Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса и постановка задач исследования 7
1.1. Общая постановка вопроса 7
1.2. Анализ дуговых процессов в вакуумных выключателях и отключение токов 14
1.3. Характеристика конструктивных особенностей вакуумного электрооборудования 23
1.4. Обзор и анализ методов оценки безотказности оборудования и систем 35
1.5. Цели и задачи исследования 42
2. Анализ надежной работы комплектных распределительных устройств с вакуумными выключателями напряжением 10 кВ 45
2.1. Общие положения 45
2.2. Методика сбора статистических данных 47
2.3. Методика, результаты обработки и анализа статистических данных 50
2.4. Выводы 72
3. Повышение эффективности работы распределительных устройств с вакуумными выключателями путем совершенствования их схемных и конструктивных решений 73
3.1. Общие сведения 73
3.2. Повышение безотказности блоков комплектного распределительного устройства 81
3.3. Блокировочное устройство для распределительных устройств с вакуумными выключателями 100
3.4. Выводы 112
4. Разработка математических моделей безотказных систем электроснабжения потребителей на базе комплектных распределительных устройств с вакуумными выключателями 114
4.1. Математическая модель функционирования систем электроснабжения 114
4.2. Математическая модель надежности комплектных распределительных устройств технологически связанных систем 121
4.3. Параметры системы при параллельном соединении элементов 126
4.4. Обеспечение безотказности работы системы за счет непериодичных предупредительных восстановлений системы 130
4.5. Выводы 135
5 Управление диагностикой и ремонтом распределительных устройств с вакуумными выключателями 136
5.1. Блок-схема безотказного функционирования электрооборудования 136
5.2. Обеспечение безотказного функционирования распределительных устройств 138
5.3. Определение оптимальной периодичности диагностик 144
5.4. Разработка структурно-функциональной схемы системы управления диагностикой распределительных устройств с вакуумными выключателями 150
5.5. Выводы 153
Заключение 154
Литература 156
Приложение 169
- Характеристика конструктивных особенностей вакуумного электрооборудования
- Повышение безотказности блоков комплектного распределительного устройства
- Параметры системы при параллельном соединении элементов
- Определение оптимальной периодичности диагностик
Характеристика конструктивных особенностей вакуумного электрооборудования
Конструкция вакуумной камеры довольно-таки проста Она состоит из (Рис. 1.11.) пары контактов (4;5), один из которых является подвижным (5), заключенных в ваккумно-плотную оболочку, спаянную из керамических или стеклянных изоляторов (3;7), верхней и нижней металлических крышек (2;8) и металлического экрана (6). Перемещение подвижного контакта относительно неподвижного обеспечивается путем применения сильфона (9). Выводы камеры (1;10) служат для подключения ее к главной токоведущей цепи выключателя. Надо отметить, что для изготовления оболочки вакуумной камеры применяются только специальные вакуумно-плотные, очищенные от растворенных газов металлы - медь и специальные сплавы, а также специальная керамика. Контакты вакуумной камеры изготавливаются из металлокерамической композиции (как правило это медь-хром в соотношении 50%-50% или 70%-30%), обеспечивающей высокую отключающую способность, износостойкость и пре пятствующей возникновению точек сваривания на поверхности контактов.
Цилиндрические керамические изоляторы совместно с вакуумным промежутком, при разведенных контактах, обеспечивают изоляцию между выводами камеры при отключенном положении выключателя.
Как упоминалось, в процессе коммутации горение дуги сопровождается выделением металлического пара, который распространяется из межконтактной области в радиальном направлении к оболочке вакуумной камеры. Если позволить парам металла свободно конденсироваться на поверхности керамических изоляторов, это довольно быстро приведет к нарушению их электрической прочности изоляторов и выходу камеры из строя. Таким образом, одним из важных компонентов в конструкции современных вакуумных камер является металлический экран, предназначенный для того, чтобы «перехватывать» и адсорбировать на себе образующийся при коммутациях металлический пар, не допуская возникновения налета металла на изоляционных деталях камеры, увеличивая тем самым ее долговечность (коммутационный ресурс).
Уровень вакуума (остаточное давление газов) в современных промышленных дугогасительных камерах обычно составляет 10 7-10 6Па.
В соответствии с теорией электропрочности газов, необходимые изоляционные качества вакуумного промежутка достигаются и при меньших уровнях вакуума (порядка 10" Па), однако для современного уровня вакуумных технологий, создание и поддержание в течение времени жизни вакуумной камеры уровня 10"6 Па не составляет проблемы, что обеспечивает вакуумным камерам запасы электропрочности на весь срок эксплуатации. Кроме того, отмечено, что в процессе коммутаций уровень вакуума даже несколько повышается за счет поглощения остаточных газов конденсирующимися парами металла [9].
