Резервирование - эффективное средство обеспечения надежности

Резервирование как основной метод повышения надежности

Вопросы:

1. Факторы, влияющие на надежную работу электрооборудования.

2. Резервирование - эффективное средство обеспечения надежности.

3. ЗИП (запасные элементы и комплектующие) как особый случай резервирования электроэнергетических систем.

 

Факторы, влияющие на надежную работу электрооборудования.

Надежная работа электрооборудования электроэнергетических систем в целом зависит от многих факторов. Все факторы условно можно разделить на две группы: субъективные и объективные.

К субъективным факторам относятся все мероприятия, связанные с: 1)выбором схемного и конструктивного решения при проектировании; 2)выбором элементов и материалов;

3)обеспечением оптимальных рабочих режимов;

4) организацией технического обслуживания и эксплуатации устройств.

К объективным факторам относятся различные климатические, метеорологические, механические и другие воздействия.

По характеру действия факторы можно разделить на:

конструктивно-производственные и эксплуатационные.

Конструктивно-производственные факторы связаны с разработкой, проектированием и изготовлением. Их влияние на надежность изделий является наиболее сильным и определяющим. На стадии проектирования сложных электроэнергетических систем и их оборудования основным условием повышения надежности является максимальный учет особенностей и условий эксплуатации, режимов использования и работы, климатических и механических нагрузок. Именно в этот период закладывается желаемый уровень надежности.

Методы повышения надежности на этом этапе можно назвать схемно-конструкторскими. Повышение надежности этими методами достигается, как правило, введением тем или иным путем избыточности при разработке систем и конструкций.

Эксплуатационные факторы влияют на надежность устройств в процессе их использования по назначению. Они включают в себя как объективные факторы, обусловленные влиянием внешней среды, так и субъективные факторы, связанные с организацией системы технического обслуживания, ремонта, обеспечения запаснымичастями, с квалификацией обслуживающего персонала.

Объективные факторы, оказывающие влияние на надежность объектов, можно классифицировать на две группы: внешние и внутренние факторы.

К внешним факторам относят воздействия, обусловленные внешней средой и условиями применения. Это прежде всего:

- климатические факторы (низкие и высокие температуры воздуха, влажность воздуха, солнечная радиация, скорость ветра, туманы, метели, пыльные бури, атмосферное давление и т.д);

- механические и акустические воздействия (вибрации, удары, ускорения);

- электромагнитное и радиационное излучения;

- биологические факторы (агрессивная среда);

- колебания питающих напряжений, изменения режимов работы.

Внутренние факторы связаны с изменением параметров объектов и конструкционных материалов: старением, износом, коррозией. Эти изменения происходят с течением времени под влиянием внешних факторов. Необходимо отметить, что в действительности все перечисленные факторы влияют на надежность объекта в комплексе.

Изменения свойств материалов также зависят от интенсивности и продолжительности воздействия перечисленных факторов и их наиболее неблагоприятного сочетания. Воздействие климатических факторов вызывает определенного вида отказы, интенсифицирует потоки отказов, возникающих в результате случайных перегрузок, усталостных явлений в металле, действия сил трения, несовершенства структурной схемы объекта и др.

Резервирование - эффективное средство обеспечения надежности

Необходимая надежность сложных систем может быть достигнута только при использовании различных видов резервирования. Резервирование — это одно из наиболее эффективных средств обеспечения заданного уровня надежности (особенно безотказности) объектов при недостаточно надежных элементах. В соответствии с ГОСТ 27.002-2015 резервированием называется применение дополнительных средств и (или) возможностей с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного или нескольких его элементов. Таким образом, резервирование – это метод повышения надежности объекта путем введения избыточности. Избыточность – это дополнительные средства и (или) возможности необходимые для выполнения объектом заданных функций. Задачей введения избыточности является обеспечение нормального функционирования объекта после возникновения отказа в его элементах.

