Основные понятия и определения надежности
Надежность тесно связана с различными сторонами эксплуатации электроустановок. Надежность - свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения его эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортировки.
Надежность применительно к системам электроснабжения: бесперебойное снабжение электроэнергией в пределах допустимых показателей ее качества и исключение ситуаций, опасных для людей и окружающей среды. При этом объект должен быть работоспособным.
Под работоспособностью понимается такое состояние элементов электрооборудования, при котором они способны выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах установленных нормативно-технической документацией. При этом элементы могут не удовлетворять, например, требованиям, относящимся к внешнему виду.
Событие, заключающееся в нарушении работоспособности оборудования, называется отказом. Причинами отказов могут быть дефекты, допущенные при конструировании, производстве и ремонте, нарушения правил и норм эксплуатации, естественные процессы изнашивания и старения. По характеру изменения основных параметров электрооборудования до момента возникновения отказа различают внезапные и постепенные отказы.
Внезапным называют отказ, который наступает в результате резкого скачкообразного изменения одного или нескольких основных параметров (обрыв фаз кабельных и воздушных линий, разрушение контактных соединений в аппаратах и др.).
Постепенным называют отказ, который наступает в результате длительного, постепенного изменения параметров, обычно по причине старения или изнашивания (ухудшение сопротивления изоляции кабелей, двигателей, увеличения переходного сопротивления контактных соединений и др.). При этом изменения параметра по сравнению с начальным уровнем во многих случаях могут быть зарегистрированы с помощью измерительных приборов.
Принципиальной разницы между внезапными и постепенными отказами нет, т.к. внезапные отказы в большинстве случаев являются следствием постепенного, но скрытого от наблюдения изменения параметров (например, изнашивания механических узлов контактов выключателей), когда их разрушение воспринимают как внезапное событие.
Необратимый отказ свидетельствует о потере работоспособности. Перемежающйся - многократно самоустраняющийся отказ объекта. Если отказ объекта не обусловлен отказом другого объекта, то его считают независимым, в противном случае - зависимым.
Отказ, возникший в результате несовершенства или нарушения установленных правил и норм конструирования, называют конструкционным. Отказ, возникший в результате несовершенства или нарушения установленного процесса изготовления или ремонта объекта, выполненного на ремонтном предприятии, - производственным. Отказ, возникший в результате нарушения установленных правил или условий эксплуатации - эксплуатационным. Причина отказа - дефект.
Надежность является одним из свойств электрооборудования и систем электроснабжения, которое проявляет себя только в процессе эксплуатации. Надежность закладывается при проектировании, обеспечивается при изготовлении, расходуется и поддерживается при эксплуатации.
Надежность является комплексным свойством, которое в, зависимости от специфики электроустановок и условий ее эксплуатации, может включать в себя: безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость в отдельности или в определенном сочетании, причем как для электроустановок, так и для отдельных ее элементов.
Иногда надежность отождествляется с безотказностью (в этом случае рассматривается надежность в "узком смысле").
Безотказность – свойство технических средств непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени. Это наиболее важная составляющая надежности электроустановок, зависящая от безотказности элементов, схемы их соединения, конструктивных и функциональных особенностей, условий эксплуатации.
Долговечность – свойство технических средств сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.
В рассматриваемом случае предельное состояние технических средств определяется невозможностью их дальнейшей эксплуатации, что обуславливается либо снижением эффективности, либо требованиями безопасности, либо наступлением морального старения.
Ремонтопригодность – свойство технических средств, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причины возникновения отказов и устранению их последствий путем технического обслуживания и ремонта.
Ремонтопригодность характеризует большинство элементов электроустнаовок и не имеет смысла только для тех элементов, которые не ремонтируются в процессе эксплуатации (например, изоляторы воздушных линий (ВЛ)).
Сохраняемость – свойство технических средств непрерывно сохранять исправное (новое) и работоспособное состояние в процессе хранения и транспортировки. Сохраняемость элементов ЭУ характеризуется их способностью противостоять отрицательному влиянию условий хранения и транспортирования.
