Надежность основных элементов

Надежность систем электроснабжения

На добычном или проходческом участке шахты, оборудованном механизированным комплексом, имеется в наличии около 100 единиц различного электрооборудования. Это электродвигатели, коммутационная и преобразовательная аппаратура, средства автоматизации и разветвленная кабельная сеть. Каждый из этих элементов обладает конечной надежностью. Чем больше элементов связано между собой в систему, тем ниже надежность её функционирования. В последнее время наблюдается тенденция к увеличению единичной мощности электрооборудования с целью повышения его эффективности. Но с увеличением единичной мощности отказы электрооборудования приводят к большим экономическим потерям. В общей совокупности простоев машин и механизмов участка шахты, 20% обусловлены аварийностью электрооборудования.

Таким образом, эффективность горного производства в значительной мере определяется надежностью электрооборудования и систем электроснабжения.

Данный раздел учебного пособия составлен с использованием материалов научных исследований Донецкого государственного технического университета (ДонГТУ), Украинского научно-исследовательского института взрывозащищенного и рудничного электрооборудования (УкрНИИВЭ), Института горного дела (ИГД) им. А.А.Скочинского, Московского горного института (МГИ), а также ряда ученых [21-28].

 

Основные понятия и определения теории надежности

 

Надежность - способность системы или её элемента сохранять свои свойства при определенных условиях эксплуатации в течение заданного времени при использовании системы или её элемента по назначению.

Исправное состояние изделия - состояние, при котором изделие удовлетворяет всем требованиям в отношении основных параметров, характеризующих нормальное выполнение заданных функций, так и в отношении второстепенных параметров, характеризующих удобство эксплуатации, внешний вид и т. д.

Неисправное состояние изделия - состояние, при котором изделие не удовлетворяет хотя бы одному из требований, установленных как в отношении основных, так и второстепенных параметров.

Работоспособность - состояние изделия, при котором оно соответствует всем требованиям в отношении основных параметров.

Отказ - событие, состоящее в полной или частичной потере работоспособности изделия.

Безотказность - свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в определенных режимах и условиях эксплуатации.

Ремонтопригодность - свойство изделия, характеризующее приспособленность к восстановлению исправного состояния.

Предельное состояние - состояние, при котором дальнейшее применение изделия недопустимо или нецелесообразно, а восстановление неоправданно.

Долговечность - свойство изделия сохранять работоспособность в определенных режимах и условиях эксплуатации до разрушения или другого предельного состояния.

Сохраняемость - свойство изделия сохранять исправность и заданную надежность в определенных условиях хранения и транспортирования.

Срок службы изделия - календарная продолжительность от начала эксплуатации или её возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние или вывода в ремонт.

Технический ресурс - наработка (продолжительность или объем работы, выполненный изделием) от начала эксплуатации или возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние.

Факторы, вызывающие отказы элементов и систем можно разделить на три группы. В первую группу входят ошибки проектирования и дефекты изготовления. Эти факторы, как правило, вызывают отказы в начальной стадии эксплуатации, называемой периодом приработки. Наблюдения показывают, что в это время вероятность отказа выше, чем в период нормальной эксплуатации. Во вторую группу входят факторы, определяемые условиями эксплуатации. Под их влиянием происходит износ, и постепенно утрачиваются полезные свойства изделия.

Период нормальной эксплуатации, как правило, наиболее длительный. В течение этого времени вероятность отказа минимальна. Затем она существенно возрастает, т. к. в результате износа нарушается взаимодействие элементов изделия. На рис. 16.1 показано изменение вероятности отказа в течение времени эксплуатации.

 

К третьей группе факторов относятся воздействия, вызывающие внезапный отказ при отсутствии предварительных признаков ухудшения функциональных свойств. Это могут быть, например внешние воздействия, не учтенные при создании электрооборудования.

В общем случае любой отказ элемента или системы рассматривается как случайное событие, поэтому в качестве меры надежности может выступать вероятность того, что отказ возникает в течение заданного интервала времени 0¸ t. Таким образом, полное время исправного функционирования (время от начала эксплуатации до наступления отказа) будет представлять собой некоторую случайную величину y. Следовательно, математически отказ можно описать как событие, состоящее в том, что . Величина y подчиняется закону распределения F(t), а также обладает свойствами, позволяющими представить вероятность отказа как функцию

 

.

 

Используют также и другой показатель - вероятность безотказной работы. Это вероятность противоположного события, т.е. вероятность того, что время безотказной работы элемента или системы будет больше заданного . Его также называют вероятностью безотказной работы за время t или функцией надежности.

.

 

В простейшем случае, при экспоненциальном законе распределения времени безотказной работы

,

 

где T_ср - средняя наработка на отказ (среднее время безотказной работы).

