События, состояния и процессы в объектах
Термин "надежность" отражает очень объемное понятие, широко используемое в науке, технике, быту, медицине и т.д. Во всех сферах деятельности накоплены знания, опыт в области надежности. Это дало возможность абстрагировать понятие надежности, рассматривать его по отношению к достаточно абстрактным объектам, системам. Изучение надежности от абстрактного (абстрактных объектов, систем) к конкретному (системам электроснабжения) наиболее эффективно, поскольку позволяет применять уже накопленные знания, полученные в системах не только электроснабжения, но и в других. Поэтому основные понятия надежности систем электроснабжения будем рассматривать с достаточно абстрактных позиций, иллюстрируя их примерами из систем электроснабжения.
В процессе функционирования объекта возникают определенные события, объект принимает различные состояния, существенно влияющие на использование его человеком, на выполняемые им функции. Такими являются прежде всего состояния работоспособные и неработоспособные, события отказа и восстановления.
Работоспособные и неработоспособные
Состояния
Состояния любого объекта можно описать набором, множеством переменных состояния 
, которые могут принимать определенные значения и изменяться во времени - 
. Надлежащее выполнение объектом его функций возможно при условии, что все описывающие его переменные состояния принимают значения, лежащие в определенной (допустимой) области. В электроэнергетике переменные состояния обычно называют параметрами режима или режимными параметрами. Граница этой области может изменяться во времени и описывается уравнением
. (2.1)
Если значения переменных состояния объекта находятся в этой области, т.е. обеспечивается возможность выполнения им своих функций, то говорят, что объект находится в работоспособном состоянии; если же за границей допустимой области, то - в неработоспособном.
На рис. 2.1 показано изменение во времени одной из главных переменных состояния электрического генератора – напряжения. Здесь же приведена область допустимых значений этой переменной состояния. Видно, что до момента 
значение напряжения было в допустимой области. Генератор находился в работоспособном состоянии. После момента значение напряжения вышло за границу допустимых значений и генератор оказался в неработоспособном состоянии.
 |
Рис. 2.1.
В некоторых случаях можно говорить о частично работоспособном состоянии, когда объект может выполнять свои функции не полностью, а частично. Например, на рис. 2.1 штриховыми линиями показаны границы допустимой области 
работы генератора, но с пониженным качеством напряжения (обычно на ограниченном интервале времени). При снижении напряжения ниже этой границы происходит отключение генератора.
В работоспособном состоянии объект может выполнять свои функции, т.е. находится в рабочем состоянии. Если же он в работоспособном состоянии не выполняет по тем или иным причинам заданные функции, то говорят, что объект находится в нерабочем состоянии. Рабочее состояние объекта может быть полным или частичным.
В зависимости от того, какого вида функции выполняет работоспособный объект, различают еще резервное состояние, которое, в свою очередь, подразделяется на состояние нагруженного (или включенного) и ненагруженного (или не включенного) резерва). На производственном жаргоне последние два состояния иногда называют как состояния в "горячем" и "холодном" резервах.
Неработоспособное состояние может быть классифицировано так: состояние предупредительного ремонта – ведутся работы по выявлению, предупреждению и устранению неисправностей объекта, которые могут привести к его отказу; состояние аварийного ремонта – ведутся работы по восстановлению работоспособности объекта, нарушенной в результате отказа.
К неработоспособному состоянию следует отнести и так называемое предельное состояние, при котором дальнейшая эксплуатация объекта должна быть прекращена из-за неустранимого ухода заданных переменных состояния и характеристик за установленные пределы.
Отказ
Событие, заключающееся в том, что объект перешел границу допустимой области значений переменных работоспособного состояния и неработоспособного, квалифицируется как отказ. При этом происходит утрата способности объекта выполнять свои функции. На рис. 2.1 событие отказа наступает в точке "0" или "0*".
Отказы могут быть:
– полные или частичные (по степени нарушения работоспособности);
– внезапные и постепенные (по скорости протекания процессов изменения переменных состояния);
– независимые или зависимые (зависящие от отказов других объектов);
– устойчивые и неустойчивые или сбои (самоустраняющиеся отказы, приводящие к кратковременному нарушению работоспособности).
У объектов, функционирующих не постоянно во времени, а по требованию, отказы могут быть следующих видов:
- срабатывание на требование;
- ложное срабатывание (при отсутствии требований);
- излишнее срабатывание (при требовании срабатывания других элементов).
Примерами таких объектов являются системы релейной защиты, противоаварийной автоматики, в определенной мере выключатели.
Причины отказов могут быть внешними и внутренними.
