ИНЖИНИРИНГ ЗЛЕКТРОПРИВОДОВ

Основные понятия и задачи обеспечения надежности

Вопросы обеспечения надежной работы оборудования являются осново­полагающими при его проектировании и создании. В полной мере это отно­сится к электроприводам и системам автоматизации. По общей теории на­дежности имеется множество учебников и учебных пособий. Особенностью таких объектов, как электроприводы и системы автоматизации является тре­бование обеспечения их определенного ресурса и возможности (и необходи­мости) проведения регламентных и ремонтных работ, т. е. это оборудование, как правило, относится к восстанавливаемому. Вопросы теории и методов обеспечения надежности невосстанавливаемого или восстанавливаемого ра­диоэлектронного оборудования рассматриваются в [16], а специфические вопросы по надежности теристорных преобразователей электроэнергетиче­ских систем — в [37, 52, 56].

Согласно ГОСТ 27.002—83 надежность — комплексное свойство, которое включает в себя безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохра­няемость. В электроэнергетике и электромеханике к этим свойствам добавляют еще готовность, живучесть и безопасность.

Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки. Работо­способное состояние (работоспособность) — состояние объекта, при кото­ром значения всех параметров, характеризующих способность выполнять за­данные функции, соответствуют требованиям нормативов. Наработка — про­должительность или объем работы объекта.

Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособность до наступ­ления предельного состояния при установленной системе технического об­служивания и ремонта. Предельным называется состояние, при котором даль­нейшее применение объекта по назначению недопустимо или нецелесообраз­но либо восстановление его невозможно или невыгодно.

Ремонтопригодность — свойство объекта, связанное с приспособленностью к предупреждению и обнаружению причин появления отказов и поврежде­ний, поддержанию и восстановлению работоспособности путем технического обслуживания и ремонтов.

Переход объекта с одного уровня работоспособности на другой, более низ­кий, называется отказом. Отказ, произошедший во время выполнения задан­ных функций, называется отказом в работе (отказом функционирования). От­казы бывают полные и частичные.

Сохраняемость — свойство объекта сохранять значения показателей безот­казности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и (или) транспортировки.

Готовность — свойство объекта приступать к выполнению некоторых фун­кций в любой момент времени по требованию, изменяя режим работы без нежелательных переходных процессов. В это понятие включается и управляе­мость, и устойчивость, и относительная длительность (вероятность) нахож­дения в работоспособном состоянии.

Живучесть — свойство объекта противостоять внешним и внутренним воз­мущениям (нарушениям, воздействиям, отказам), не допуская их цепочечно­го развития и сокращения функционирования ниже жизненно необходимого уровня. В это понятие включается и неуязвимость объекта (в отношении утра­ты некоторых элементов), и стойкость объекта (в отношении к общим для всех элементов воздействиям).

Безопасность — свойство объекта не создавать опасности для людей и окру­жающей среды во всех возможных режимах работы и аварийных ситуациях. Учитывая безусловную важность этой составляющей, часто ее выделяют из понятия надежности, говоря о надежности и безопасности объектов.

Вероятностные показатели надежности следующие: вероятность отказа Q{tp) и вероятность безотказной работы P(tp) за заданное время Гр; вероятность вос­становления P(t3) за заданное время г3; вероятность нахождения объекта в любой момент времени определенного периода в состоянии работоспособно­сти (характеризуется коэффициентом готовности КТ) или состоянии нерабо­тоспособности (характеризуется коэффициентом простоя qab); условная веро­ятность Q(s/i) отказа объекта s при возникновении события і (например, отка­за устройства защиты при повреждении оборудования). Вероятностные показатели надежности могут быть определены экспериментально-статистическим путем или аналитически на основе вероятностных моделей и других методов расчета. С помощью статистических и расчетных оценок вероятностных показателей надежности формируются критерии для приемки или браковки, критерии вы­бора наиболее надежных вариантов и критерии оптимальности решений так же, как для рассмотренных ранее показателей свойств объекта во времени. На­пример, P(tp) < Р(/р)ном — условие браковки, a P(tv) max — условие выбора.

Надежность как свойство конкретного объекта выполнять заданные функ­ции можно охарактеризовать последовательностью наработок на отказ Ус­редняя оценку наработки на отказ по множеству реализаций и получив оцен­ку среднего значения и рассеяния этой величины, можно уверенно говорить о выполнении заданных функций данным объектом в ближайшем будущем. Ме­рой уверенности может служить вероятность безотказной работы или отказа в предстоящем интервале времени. Однако вероятности эти будут условными мерами уверенности, так как предполагается, что существенно не изменятся ни условия функционирования, ни само состояние объекта [18]. Условность мер надежности является причиной неопределенности оценок показателей элементов электротехнических установок и систем. Интервал, в который по­падают возможные значения частот отказов, составляет от одного до двух - трех порядков.