Как правило, для элементов и систем электроснабжения функция надежности определяется экспериментально, например, путем одновременного испытания N элементов можно определить эмпирическую функцию надежности

 

,

 

где n(t) - число не отказавших элементов в момент времени t.

Естественно, точность получения функции зависит от количества испытуемых элементов. Соответствие P_N(t) и P(t) можно проверить с использованием одного из известных критериев согласия (Пирсона, Фишера, Колмогорова и т. п).

Кроме того, для анализа надежности применяются и другие характеристики: интенсивность отказов l, вероятность восстановления системы v, среднее время восстановления t_в.ср, интенсивность восстановления m, а также коэффициент отказов k_о и параметр потока отказов w.

Интенсивность отказов характеризует количество отказов, приходящихся на сравнительно малый интервал времени эксплуатации Dt.

 

,

 

где Dn - число изделий, отказавших за время Dt;

n(t) - среднее число исправных изделий в интервале времени t.

Если обозначить N - число испытуемых элементов: n - число отказавших элементов на достаточно малом интервале времени Dt, получим

 

.

 

Шахтные системы электроснабжения состоят преимущественно из элементов многократного действия. Поэтому системы электроснабжения считаются системами длительного использования. При их эксплуатации возникают отказы, на отыскание которых затрачивается некоторое время, после чего неисправность устраняют и продолжается нормальная эксплуатация. Сумму этих величин представляет время восстановления t_в. Если известна причина отказа, то время восстановления можно определить различными методами, но время отыскания неисправности можно рассматривать только как случайную величину, зависящую от множества субъективных факторов, в том числе от особенностей мышления специалиста, выполняющего ремонт. Следовательно, для статистического анализа надежности систем применима величина среднего времени восстановления t_в.ср, которая также является случайной величиной.

Если за определенный период эксплуатации элемента произошло n отказов, и каждый был устранен за время t_i, то t_в.ср может быть оценена как математическое ожидание

.

 

В связи с этим процесс восстановления системы характеризуется вероятностью восстановления

 

,

 

где t­­­_в.з - заданное время восстановления.

Величину v(t) называют также функцией распределения или интегральным законом распределения. Она показывает вероятность того, что после отказа система будет восстановлена в течение заданного времени при определенных условиях ремонта.

Величиной, обратной среднему времени восстановления является интенсивность восстановления

,

 

Эта величина характеризует среднее число восстанавливаемых элементов за время, равное t_в.ср.

В практических расчетах часто используют параметр потока отказов w и коэффициент отказов k_o. Величина w характеризует количество отказов элемента (системы), приходящийся на определенный промежуток времени эксплуатации (как правило - на один час), k_o определяет среднее число отказов, приходящихся на данный элемент из общего числа отказов системы.

 

Надежность основных элементов

 

Надежность шахтных кабелей

Отказом кабеля считается событие, приводящее к прекращению электроснабжения потребителей в результате обрыва или замыкания жил, а также снижения сопротивления изоляции или ее повреждения.

Условия эксплуатации кабелей в забоях и подготовительных выработках значительно отличаются. В забоях вероятность механического повреждения значительно выше. Поэтому одинаковые кабели, работающие в различных условиях имеют различную степень надежности.

В результате анализа статистических данных по шахтам Донбасса были установлены количественные основные причины и количественные характеристики распределения отказов.

Характерные причины отказов высоковольтных бронированных кабелей, прокладываемых в вертикальных стволах:

- пробой изоляции в проходных и вводных муфтах - 48% от всей совокупности отказов;

- механические повреждения кабеля при падении в ствол посторонних предметов и транспортировке грузов - 39.6%;

- пробой изоляции кабеля - 18%, из них в момент появления “земли” в электросети.

Среднее время отыскания повреждения в стволовых кабелях - около 5 часов, что составляет 45% общего времени восстановления. Средняя наработка на отказ - составляет 18200 часов.

Характерные причины отказов высоковольтных бронированных кабелей, прокладываемых в горизонтальных и наклонных горных выработках с рельсовым транспортом приведены в табл. 16.1.

 

Таблица 16.1

 

	Распределение отказов, %
Причина отказа	В горизонтальных выработках	В наклонных выработках
Механические повреждения транспортными средствами		27.5
Пробой изоляции в проходных и вводных муфтах	20.4	24.6
Механические повреждения при перекреплении выработок	15.6	17.4
Прожог кабеля искрами от контактного провода электровоза	12.3	-
Пробой изоляции кабеля. Из них в момент появления “земли”	19.7 3.3	18.9 7.3
Коррозия брони	4.1	4.3
Механические повреждения по невыясненным причинам	4.9	4.3

 

Среднее время отыскания повреждения в высоковольтных кабелях, проложенных как по горизонтальным, так и по наклонным выработкам - около 2.7 часов, что составляет 49% общего времени восстановления. Средняя наработка на отказ составляет 15000 часов (горизонтальные выработки) и 11150 часов (наклонные выработки).