Выбор количественных показателей надежности зависит от вида электроэнергетического оборудования. Невосстанавливаемыми называются такие элементы электроустановок, работоспособность которых в случае возникновения отказа не подлежит восстановлению в процессе эксплуатации (трансформаторы тока, кабельные вставки и др.).
Восстанавливаемыми являются изделия, работоспособность которых в случае возникновения отказа подлежит восстановлению в процессе эксплуатации. Примером таких изделий могут служить электрические машины, силовые трансформаторы и др.
Надежность восстанавливаемых изделий обуславливается их безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью, а надежность невосстанавливаемых изделий - их безотказностью, долговечностью и сохраняемостью.
Факторы, влияющие на надежность элементов электроустановок
Электроустановки, используемые для преобразования, передачи и распределения электроэнергии, подвергаются воздействию большого количества факторов, которые можно подразделить на четыре группы: воздействия окружающей среды, эксплуатационные, случайные, ошибки проектирования и монтажа.
К факторам окружающей среды, где функционируют элементы электроустановок, относятся интенсивность грозовой и ветровой деятельности, гололедные отложения, обложные дожди, мокрый снег, густой туман, изморозь, роса, солнечная радиация и другие. Большинство из факторов окружающей среды приводятся в климатических справочниках.
Применительно к передаточным устройствам – воздушные линии всех классов напряжений – наиболее характерными факторами, способствующими их отказам, являются моросящий дождь, мокрый снег, густой туман, изморозь и роса, а у силовых трансформаторов, установленных на электроустановках открытого типа, к факторам окружающей среды относятся солнечная радиация, атмосферное давление, температура окружающей среды (фактор, тесно связанный с категорией размещения и климатическими условиями).
Особенностью эксплуатации элементов электроустанвок открытого исполнения всех классов напряжений является изменение всех факторов, например, изменение температуры от +40± до -50±С. Колебание интенсивности грозовой деятельности по регионам нашей страны составляет от 10 до 100 и более грозовых часов в год.
Воздействие внешних климатических факторов приводит к возникновению дефектов в процессе эксплуатации: увлажнение масла в трансформаторах и масляных выключателях, увлажнение внутрибаковой изоляции и изоляции траверс масляных выключателей, увлажнение остова вводов, разрушение опорных и проходных изоляторов при гололедных, ветровых нагрузках и т.п. Поэтому для каждого климатического района при эксплуатации электроустаноко необходим учет факторов окружающей среды.
К эксплуатационным факторам относятся перегрузки элементов электроустановок, токи коротких замыканий (сверхтоки), различные виды перенапряжений (дуговые, коммутационные, резонансные и др.).
Согласно правилам технической эксплуатации, воздушные линии 10 - 35 кВ с изолированной нейтралью допускается эксплуатировать при наличии однофазного замыкания на землю, а длительность их устранения не нормируется. При таких условиях эксплуатации дуговые замыкания в разветвленных распределительных сетях являются основной причиной повреждения ослабленной изоляции.
Для силовых трансформаторов наиболее чувствительными из эксплуатационных факторов являются их перегрузка, механические усилия на обмотках при сквозных токах коротких замыканий. Значительное место в эксплуатационных факторах занимают квалификация персонала и сопутствующие им воздействия (ошибки персонала, некачественный ремонт и обслуживание и т.п.).
К группе факторов, косвенно влияющих на надежность работы электроустановок, относятся ошибки проектирования и монтажа: несоблюдение руководящих материалов при проектировании, неучет требований надежности, неучет величины емкостных токов в сетях 10 - 35 кВ и их компенсации при развитии сетей, некачественное изготовление элементов электроустановок, дефекты монтажа и др.
Небольшую группу влияющих на показатели надежности электроустановок в эксплуатации составляют случайные факторы: наезд транспорта и сельскохозяйственных машин на опоры, перекрытие на движущийся транспорт под проводами ВЛ, обрыв провода и т.п.
Электроэнергетическая система корабля - это совокупность взаимосвязанных корабельных источников электроэнергии, преобразователей, распределительных, регулирующих и управляющих устройств, соединительных кабелей и потребителей, объединенных процессом производства, преобразования, распределения и потребления электроэнергии. Из всех автономных электроэнергетических систем корабельные и судовые ЭС являются самыми мощными и сложными ввиду особенностей их назначения, состава и функционирования. Это вносит в процесс их исследования, проектирования, постройки и эксплуатации существенную специфику.