Видимая на первый взгляд простота конструкции вакуумной камеры весьма обманчива, на самом деле за ней кроется масса научных, технических и технологических ноу-хау, затрагивающих конструкцию камеры, подготовку компонентов, технологию изготовления и ее последующее использование. Возможно, наиболее важной деталью камеры являются контакты. Контакты очень важны в любом механическом коммутационном устройстве (выключателе), поскольку они выполняют двоякую задачу - несут ток (зачастую довольно большой) при пребывании выключателя во включенном состоянии и выдерживают приложенное напряжение при его отключенном состоянии [21]. Однако, в вакуумном выключателе они также обеспечивают среду горения дуги при переходе выключателя из включенного состояния в отключенное. Контактный материал должен удовлетворять следующим требованиям:
хорошая электропроводность для минимизации электрических потерь при протекании тока;
хорошая теплопроводность для улучшения отвода тепла, выделяющегося при протекании тока по контактам (поскольку вакуум обладает замечательными теплоизолирующими свойствами);
хорошие диэлектрические качества для обеспечения электропрочности вакуумного промежутка при отключенном состоянии выключателя;
хорошая отключающая способность при коммутации токов любого уровня;
способность противостоять возникновению сварок или легко разрывать образовавшиеся точки сварок;
механическая стабильность при работе в условиях значительных циклических ударных нагрузок;
хорошая обрабатываемость и технологичность;
способность поддерживать стабильную дугу при малых токах для предупреждения коммутационных перенапряжений (малые токи среза).
Устойчивость контактов вакуумной дугогасительной камеры к свариванию является одним из важнейших ее качеств. Известно, что металлические детали, прижатые друг к другу в атмосфере вакуума подвержены холодной сварке, поскольку на их поверхностях не могут образоваться окислы, препятствующие этому процессу. Данный фактор делает принципиально неприменимыми в конструкции камеры контактов розеточного, ножевого и скользящего типов. К тому же, контакты подвергаются воздействию сквозных токов короткого замыкания, расплавляющих металл в отдельных точках поверхности из-за высокой плотности тока в них, вследствие чего в этих точках образуются участки сварки. Проблема сваривания контактов преодолена путем одновременного внедрения нескольких технических решений в конструкциях вакуумной камеры и вакуумного выключателя [9, 13]. Прежде всего, были разработаны специальные металлокерамические контактные накладки, обладающие, с одной стороны весьма высокой устойчивостью к образованию сварок, а с другой стороны - зернистой структурой, благодаря которой уже образовавшиеся сварки могли быть легко разорваны приводом выключателя. Примером такого материала может жет служить широко используемая сейчас во всем мире композиция медь-хром (70%/30%). Кроме того, были созданы приводы, обеспечивающие довольно значительное (2000-3000 Н) усилие дополнительного поджатия контактов для предотвращения электродинамического отброса контактов и снижения их переходного сопротивления. И, наконец, приводы были сконструированы так, что создаваемые усилия на разрыв при отключении выключателя были достаточны для преодоления возможных сварок контактов и их размыкания. Найденные решения позволили использовать вакуум в качестве среды дугога-шения в промышленных выключателях.
Повышение безотказности блоков комплектного распределительного устройства
Поскольку одними из основных элементов выкатного элемента являются блок питания и блок управления, то безотказная работа распределительного устройства в целом в значительной степени зависит от надежности этих блоков. Поэтому в производственных условиях был организован сбор статистических данных по отказам элементов указанных блоков, данные были обработаны и проанализированы (Гл.2).
Детальный анализ причин отказов и схемного решения блоков питания BP/TEL позволил устранить характерные отказы, предложив новое схемное решение.
Блок питания функционально состоит из следующих узлов:
1) сетевого выпрямителя;
2) задающего инвертно-импульсного модулятора (генератора);
3) однотактного силового преобразователя;
4) компаратора 230В;
5) встроенной конденсаторной батареи (ВКБ);
6) узла внутреннего питания;
7) узла формирования контрольного выходного напряжения UBbIx. На рис.3.6 представлена функциональная схема бока питания (ряд элементов на ней не представлен).
Сетевой выпрямитель собран на диодном мосте Д2 и сетевом фильтре на конденсаторе С1. Узел обеспечивает питание блока при оперативном напряжении постоянного или переменного тока в диапазоне напряжений: при постоянном напряжении 220 (+80-145В); при переменном - 220 (+40-155В); допустимый диапазон по низковольтному входу 12... 18В.
