнения (С) и химостойкого исполнения. Климатическое исполнение и категория размещения указывают­ся на заводской табличке после всех обозначений, относящихся к модификации изделия (в виде букв и цифр). Например, электро­двигатель 4А160М2 в исполнении У (для умеренного климата), ка­тегории размещения 3 (работа в закрытых помещениях с естест­венной вентиляцией) имеет обозначение 4А160М2УЗ, а при специа­лизированном сельскохозяйственном исполнении — 4А160М2СУЗ.

Учитывая разнообразие условий эксплуатации электрических машин в сельском хозяйстве и большую номенклатуру типоразме­ров используемого оборудования, разработан и утвержден доку­мент, регламентирующий выбор электродвигателей серии 4А по условиям окружающей среды — РТМ 105/23/46/70/16—0—153—81. Помимо выбора по климатическому исполнению и категории размещения электрооборудование следует проверять по степени защиты. Для обозначения степени защиты применяются буквы IP и следующие за ними две цифры. Первая обозначает степень за­щиты персонала от соприкосновения с движущимися или находя­щимися под напряжением частями, а также от попадания внутрь твердых предметов, вторая — степень защиты от попадания влаги. Если нет необходимости в одном из видов защиты, то в условном обозначении пропущенная цифра заменяется знаком X. Электро­двигатели общего применения по степени защиты изготовляются двух исполнений IP44— закрытое обдуваемое и IP23—■ защищен­ное. Остальное электрооборудование, используемое в сельском хо­зяйстве, должно иметь предпочтительные степени защиты IP30, IP41, IP44, IP54, IP55.

Выбор степени защиты производится в зависимости от конкрет­ных условий работы электрооборудования, т. е. от конкретных помещений. Обычно характеристика степени защиты проставляется на корпусах изделий или на табличках с паспортными данными.

Кроме защиты электрооборудования от факторов внешней сре­ды, большое значение для надежной и экономичной работы его имеет выбор по мощности или току. Заниженная мощность электро­двигателя снижает производительность приводного механизма, соз­дает условия для преждевременного выхода его из строя. Примене­ние электродвигателя завышенной мощности удорожает установку. Мощность электродвигателя должна быть равна мощности, необ­ходимой для. привода рабочей машины. Решающее значение при этом имеет характер нагрузки рабочей машины.

При длительной неизменной нагрузке выбор электродвигателя осуществляют по фактической потребляемой мощности; при мало изменяющейся во времени нагрузке, имеющей коэффициент вариа­ции менее 20%, выбирают по средней мощности; при переменной нагрузке — по расчетной эквивалентной мощности (среднеквадра­тичной). Зная расчетную мощность приводной машины, по катало­гу выбирают электродвигатель, имеющий ближайшее большее зна­чение мощности по условию Рд>Рм. Выбранный электродвигатель проверяют на перегрузочную спо­собность, на возможность пуска, по частоте пусковых операций. Электрические аппараты (магнитные пускатели, автоматические выключатели, рубильники) выбирают по току главных контактов

Электронагревательные установки выбирают из условия, чтобы их мощность не была меньше расчетной, определяемой из уравне­ния теплового баланса помещений или технологического процесса. Выбор по напряжению. В сельском хозяйстве,, как правило, при­меняют напряжение 380/220 В, поэтому все электроприемники должны выбираться на это напряжение. Для отдельных крупных электродвигателей в случае использования схемы переключения со звезды на треугольник для облегчения условий пуска может при­меняться напряжение 660/380 В.

Выбор типа защиты. В процессе эксплуатации сельскохозяйст­венных электроустановок возникают аварийные режимы. Основные из них — короткие замыкания, технологические перегрузки, неполнофазные режимы, заклинивание ротора электрической машины. Под коротким замыканием понимается режим, когда ток пере­грузки превышает номинальный в несколько раз. Перегрузочный режим характеризуется превышением тока в 1,5... 1,8 раза. Технологические перегрузки приводят к увеличению температуры обмоток электродвигателя выше допустимой, посте­пенному разрушению ее и выходу из строя.