Существуют разнообразные методы резервирования. Их целесообразно классифицировать по следующим признакам:

1) вид резервирования:

- структурное;

- временное;

- информационное;

- функциональное;

- нагрузочное.

2 ) способ соединения:

- общее;

- раздельное;

- смешанное.

3) способ включения резерва:

- постоянный;

- динамический:

а) замещением;

б) скользящее;

в) мажоритарное.

4) кратность резервирования:

- целая;

- дробная.

5) режим работы резерва:

- нагруженный;

- облегченный;

- ненагруженный.

6) восстанавливаемость резерва:

- восстанавливаемый;

- невосстанавливаемый.

Структурное резервирование, иногда называемое аппаратурным (элементным, схемным), предусматривает применение резервных элементов структуры объекта. Суть структурного резервирования заключается в том, что в минимально необходимый вариант объекта вводятся дополнительные элементы. Элементы резервированной системы носят следующие названия. Основной элемент – элемент структуры объекта, необходимый для выполнения объектом требуемых функций при отсутствии отказов его элементов. Резервный элемент – элемент объекта, предназначенный для выполнения функций основного элемента, в случае отказа последнего.

Резервируемый элемент – основной элемент, на случай отказа которого в объекте предусмотрен резервный элемент.

Временное резервирование связано с использованием резервов времени. При этом предполагается, что на выполнение объектом необходимой работы отводится время, заведомо большее минимально необходимого. Резервы времени могут создаваться за счет повышения производительности объекта, инерционности его элементов и т.д.

Информационное резервирование – это резервирование с применением избыточности информации. Примерами информационного резервирования является многократная переда одного и того же сообщения по каналу связи; введение избыточных информационных символов при обработке, передаче и отображении информации.

Функциональное резервирование – резервирование, при котором заданная функция может выполняться различными способами и техническими средствами. Например, функция быстрой остановки водо-водяного энергетического реактора может быть осуществлена вводом в активную зону стержней аварийной защиты СУЗ или впрыском борного раствора.

Нагрузочное резервирование – это резервирование с применением нагрузочных резервов. Нагрузочное резервирование заключается в обеспечении оптимальных запасов способности элементов выдерживать действующие на них нагрузки. При других способах нагрузочного резервирования возможно введение дополнительных защитных или разгружающих элементов.

Перечисленные виды резервирования могут быть применены либо к системе в целом, либо к отдельным элементам системы или к их группам. В первом случае резервирование называется общим, во втором – раздельным. Сочетание различных видов резервирования в одном и том же объекте называется смешанным.

По способу включения:

Постоянное резервирование – это резервирование без перестройки структуры объекта при возникновении отказа его элемента. В простейшем случае это параллельное соединение элементов без переключающих устройств (рисунок 1).

Динамическое резервирование – это резервирование с перестройкой структуры объекта при возникновении отказа его элемента (рисунок 2).

 

(а) (б)

Рисунок 2. Схемы общего (а) и раздельного (б) динамического резервирования с коммутирующими устройствами

 

Резервирование замещением – это динамическое резервирование, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного элемента. Это дает следующие преимущества:

- не нарушает режима работы резерва;

- сохраняет в большей степени надежность резервных элементов, т.к. при работе основных элементов они находятся в нерабочем состоянии;

- позволяет использовать резервный элемент на несколько основных элементов.

Существенным недостатком резервирования замещением является необходимость наличия переключающих устройств. При раздельном резервировании число переключающих устройств равно числу основных элементов, что может сильно понизить надёжность всей системы. Поэтому резервировать замещением выгодно крупные узлы или всю систему, а во всех других случаях – при высокой надёжности переключающих устройств.

 

 

 

Рисунок 3. Общее резервирование с включением резерва замещением

Рис.4 Раздельное резервирование с включением резерва замещением

Скользящее резервирование – это резервирование замещением, при котором группа основных элементов объекта резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой отказавший основной элемент в данной группе (рисунок 5).