Во время отсутствия оперативного напряжения питание по входу ±12В через диод Д7 подается на Q5 и через цепочку Д10 и R5 на задающий генератор. Основой задающего генератора служит микросхема, а элементы Ul A, U1C, ШД и транзисторы Q4 и Q6 являются буфером и служат для быстрого переключения Q5 через токоограничивающие резисторы R16 и R17.
Однотактный силовой преобразователь, собранный на полевом транзисторе Q5, трансформаторе ТІ, ограничительной токовой цепочке R22...25 и транзисторе Q7, осуществляет преобразование низковольтного сигнала с выхода задающего генератора в импульсную последовательность 230В.
Основным элемент компаратора (230В) является транзистор Q1, открывание которого при достижении установленного напряжения на выходе блока изменяет длительность и частоту задающего генератора на микросхеме U1 через развязку IS01. Одновременно при этом включается светодиод Д8 - сигнал "Готов".
Встроенная конденсаторная батарея собрана на конденсатах СЗ...С8, СЮ, С15, С16 (суммарная емкость около 5000мкФ) и предназначена для сглаживания импульсной последовательности с выхода силового преобразователя, а так же получения импульсного тока на уровне 10А при кратковременных подключениях низкоомной нагрузки. В процессе включения ВВ выходное напряжение блока уменьшается до 80В за счет разряда ВКБ.
Узел формирования выходного сигнала "контр. UBb,x" представляет собой одно-вибратор на транзисторах Q2 Q3 с динамической положительной обратной связью через конденсатор С11 с коллектора IS02 импульс тока 5мА длительностью около 30 мс после снижения выходного напряжения BP/TEL на время более 5с.
При открывании транзистора Q5 через первичную обмотку ТІ начинает проходить линейно нарастающий ток. При падении напряжения на резисторах R2///R25 открывается Q7 через R18 и разряжает времязадающий конденсатор С20. Инвертор U1B переключается в противоположное состояние и транзистор Q5 закрывается. Энергия, накопленная в ТІ, через диод Діб поступает в конденсаторную батарею ВКБ. При первых тактах включенного блока или в режиме КЗ время разряда ТІ может достигать миллисекунды, поэтому задающий генератор U1B работает на звуковых частотах.
При достижении на выходе напряжения 100В частота генерации увеличивается благодаря добавочному заряду С20 через С23 и диод Д18. Диоды Д17 и Д22 ограничивают эти импульсы на уровне напряжения питания U1.
Блок питания допускает работу от вспомогательного источника питания +12В (аккумулятор) при этом время заряда батареи конденсаторов увеличивается до одной минуты. Питание подается через развязывающий диод Д7 и цепочку Д10 и R5.
При достижении на выходе блока напряжения ЗОВ открывается Q1, задающий примой ток через светодиод Д8 (сигнал "готов") и светодиод оптопары IS01. Фоторезистор IS01 начинает проводить ток, создавая дополнительное падение напряжения на R18, что приводит к уменьшению амплитуды импульсов тока через Q5 и уменьшению частоты задающего генератора. Уровень номинального выходного напряжения задается делителем Rl, R4 и стабилитроном Д1.
Надежная работа обеспечивается при соблюдении выходных характеристик, а именно выходного напряжения блока в установившемся режиме должно составлять 230В±5%; при оперативном питании по входу напряжением 150...260В блок должен обеспечивать включение вакуумного выключателя не реже одного раза в 2,5с при сопротивлении нагрузки RH=3KOM; при этом мощность, потребляемая блоком, должна составлять не более 210Вт.
Исследования, проведенные в процессе разработки блока питания, позволили получить графическую зависимость максимального времени заряда tsmax встроенной конденсаторной батареи до номинального выходного напряжения (рис.3.7), а также зависимость максимальной мощности Ртах от оперативного напряжения Uon (рис.3.8) Аналитическое выражение, описывающее данную зависимость, апроксимируется формулой
Длительная эксплуатация и сбор статистических данных об отказах элементов блока питания выявил наиболее характерные и длительные отказы: Длительная нагрузка на выходе блока питания, отказ транзистора Q5; отказ светодиодов; отказ в цепи обратной связи, приводящий к присутствию на выходе блока напряжения более 242В, что не допустимо.
Учитывая эти характерные отказы и ряд других была разработана новая схема блока питания, функциональная схема которого представлена на рис.3.9. Все элементы электрической схемы смонтированы на одной плате. На лицевой стороне блока размещены светодиоды "сеть", сигнализирующий о наличии напряжения питания и индикатор "готов", если выходное напряжение достигло 230В.