По своей физической природе электроэнергия как один из самых универсальных видов энергии обладает способностью поражать человека электрическим током, вызывать пожары, создавать помехи другим системам.
Электроэнергетическая система корабля является обеспечивающей подсистемой корабля. Однако она оказывает существенное влияние на весь корабль, на его жизнеобеспечение, функционирование систем навигационных комплексов, на работу главной энергетической установки и других систем, на борьбу за живучесть. Поэтому руководящие документы требуют, чтобы при самых тяжелых авариях на нем должна быть электроэнергия для борьбы за живучесть, освещения, средств навигации, связи и жизнедеятельности личного состава.
ЭСК и ЭСС имеют короткие кабельные линии, поэтому возникают большие аварийные и номинальные токи генераторов, кабельных линий, автоматических выключателей и щитов, которые в ряде случаев находятся на границе реализации по термическим или электродинамическим воздействиям.
Внедрение на кораблях, и в частности в ЭСК, в последние годы систем автоматики, аналоговой и цифровой вычислительной техники, требуют для успешного функционирования, как бесперебойного питания, так и кондиционной электроэнергии.
По этому в ходе проектирования ЭСК требуется Сложная система электрической защиты, которая может меняться или перестраиваться в зависимости от режима работы системы.
В данном курсовом проекте разрабатывается автоматизированная электроэнергетическая система корабля.
Электроэнергетическая система– это комплекс электротехнических устройств, объединённых процессом производства, распределения, преобразования и потребления электрической энергии.
Основной задачей ЭС является бесперебойное обеспечение потребителей электроэнергией нужного качества и в необходимом количестве.
Говоря о качестве электроэнергии необходимо указать на ее параметры.
1.1.1. Выбор параметров электроэнергии. Требования к качеству электроэнергии
Род тока.
Род тока является основным параметром, от которого зависят все особенности и характеристики ЭС. При проектировании ЭС решение о выборе рода тока может быть принято на основании технико-экономического сравнения вариантов электроэнергетической системы. А также выбор тока производится путем сопоставления достоинств и недостатков, как системы постоянного тока, так и переменного тока.
Сравним системыпеременного и постоянного тока.
Основные достоинства ЭС на переменном токе:
1. Электрические машины переменного тока, прежде всего, АД с короткозамкнутым ротором из-за отсутствия коллектора и щеточного узла значительно проще по конструкции
и удобнее в эксплуатации, более надёжны и долговечны, имеют меньшие габариты (на 20% –30%),массу (30 – 40%) и стоимость (в 2 – 4 раза) по сравнению с электрическими машинами постоянного тока.
2. Практически все типовые асинхронные двигатели имеют прямой пуск от сети, который обеспечивается только магнитным пускателем.
3. Элементы ЭС на переменном токе более надёжны, чем на постоянном.
4. Представляются возможности трансформации напряжения. Трансформаторы, используемые для изменения уровня напряжения, просты по конструкции и надёжны в эксплуатации по сравнению с вращающимися и статическими преобразователями, которые могут быть применены в ЭСК постоянного тока.
5. Аппаратура автоматического управления на базе полупроводниковых элементов и трансформаторов проще и надёжнее по сравнению с аппаратурой на постоянном токе и требует меньших затрат на обслуживание.
Недостатки ЭС на переменном токе:
1. Достаточная сложность регулирования частоты вращения АД.
2. Высокая кратность (5-7) пускового тока АД вызывает необходимость контроля качества электроэнергии в динамических режимах.
3. В связи с особенностью систем переменного тока требуются устройства поддержания напряжения и частоты сети.
4. Необходимость синхронизации при включении генераторов на параллельную работу.
5. Наличие кроме активной мощности еще и реактивной, прокладка линий трёхжильными кабелями приводит к дополнительным потерям, увеличению массы и габаритов кабельных трасс, появлению подсистем распределения активной и реактивной мощностей.