Неполнофазный режим (потеря фазы) возникает в случае пе­регорания предохранителя в фазе, обрыва провода, нарушения кон­такта. При этом происходит перераспределение токов, по обмоткам электродвигателя начинают протекать повышенные токи, не исклю­чается остановка механизма и выход электрической машины из строя. Наиболее чувствительны к неполнофазным режимам элек­тродвигатели малой и средней мощности, т. е. те,, которые наиболее часто используются в сельском хозяйстве.

Заклинивание ротора электрической машины может возникнуть при разрушении подшипника, заклинивании рабочей машины. Это наиболее тяжелый режим. Скорость нарастания температуры об­мотки статора достигает 7... 10 °С в секунду, через 10 ... 15 с темпе­ратура двигателя выходит за допустимые пределы. Наиболее опасен такой режим для двигателей малой и средней мощности. Уста­новлено, что для зоны Северного Кавказа более 50 % всех отказов электродвигателей в сельском хозяйстве обусловлено технологи­ческими перегрузками, заклиниванием, разрушением подшипнико­вого узла. До 15 % отказов происходит из-за обрыва фаз и воз­никновения недопустимой несимметрии напряжений.

Для защиты электрооборудования в сельском хозяйстве от ава­рийных режимов серийно выпускаются автоматические выключа­тели, предохранители, тепловые реле, устройства встроенной тем-ператур.ной защиты, фазочувствительная защита и другие аппа­раты.

При выборе типа защиты учитываются конкретные условия экс­плуатации, быстродействие, надежность, удобство эксплуатации, экономические показатели. В электроустановках до 1000 В защита от коротких замыканий обычно осуществляется плавкими предохранителями или электро­магнитными расцепителями максимального тока, встроенными в автоматические выключатели. Помимо этого, защита от коротких замыканий электродвигателей может осуществляться токовым ре­ле, включенным в одну из фаз статора непосредственно или через трансформатор тока и реле времени.

Защиту от перегрузок подразделяют на два типа: защиту пря­мого действия, реагирующую на превышение тока, и защиту кос­венного действия, реагирующую на превышение температуры. Наибо­лее распространенным типом токовой защиты, используемой в сельском хозяйстве для защиты электродвигателей от перегрузок (в том числе и от заклинивания), являются тепловые реле. Они выпускаются серии ТРН, ТРП, РТТ, РТЛ. Трехфазные тепловые реле РТТ и РТЛ защищают также от обрыва фазы.

Ф азочувствительная защита (ФУЗ) защищает от обрыва фазы, заклинивания механизма, коротких замыканий, пониженного сопро­тивления изоляции электродвигателя. Защита от перегрузок и заклинивания механизма может осу­ществляться также с помощью специальных предохранительных муфт.

При выборе типа защиты необходимо руководствоваться сле­дующими положениями: наиболее ответственные электроприемни­ки, отказ в работе которых может привести к большому ущербу, подверженные систематическому загрязнению (размещение на мельницах, элеваторах, комбикормовых заводах), или работающие в условиях повышенной температуры (котельные, сушилки), а также с резкопеременной нагрузкой (дробилки, пилорамы, из­мельчители кормов) целесообразно защищать встроенной темпера­турной защитой и автоматическими выключателями или предохра­нителями.

11.ВЫБОР ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ по экономическим КРИТЕРИЯМ

Чтобы среди возможных вариантов технического исполнения электрооборудования найти предпочтительное решение, удовлетво­ряющее заданным техническим характеристикам, необходимо про­вести сопоставление по экономическим показателям.Предположим, что мы из имеющихся выбрали устройство за­щиты электрооборудования, обеспечивающее повышение надежно­сти функционирования установки. Экономия средств в этом слу­чае за отрезок времени t определяется по формуле

где ri и г2—• число отказов менее надежной и более надежной уста­новки; 3i и 32—затраты на обслуживание менее и более на­дежной установки; Уь У2—потери, вызванные отказами из­делий.