К цепи питания блок присоединяется контактами 14, 15, а к вспомогательному источнику - 11, 12. Блок управления получает питание от контактов 5, 6, 8 , 9, а цепи контроля присоединяются к 16, 17 , 18.
Блок преобразует переменное (постоянное) напряжение 220В (=12В) в постоянное напряжение 230В. Принцип действия блока основан на импульсном методе преобразования напряжения. Импульсный преобразователь напряжения (инвертор) выполнен по схеме однотактного "обратноходового" преобразователя. Инвертор включает: обмотку трансформатора ТІ, силовой ключ Q2, диод Д9, датчик тока "прямого хода" и контроллер.
Параметры системы при параллельном соединении элементов
Совместная работа оборудования характеризуется перекрытием наработок между отказами, а также наложением отказов на наработки. Если оборудование соединено параллельно , то из п единиц может работать меньшее число его, чем общее количество единиц. В общем случае из п единиц оборудования может работать п. Совместная работа может быть описана суммарным импульсным потоком, являющимся суммой случайных потоков отдельных единиц оборудования. Характеристики этого потока зависят от параметров и характеристик отдельных единиц оборудования, предполагая, что параметры каждого из слагаемых потоков известны. Изображаются они также импульсами и паузами. Перекрытие их по длительности приводит к образованию импульсов совпадения, которые характеризуют их совместную работу. На рис. 4.2 импульс совпадения образован перекрытием трех импульсов из четырех слагаемых.
Чтобы получить импульсы совпадения от совместного функционирования п единиц оборудования можно просуммировать, согласно теории случайных импульсных потоков, п случайных потоков или суммарный поток из п-1 оборудования и потока последней единицы оборудования. Тогда вероятность совпадений потока Yn_i(t) должна быть равна единице
Появление импульсов совпадений носит случайный характер, т.е. высота импульса и его длительность случайны. Высота и длительность импульса характеризуют электроэнергию, потребляемую системой, а высота импульса -соответственно потребляемую мощность. Средние длительности совпадений, характеризуемые вероятностями согласно (4.25), будут
Текущее значение времени не оказывает влияние на математическое ожидание длительностей 7?nju f"nj. Первый индекс п означает число слагаемых потоков, второй і - число перекрытых импульсов. Одинарные индексы соответствуют параметрам слагаемых потоков и показывают, к какому потоку они принадлежат.
Частоты следования ц иц этих событий определяются из аналогичного выражения (4.1). Однотипные совпадения суммарного потока не перекрываются между собой во времени. Частота их следования равна сумме указанных частот, а средняя длительность определена на основании теоремы сложения вероятностей
Математическое ожидание высоты импульсов совпадений равно сумме математических ожиданий высот перекрытых импульсов. Средняя высота импульсов совпадений суммарного потока, образованного импульсами п потоков, будет
Для полной характеристики импульсов совпадений потока Yn(t) необходимо знать такие плотности вероятностей длительности (%п. (t) и высоты у (0.
Если в процессе совпадения участвуют п стационарных независимых потоков, то распределение длительности fn. определяется зависимостью (4.29). Вероятность Pnj(T) одновременного появления слагаемых потоков может быть рассчитана по (4.30). При экспоненциальном распределении длительности импульсов и пауз слагаемых потоков, что характерно для наработок на отказ и времени восстановления электрооборудования электротехнических систем, вероятность РПІІ(Т) в соответствии с (4.40) будет
При суммировании независимых стационарных потоков, высоты импульсов совпадений определяются высотами и числом перекрытых импульсов, которые независимы друг от друга, т.е. законы распределения высот импульсов совпадений выразятся композицией законов распределения случайных величин.
В случае нормального распределения полученная в результате суммирования величина также подчиняется нормальному закону. Плотность распределения высоты импульсов
Приведенные равенства (4.17)-(4.50) и (4.52)-(4.55) достаточно полно характеризуют импульсы совпадений искомого потока.
Рассмотренный подход позволил по характеристикам слагаемых потоков определить характеристики импульсов совпадений суммарного потока. Использование его при определении средних значений импульсов совпадений исключает необходимость выявления законов распределения перекрытых во времени импульсов и пауз слагаемых потоков. Такой вывод очень важен для оценки надежности электротехнической системы с большим числом единиц электрооборудования, увязанных в единый процесс с технологическим оборудованием.