Рассматривая надежность такого класса объектов, как система, можно го­ворить об условиях ее функционирования при отказах отдельных элементов и изменении внешних воздействий и требований, т. е. о логической мере уве­ренности в выполнении или невыполнении всех или части ее функций. Пере­ход от логической меры к вероятностной или частотной возможен при усло­вии выполнения оценки показателей надежности элементов. Но эти показате­ли условны, следовательно, условна и оценка показателей надежности системы.

Можно выделить электротехнические объекты высокой, средней и низкой надежности. Объекты высокой надежности за счет хорошо развитого резерви­рования обеспечивают высокий уровень безотказности. Вероятность их отказа за весь срок службы меньше Ю-6. Подтвердить этот уровень с большой степе­нью уверенности не удается ни расчетом, ни экспериментально.

Объекты средней надежности имеют невысокую кратность резервирова­ния, поэтому не исключены их отказы в процессе работы. В течение расчетно­го периода эксплуатации отказы могут возникать, но могут и не возникать. Безотказность и восстанавливаемость их обеспечивается средствами защиты, управления и автоматики, а также профилактикой и ремонтами. Оценки по­казателей надежности таких объектов получаются довольно точными. Причем точность оценок тем выше, чем больше число элементов, учитываемых в мо­дели.

Объекты низкой надежности не имеют избыточных элементов. Их отказы — массовые явления, вероятность возникновения которых в течение года близ­ка к единице. Неопределенность наблюдается только в отношении числа от­казов и момента их наступления.

Показатели надежности элементов установок оцениваются средними значе­ниями и среднеквадратическими погрешностями. Погрешности оценок показа­телей надежности установок, включая ущерб, вычисляются по формулам те­ории точности при известных погрешностях исходных данных. Следует отме­тить, что относительная погрешность полученных при этом результатов, как правило, не превышает относительной погрешности исходных данных.

Задача обеспечения надежности любого оборудования решается на стадиях разработки проекта, производства, доставки к месту установки, хранения, монтажа, испытания и эксплуатации (использования, технического обслужи­вания и ремонта). Практически обеспечение безотказной и долговечной рабо­ты любого электротехнического устройства (оборудования и установок) ос­новывается на обязательном соблюдении требований ПУЭ, ПТЭ, ПТБ и инструкций по его применению, а также проверке технического состояния оборудования, находящегося на складе, в резерве, на техническом обслужи­вании (включающем в себя осмотр, измерения, диагностирование, отбра­ковку).

Контроль функционирования устройств должен осуществляться непрерыв­но или периодически с помощью информационно-измерительной системы и средств технической диагностики, а также путем непосредственного наблю­дения и осмотра. Прогнозирование изменения технического состояния объек­та и нагрузок на основе знания процессов деградации и текущей информации о контролируемых параметрах позволяет избежать возникновения отказов по причине его старения и износа.

Избыточность структурная, временная, запаса прочности и ресурса обес­печивает существенную отсрочку момента отказа объекта и дает возможность его предотвращения. Предупреждение отказов возможно при своевременном проведении технического обслуживания (проверки, контроля, испытаний, замены, ремонта) и полноценного восстановления работоспособности обо­рудования, которые также позволяют продлить срок службы оборудования до запланированного или необходимого уровня.

Все время работы электротехнических установок можно разделить на три периода. В первом периоде выходят из строя (вскоре после начала эксплуата­ции) всегда имеющиеся изделия с скрытыми дефектами. По этой причине первый период называют периодом приработки, или «выжигания», дефект­ных изделий. Второй период, когда отказы изделия довольно редки и вызыва­ются чисто случайными обстоятельствами, называют периодом нормальной работы. Третий период — это период старения, когда необратимые физико - химические явления приводят к ухудшению качества материалов и деталей объекта и износ становится неустранимым. В этот период интенсивность отка­зов возрастает и удержать ее на заданном низком уровне путем профилакти­ческих ремонтов уже не удается.

Управление эксплуатацией электрооборудованием связано с оценивани­ем его текущего состояния, прогнозированием надежности и обоснованием управляющих решений. Для выполнения этой работы создаются экспертные компьютерные системы и разрабатываются математические модели, учитыва­ющие условия практической работы персонала и его профессиональный опыт.