 

 

 

Рисунок 5. Схема скользящего резервирования

Мажоритарное резервирование основано на применении дополнительного элемента, называемого мажоритарным (логическим), который позволяет вести сравнение сигналов, поступающих от элементов, выполняющих одну и ту же функцию. Если результаты совпадают, то они передаются на выход устройства. Например, резервирование по принципу «2 из 3», т.е. любые два совпадающих результата из трех считаются истинными и проходят на выход устройства. Главное достоинство этого метода – повышение надежности при любых видах отказов элементов и повышение достоверности информационно-логических объектов (рисунок 6).

 

Рис. 6 Мажоритарное резервирование

 

		Рисунок 7. Зависимости вероятности безотказной работы электрических систем при общем (штрихованные линии) и раздельном (сплошные линии) резервировании от количества резервных элементов при разном числе последовательно соединенных элементов
			Рисунок 8. Зависимости вероятности безотказной работы системы от времени при нагруженном резерве (1) и при повышенной надежности блока (2).

 

 

Степень избыточности характеризуется кратностью резервирования. Кратность резерва – это отношение числа резервных элементов объекта к числу основных элементов, выраженное несокращенной дробью. Резервирование с целой кратностью имеет место, когда один основной элемент резервируется одним или более резервными элементами.

Резервирование с дробной кратностью – когда два и более однотипных элемента резервируются одним и более резервными элементами. Наиболее распространенным является такой, когда число основных элементов превышает число резервных. Резервирование, кратность которого равна единице, называется дублированием.

В зависимости от режима работы резерва различают:

Нагруженный резерв – это резерв, который содержит один или несколько резервных элементов, находящихся в режиме основного элемента. Облегченный резерв содержит один или несколько резервных элементов, находящихся в менее нагруженном режиме, чем основной. Элементы облегченного резерва обладают более высоким уровнем безотказности, долговечности и сохраняемости, чем основные элементы. Ненагруженный резерв – это резерв, который содержит один или несколько резервных элементов, находящихся в ненагруженном режиме до начала выполнения ими функций основного элемента. Условно считается, что элементы ненагруженного резерва никогда не отказывают и не достигают предельного состояния.

Резервирование, при котором работоспособность любого одного или нескольких резервных элементов в случае возникновения отказов подлежит восстановлению при эксплуатации, называется резервированием с восстановлением, в противном случае имеет место резервирование без восстановления. Восстанавливаемость резерва обеспечивается при наличии контроля работоспособности элементов. При наличии резервирования это особенно важно, т.к. в этом случае число скрытых отказов может быть больше, чем при отсутствии резервирования. В идеальном варианте отказ любого элемента объекта обнаруживается без задержки, а отказавший элемент незамедлительно заменяется или ремонтируется.

Важные свойства резервирования:

1. Интенсивность отказов резервированной системы всегда начинается с нуля независимо от интенсивности отказов нерезервированной системы. По мере увеличения времени эксплуатации системы, интенсивность отказов резервированной системы асимптотически стремится к интенсивности отказов нерезервированной системы. При резервировании с дробной кратностью интенсивность отказов резервированной системы при определенных значениях m и t может быть больше интенсивности отказов нерезервированной системы. Это означает, что система, у которой применено резервирование с дробной кратностью, может быть менее надежной, чем нерезервированная.

Из рисунка 6 видно, что существует такое критическое значение времени работы τ, выше которого резервирование с дробной кратностью нецелесообразно.

Рис. 6 Соотношение вероятности безотказной работы систем

при резервировании с дробной кратностью

Увеличение вероятности безотказной работы тем больше, чем меньше интенсивность отказов нерезервированной системы, т.е. чем более надежная система резервируется. Это основное противоречие всякого резервирования. Оно приводит к тому, что для повышения надежности систем длительного использования необходима высокая кратность резервирования.

При схемной реализации любого резервирования, кроме скользящего, значительное увеличение массы системы приводит к менее значительному увеличению средней наработки до отказа.