Основные достоинства систем постоянного тока:
1. Хорошие регулировочные характеристики двигателей постоянного тока.
2. ЭС на постоянном токе хорошо согласуются с химическими источниками тока (аккумуляторные батареи).
3. Нет необходимости в поддержании частоты тока источников электроэнергии.
4. Кабельные трассы имеют двухпроводные линии в отличие от трёхжильных на переменном токе.
Недостатки систем постоянного тока:
1. Наличие контактно-щёточного узла и коллектора увеличивает массогабаритные показатели электрических машин, усложняет их эксплуатацию, уменьшает надёжность.
2. Отсутствие гальванической развязки между подсистемами ЭС приводит к снижению сопротивления изоляции, повышению опасности поражения электрическим током, повышению пожароопасности.
3. Сложные системы запуска электродвигателей приводят к необходимости иметь пусковые устройства, магнитные станции и т.д.
Указанные выше недостатки систем переменного тока, хоть и многочисленные, не являются определяющими. Различными приёмами проектирования, внедрением новых элементов, смещением акцентов в процессе эксплуатации удаётся либо сгладить, либо уменьшить эти недостатки. Так, регулирование частоты вращения асинхронного электропривода можно добиться использованием многоскоростных двигателей, внедрением регулируемых преобразователей частоты, использованием фазного ротора и т.д.
Кроме того, большую часть нагрузки составляют электрические приводы (до 80% от всей нагрузки), причём большинство из них не требуют плавного регулирования частоты вращения. Это определят массовое применение АД для привода механизмов, что в значительной степени повышает удобство и эффективность эксплуатации.
В целом ЭС на переменном токе более эффективны, чем на постоянном, и наиболее широко распространены как в нашей стране, так и за рубежом.
Итак, в качестве рода тока выбираем переменный ток.
Напряжение сети.
Уровень напряжения проектируемой ЭС выбираем исходя из заданных по условию курсового проекта мощностей потребителей электроэнергии на различных режимах.
Значения мощности, напряжения и тока электрооборудования на переменном токе связаны следующей зависимостью:
P= 
∙U∙I∙ 
из чего следует, что при данной мощности ток обратно пропорционален напряжению, то есть чем больше напряжение, тем меньше ток и наоборот.
Повышение номинального тока ЭО вызывает необходимость увеличения площади поперечного сечения кабелей и шин, которые входят в состав ЭО. При этом в значительной степени увеличивается их масса, габариты, стоимость, трудоёмкость монтажа и т.д.Отсюда следует, что кабельные трасы получаются для мощных ЭС громоздкими, их прокладка является сложным технологическим мероприятием.
Превалирующим напряжением в системах переменного тока для силовых приводов является напряжение 400 В.
Итак, принимаем следующие значения напряжений:
– Первичная силовая сеть: 400 В;
– Силовая распределительная сеть: 380 В;
– Сети основного освещения, средств связи и сигнализации: 127,220 В.
– Для переносного электрооборудования: 24 В.
Частота переменного тока.
К настоящему времени в технической литературе определены две частоты для отечественных автономных электроэнергетических систем – 50 и 400 Гц.
Многочисленные расчеты, проведенные в НИР, и опыт эксплуатации позволяют сделать «интегральные» выводы: при суммарной генерируемой мощности в системе до Рн=300-400 кВт можно получить выигрыш в массогабаритных показателях при частоте тока 400 Гц.
При мощности систем от 400 до 1500 кВт показатели будут примерно равны. Все будет зависеть от конкретной системы и конкретных конструктивных решений.
При мощности более 1500 кВт системы будут проигрывать таковым при частоте 50 Гц по массогабаритным показателям.
Таким образом, при существующем уровне развития науки и техники создание конкретных корабельных и судовых ЭС с частотой 400 Гц с учетом факторов надежности, термической стойкости, качества электроэнергии и др. требует специального обоснования.
Также необходимо отметить, что частоту 50 Гц имеет единая энергетическая система страны, что даёт возможность широкого применения электрооборудования аналогичного береговому.
Для проектируемойЭС выбираем частоту переменного тока 50 Гц.