Определение оптимальной периодичности диагностик
Обеспечение экономически оптимальной безотказности работы распределительных устройств является важной задачей технико-экономического анализа и синтеза системы электроснабжения предприятия. Любое повышения безотказности работы системы ведет, с одной стороны, к повышению затрат на обеспечение такого уровня безотказности, а с другой - к снижению убытков от простоев из-за отказа электрооборудования. При этом оптимальное значение безотказности таково, что обеспечивает наибольший экономический эффект по сравнению с любым другим большим или меньшим значением.
Процесс оптимизации системы электроснабжения заключается в отыскании оптимального соотношения между затратами на повышение безотказности и потерями, связанными с отказами электрооборудования. При этом следует учитывать так называемые предельные условия, зависящие от особенностей всей технологической системы. В качестве таковых могут служить параметры и характеристики, по которым отсутствуют ценностные оценки, и они не могут быть учтены при расчете экономического эффекта. К ним относятся социальные факторы , факторы, связанные с защитой окружающей среды и т.п.
Увеличение безотказности работы системы электроснабжения оптимизируется в основном по экономическому критерию, в качестве которого служит минимум годовых приведенных затрат.
Если представить, что Сав и Спв - средние затраты на аварийное и профилактическое восстановление системы, то между ними существует соотношение
Затраты на периодичные профилактические восстановления Спв включает стоимость запасных частей, заработную плату ремонтному персоналу, стоимость вспомогательных материалов и др. Их значения зависят от сложности отказа, местонахождения распредустройства в системе, его функционального назначения.
Согласно критерию минимума ежегодных затрат оптимальная периодичность плановых ремонтов у0пт соответствует условию 3(уопт)=}піп- Значения уопт - могут определятся аналитическим или графическим методом. В первом случае необходимо продифференцировать по переменной у уравнение (5.5) и приравнять к нулю. Решение соответствует у опт- Во втором случае строится функция 3(у) и определяется минимум функции, соответствующий значению уопт 146
Диагностика элементов электротехнической системы проводится во время технологического процесса, остановки или времени ремонта. В процессе диагностики могут использоваться как не разрушающие методы, так и методы, основанные на разрушающем контроле.
Средства диагностики подразделяются на простые, базирующиеся на непосредственном наблюдении за электрооборудованием в процессе эксплуатации, и специальные технические системы, регистрирующие электрические, механические и тепловые параметры электрооборудования.
Система контроля и диагностики распределительных устройств типа КРУ и КСО базируется на простых средствах диагностики, ревизии и ремонта: фиксируется состояние ВДК, системы блокировки, системы управления и питания.
Процесс диагностики характеризуется его глубиной, т.е. числом функциональных узлов, подвергнутых диагностики. От глубины зависят экономические затраты на ее выполнение.
Независимо от методов и средств диагностики возникает задача отыскание рационального междиагностического периода. Для ее решения необходимо найти оптимальное соотношение между вкладываемыми средствами в повышение безотказности системы и ущербом от ненадежной ее работы. Для этого выполним анализ влияния непериодичных предупредительных восстановлений системы на выработку продукции с помощью модели (4.1). В качестве критерия оптимизации используем минимум ежегодных затрат, включая ущерб от аварий.
В зависимости от глубины диагностики количество обнаруживаемых дефектов различное и стоимость восстановления в зависимости от вида дефекта так же различная. Средняя стоимость Снпв предупредительного восстановления зависит как раз от глубины диагностики. Чем больше выявляется дефектов во время диагностики, тем больше средняя стоимость предупредительного ремонта.
Частота }лнпв - потока функционирования подсистемы (КРУ или КСО) при введении непериодичных предупредительных восстановлений определяется по формуле
Оптимальному значению междиагностического периода Тд соответствуют оптимальные параметры функционирования распределительных устройств: ими являются вероятности работы и восстановления, частота потока функционирования, наработка на отказ и время восстановления.
Рассмотрим пример определения оптимальной периодичности диагностик для распределительных устройств типа КРУ и КСО. Диагностика его состояния выполняется обслуживающим персоналом путем визуального осмотра во время работы. При такой форме диагностики большая часть выявленных дефектов связана с выкатным элементом КРУ. Следовательно непериодические предупредительные восстановления распределительных устройств будут направлены на указанный элемент.
По данным статистики продолжительность послеаварийного пуска составляет около 120 мин. Стоимость аварийного восстановления САВВ = 15500руб. Время аварийного ремонта - бчас. Стоимость предупредительного ремонта выкатного элемента - 300 руб. Стоимость диагностики Сд = 46,5 руб. Данные о производительности часовой себестоимости тонны руды приняты по данным Лебединского ГОКа. На основании выражения (5.8) ежегодные затраты для рассматриваемого примера будет