Отказы по внутренним причинам можно подразделить на три группы. Первую составляют ошибки, допущенные при конструировании, определении условий и режимов эксплуатации, изготовлении, монтаже или ремонтах оборудования. Эти ошибки, скрытые дефекты обычно проявляются в ранний период эксплуатации – период приработки. Для него характерна повышенная частота отказов (рис. 2.2). Вторая группа причин вызвана износом и приводит к постепенному утрачиванию объектом ряда функциональных свойств и увеличению частоты отказов по сравнению с периодом нормальной эксплуатации объекта. Этот период называется периодом старения. На рис. 2.2 
- время жизни объекта.
Третью группу составляют отказы в период нормальной эксплуатации. Частота отказов в этот период ниже, чем в первые два, но она ненулевая.
К отказам по внутренним причинам могут также быть отнесены те, которые вызваны ошибочными или вынужденными действиями обслуживающего персонала, если он включен в состав рассматриваемого объекта, находится внутри его границы. В противном случае они будут отнесены к отказам по внешним причинам.
 |
Рис. 2.2.
Независимо от способа отнесения последние могут быть подразделены на две группы. Первую составляют причины, обусловленные недостаточно высокой квалификацией эксплуатационного и ремонтного персонала. Вторая группа причин связана с громоздкостью и сложностью устройств и схем, с которыми эксплуатационному персоналу приходится работать. Например, большое количество коммутационной аппаратуры и сложная схема соединений на подстанциях повышают вероятность непра-вильных переключений, способных привести к ложным отключениям и включениям на короткозамкнутые цепи.
Причины отказов внешнего происхождения также можно подразделить на две группы. К первой отнесем воздействия, поступающие из внешней среды, по своей силе превышающие те, на которые рассчитан объект (так называемые нерасчетные возмущения) и которые приводят к повреждению объекта. Это обычно редкие и плохо предсказуемые воздействия, как правило, физического характера, не связанные с периодом предшествующей работы. В качестве примеров воздействий, приводящих к внезапным отказам, можно привести такие, как грозы, падения деревьев или попадание животных на электроустановки, гололед и др. Эта группа причин приводит к необратимым изменениям свойств объекта. Ко второй группе внешних причин можно отнести возмущения, приводящие к изменению режимных параметров объекта, в результате чего они выходят из допустимых границ. Отказы этого вида могут быть неустойчивыми (сбоями) или устойчивыми. Обычно они имеют достаточно обоснованные статистические характеристики и не являются уникальными. После снятия воздействия, приведшего к неустойчивому отказу, обычно значения параметров объекта входят в допустимые границы и он продолжает выполнять свои функции. Примером неустойчивого отказа может являться короткое замыкание (КЗ) на ЛЭП, самоустраняющееся за период паузы АПВ линии. В случае устойчивого отказа (например, КЗ на ЛЭП с ее отключением при отсутствии АПВ) могут потребоваться дополнительные действия по возвращению объекта в нормальное работоспособное состояние (включение ЛЭП в работу вручную).
По характеру причин отказы, как правило, отличаются случайностью или неопределенностью момента наступления отказа, за исключением тех случаев, когда в результате накопления факторов, которое может привести к отказу, производят преднамеренное отключение объекта заранее, не дожидаясь его естественного отказа, с целью вывода его в ремонт.
В случае накопления факторов старения объекта он может достичь так называемого предельного состояния. Обычно отказы, связанные с достижением предельных состояний, являются постепенными, позволяющими заблаговременно предсказать мо-мент перехода границы области допустимых значений режимных параметров.
В целом возможность наступления отказов объекта во многом зависит от условий, в которых он работает. С этих позиций сами условия могут быть классифицированы как минимум на два множества: обычные, или ординарные, и необычные, или неординарные, особые, форсмажорные.
Восстановление
После отказа в результате организуемых и протекающих в объекте процессов возможно наступление события, когда все значения режимных параметров, характеризующих его состояние, снова окажутся в допустимой с позиций дальнейшего функционирования области. Говорят, произошло восстановление, которое возможно за счет как определенных управляющих воздействий, так и выполнения ремонтов поврежденного оборудования. Если восстановление объекта по тем или иным причинам не происходит, то объект называют невосстанавливаемым.
Восстановление может быть полным или частичным. На рис. 2.1 события "восстановление" показаны в точках " 
" и 
как ввод значений переменных состояния объекта в допустимую область.
Потоки отказов и восстановлений
Функционирование восстанавливаемого объекта на некотором интервале времени Т может быть представлено потоком отказов и восстановлений (рис. 2.3). При этом могут быть потоки с полными или частичными (с разной степенью работоспособности j) отказами, с полным или частичным восстановлением и т.п.
 |
Рис. 2.3.
Из общего потока можно выделить лишь поток отказов, исключив на оси времени все интервалы восстановлений (или неработоспособного состояния). Тогда на этой оси будет откладываться чистое время работоспособного состояния объекта за данное время Т, которое называют наработкой 
. Аналогично можно из общего потока выделить только поток восстановлений.
В итоге поле понятий, описывающих процессы в объекте, определяющие его надежность, может быть структурировано так, как это показано на рис. 2.4.