Вывод: Таким образом, для проектируемой ЭС выбираем следующие параметры электроэнергии:
ЭЭС – совокупность устройств, коммутационных и защитных аппаратов, токопроводящих элементов, которые формируют электрические сети, обеспечивающие приём от источников, распределение и передачу электроэнергии к потребителям.
Совокупность линий электропередачи с распределительными щитами называется электрической сетью. По своей значимости и назначению электрические сети разделяются на первичную силовую сеть, силовую распределительную сеть, специальную сеть (рис.1).
|
|
| ||||
 |
рис.1Условная классификация сетей
Первичная силовая сеть –является основной,которая представляет собой совокупность источников электроэнергии, ГРЩ, соединённых кабельными линиями.
Силовая распределительная сеть – электрическая сеть, которая передаёт ЭЭ от ГРЩ к потребителям. Состоит из кабельных линий с различнымиРЩ.
СРС строится по фидерно-групповой схеме, которая предполагает, что наиболее мощные и ответственные потребители получают питание непосредственно от ГРЩ электростанций, а потребители малой мощности получают питание от групповых щитов.
Питание потребителей СРС осуществляется в зависимости от их важности и разбивается на 4 категории:
· 1 категория – потребители, которые получают питание от двух электростанций, без перерыва синусоиды питающего напряжения при переключении с основного питания на резервное.
· 2 категория – потребители, получающие питание от 2-х электростанций через АПС или АПП. Они получают питание в случае переключения с основного на резервное с перерывом синусоиды напряжения на время переключения АПП или АПС (0,5-1 сек.). К ним относятся потребители радиоэлектроники, ГЭУ и части общесудовых систем.
· 3 категория – потребители, получающие питание от 2-х электростанций. Переключение питания с основного на резервное осуществляется вручную, через рубильники и пакетные переключатели. К этой категории относится часть потребителей ГЭУ и общесудовых систем.
· 4 категория – получает питание от одной электростанции. К ней относятся наименее ответственные потребители, как правило, бытового назначения.
Специальные сети служат для передачи электроэнергии потребителям, номинальные параметры которых отличаются от параметров силовой сети.
К специальным сетям относятся:
- сети питания потребителей током частотой 400 Гц;
-сети питания потребителей постоянного тока.
Эти сети получают питание от специальных преобразователей.
Аварийная сеть служит для передачи электроэнергии потребителям, у которых вышли из строя кабельные линии.
В её состав входят боевые сростки, которые представляют собой гибкий кабель марки НРШМ, а также коробки аварийного питания (КАП).
Сеть освещения служит для подачи питания к различным средствам освещения. По назначению выделяют сети основного, аварийного, переносного, дежурного, местного, маскирующего, специального освещения, а также сигнально-отличительных огней. Сеть основного освещения является наиболее разветвлённой, выполняется на напряжение 127 В и служит для внутреннего и наружного освещения.
1.1.4.Разработка принципиальной схемы и выбор элементов первичной силовой и силовой распределительной сети
Предъявляемые к ЭЭС требования обуславливают структуру их первичной силовой сети. Схему первичной силовой сети разрабатываем в соответствии с требованиями.
Основными из которых являются:
· наличие 2-х и более электростанций, соединённых между собой перемычками;
· обеспечение длительной параллельной работы генераторов в электростанциях и кратковременной (на время перевода нагрузки) параллельной работы генераторов разных электростанций;
· обеспечение длительной автономной работы любого генератора в электростанции на свой ГРЩ и через перемычки на любые другие ГРЩ ЭС;
· резервирование мощности генераторов и линий передачи электроэнергии;
рассматриваются основные аварийные режимы ЭС и их характеристики.
1. Короткое замыкание (КЗ).
Под КЗ понимают в самом общем случае снижение активного сопротивления сети, подключённой к генератору, практически до нуля. В результате напряжение на зажимах генератора стремится к нулю, а ток, в зависимости от расположения точки КЗ, достигает десятков, а то и тысяч ампер.
КЗ – это наиболее тяжёлая и опасная авария в ЭС. В этом режиме в аварийной ситуации находятся не только генератор и ГРЩ, но и вся сеть, потребители которой не могут нормально функционировать из-за большого падения напряжения.