Затраты на обслуживание З1 и З2 складываются из затрат на техническое обслуживание и ремонты. Потери, вызванные отказа­ми, определяются стоимостью простоя установки, которая может быть определена по ущербу от перерывов электроснабжения по из­вестным методикам. При проведении сопоставительной оценки можно пользоваться усредненными данными.

П оскольку в процессе эксплуатации происходит замена вышед­шего из строя "электрооборудования на исправное, это обстоятель­ство необходимо учитывать при расчетах. Пусть стоимость первого изделия равна Кл- При отказе оно заменяется на другое работо­способное. Затраты на замену обозначим 3i, потери от простоя оборудования Уi Среднее количество отказов первого изделия r. Затраты за время эксплуатации такой установки равны

Указанные исходные данные и аналитическое выражение харак­терны для электродвигателей малой и средней мощности, для ко­торых стоимость капитального ремонта соизмерима со стоимостью самого изделия. Если теперь вместо рассмотренного установить оборудование, обладающее более высокой надежностью, то суммарные затраты будут

где С2, г2, 32, У2—соответственно стоимость, число отказов, затра­ты на замену и потери, вызванные отказами изделия, облада­ющего более высокой надежностью. Разность Ci—С2 является мерой экономии, которую можно по­лучить в результате использования более надежного изделия

При рассмотрении нескольких вариантов сопоставление произ­водится с базовым вариантом. Предпочтительным считается изде­лие, отвечающее условию Э = mах.

12.РАСЧЕТ РЕЗЕРВНОГО ФОНДА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

При возникновении отказа неисправное электрооборудование отключается и производится его замена. Для сокращения дли­тельности простоев создается резервный фонд электрооборудования. Задача создания необходимого запаса резервного оборудова­ния является технико-экономической, поскольку излишки изделий, хранящихся на складе, приводят к его недоиспользованию и допол­нительным затратам, а недостаточный запас приводит к техноло­гическому ущербу сельскохозяйственного производства. Количество запасного оборудования зависит от интенсивности отказов, времени пополнения резервного фонда, от требуемой до­статочности оборудования, от организации снабжения запасными изделиями и степени их восстанавливаемости.

Существует несколько подходов к определению резервного фонда: нормативный, аналитический расчет, решение оптимизационной задачи.

Укрупненные данные по необходимому резервному запасу раз­личных видов электрооборудования приводятся в ППРЭсх. Зная количество эксплуатируемых изделий данного типоразмера, можно, используя таблицы этого документа, сформировать необходимый резервный фонд. Недостатком такого способа является то, что не учитываются особенности конкретных сельскохозяйственных объ­ектов и фактическое состояние используемого электрооборудования.

В теории надежности известно несколько моделей, позволяющих решить эту задачу. Процесс обеспечения электрооборудования за­пасными изделиями имеет характер массового обслуживания. Опыт показывает, что для внезапных отказов справедлив экспоненциаль­ный закон распределения длительности безотказной р аботы (про­стейший поток отказов). Для простейшего потока вероятность по­явления ровно к отказов равна

И з выражения (3.9) можно определить вероятность того, что число отказов за время t будет не больше m

а также вероятность того, что число отказов за время t будет больше m

Значения Pk>m(t) приводятся в справочниках по надежности.

Зависимость состава резервного фонда от допустимой его недо­статочности представляет собой вероятность того, что число отка­зов изделий будет больше, чем число резервных элементов. Если резервный фонд составляет три элемента, а вероятность того, что произойдет более трех отказов равна 0,15, то достаточность резерв­ного фонда равна 0,85, а недостаточность 0,15. Обычно берут коэффициент достаточности равным 0,9...0,99.