Различают два вида КЗ:
– металлическое
– дуговое
Металлическое КЗ представляет собой непосредственный жёсткий контакт токоведущих частей между собой, когда возникновение дуги не возможно. В наиболее худших случаях КЗ на шинах ГРЩ ударные токи металлического КЗ для генераторов достигают от 15 до 20 номиналов.
Величина этого тока зависит от величины сверхпереходного индуктивного сопротивления генераторов Xd″. Снижение напряжения в этом случае на шинах до 0,1 номинала.
На практике наиболее часто возникают ДУГОВЫЕ КЗ, в основном при несоблюдении правил ТО №2. Это КЗ, при котором между токоведущими частями в момент КЗ возникает электрическая дуга. Электрическая дуга обладает достаточно большим активным сопротивлением (20÷25 мОм). За счёт активного сопротивления дуги, при дуговом КЗ токи КЗ меньше, чем при металлическом КЗ,порядка 10÷12 номинала, а напряжение 0,3÷0,5 номиналов. ДуговоеКЗ носит взрывной характер с выбросом энергии в виде ствола дуги и пламени. Температура дуги достигает 6000-12000 К. Это может вызвать пожар и повреждение ЭО, поломку АВ и шин ГРЩ.
Для защиты от КЗ применяют следующие устройства: автоматические выключатели селективные и установочные, ДЗН-50, ДЗУТ – дифференциальная защита от ударных токов.
2. Повреждение первичного двигателя (ПД).
При параллельной работе генераторов, генератор, имеющий неисправный первичный двигатель, может перейти в двигательный режим, что вызовет перегрузку второго генератора, который будет остановлен аварийной защитой. Чаще всего подобные неисправности возникают при неисправностях в топливной аппаратуре или автоматических регуляторах.
3. Перегрузка сетей и отдельного электрооборудования.
Причиной перегрузки сетей является работа отдельного электрооборудования в аномальных режимах. Такие режимы ведут к увеличению токов в ЭЭС на сравнительно небольшие значения до 1,1-1,5 номинала, а иногда и выше. Они опасны при длительной работе, т.к. ведут к перегреву обмоток электрооборудования и выходу его из строя.
4. Несоблюдение условий точной синхронизации (несинхронное включение)
Существуют следующие нарушения условий точной синхронизации:
· Ошибка в выборе момента включения генераторов на параллельную работу.
В момент включения резко увеличивается момент на валу. На валу одного генератора этот момент будет тормозным, а на валу второго подкручивающим. Наибольший бросок момента на валах работающего и подключаемого генераторов наблюдается при угле рассогласования их роторов на 120-140 эл. градусов. Уравнительный ток при этом равен примерно ударному току КЗ, что приводит к возникновению больших электродинамических сил, действующих на шинах ГРЩ, и снижению напряжения до значений 0,15-0,2 номинала.
· Неравенство частот подключаемого генератора и сети, к которой этот генератор подключается.
При неравенстве частот также возникает электромагнитный момент, действующий на вал ротора ГА.Однако равенство частот нарушается всегда при включении на параллельную работу. Считается, что частота подключаемого генератора должна быть выше (иметь положительное скольжение), чем частота работающего генератора на величину до 0,2 Гц. Это даёт оператору или устройству синхронизации определить момент включения на параллельную работу, а ГА после включения на параллельную работу быть в устойчивом генераторном режиме.
· Нарушение условия порядка чередования фаз.
Эта авария возникает тогда, когда вращающиеся магнитные поля подключаемой и работающей систем вращаются в разных направлениях. Внешние признаки такой аварии такие же, как и при наиболее тяжелом случае. Когда угол рассогласования роторов составляет 180 градусов.
· Несоблюдение равенства уровня напряжений подключаемого и работающего генераторов.
Это приводит к возникновению уравнительных токов, которые носят чисто индуктивный характер и не создают бросков электромагнитных моментов на валу роторов генераторов, а приводят лишь к нагреванию токоведущих частей. Разница напряжений генераторов при подключении на параллельную работу должна быть не более чем на 10%.