Характерные причины отказов низковольтных бронированных фидерных кабелей, прокладываемых в откаточном штреке от трансформаторной подстанции до распредпункта лавы:

- механические повреждения транспортными средствами - 36% от всей совокупности отказов;

- повреждения падающими кусками породы - 24%;

- повреждения невыясненными предметами - 20%;

- пробой изоляции в месте изгиба кабеля - 16%;

- коррозия брони - 4%.

Среднее время отыскания повреждения - 0.6 часов, что составляет 23.1% общего времени восстановления. Средняя наработка на отказ 3070 часов.

Характерные причины отказов гибких кабелей, прокладываемых в лаве и откаточном штреке приведены в табл. 16.2.

 

Таблица 16.2.

	Распределение отказов, %
Причина отказа	Лава	Штрек
Повреждения падающими кусками породы	31.3	27.3
Увлажнение кабеля		18.2
Разрыв жил, выдергивание кабеля из муфты	13.8	9.1
Повреждение забойным конвейером	10.3	-
Повреждение транспортными средствами	-	13.6
Пробой изоляции в месте вулканизации или счалки	8.6	-
Повреждения невыясненными предметами		31.8

 

Среднее время отыскания повреждения - 0.7 часов, что составляет 28% общего времени восстановления. Средняя наработка на отказ 177 часов (лава) и 953 часа (штрек).

Характерные причины отказов гибких кабелей для питания ручных электросверл:

- разрыв жил или выдергивание из муфты - 62.5%

- повреждения падающими кусками породы - 25%;

- повреждения при взрывных работах - 6.25%;

- другие - 6.25%.

Рассмотренные показатели свидетельствуют о низкой надежности кабелей, непосредственно обслуживающих добычные и проходческие забои, и существенном преобладании механических повреждений. Отсюда можно выделить основные направления повышения надежности кабелей: улучшение механических свойств кабелей, улучшение условий прокладки и защита от механических повреждений.

 

Надежность забойного электрооборудования

Как правило, выход из строя элементов электрооборудования требует проведения капитального ремонта за исключением простейших случаев, когда неисправности могут быть устранены на месте эксплуатации.

Основные причины вывода в капитальный ремонт трансформаторных подстанций типа ТСВП:

- пробой изоляции высоковольтной обмотки - 64%;

- нарушение взрывобезопасности оболочки и коррозия корпуса - 16%;

- короткое замыкание на проходных шпильках со стороны напряжения 660В и панели автоматического выключателя - 8%;

- другие причины - 12%.

Нормативное значение ресурса до первого капитального ремонта составляет 60000 часов. Ресурс между капитальными ремонтами - 48000 часов.

Существенно увеличить надежность трансформаторных подстанций можно за счет снижения вероятности пробоя изоляции высоковольтной обмотки. Поэтому при разработке новых конструкций стремятся применять более надежную изоляцию и выбирают характер намотки, снижающий потенциал между витками. В промышленных условиях следует применять меры к исключению резких перепадов напряжения (особенно в сторону увеличения), а также для уменьшения влияния импульсных помех при коммутации мощных токоприемников, при работе тиристорных преобразователей и т. п.

Основные причины вывода в капитальный ремонт магнитных пускателей серии ПВИ:

- износ контактора - 18-19.5%;

- нарушение взрывобезопасности оболочки - 12-14.6%;

- повреждение корпуса, блокировочных и вводных устройств - 8-17.1%;

- снижение сопротивления изоляции - 4-9.8%;

- выход из строя разъединителя - 4-24.4%;

- выход из строя блока управления - 7.3%;

- сгорание контактов реле форсировки, диодного моста и резисторов в схеме форсированного включения контактора 32%;

- ослабление нажатия стыковых контактов - 10%;

- сгорание понижающего трансформатора - 8%;

- выход из строя механизма открывания быстрооткрываемой крышки - 2%;

- выход из строя проходных силовых зажимов и штепсельных соединительных разъемов - 2-4.9%.

Таким образом, проведение ремонтов пускателей в основном связано с выходом из строя контактора, нарушением взрывобезопасности, а также с неустранимыми в условиях эксплуатации отказами схемы управления. Это обусловлено жесткими условиями эксплуатации пускателей, воздействием факторов окружающей среды, частыми включениями и коммутацией токов короткого замыкания.

Основные причины вывода в капитальный ремонт автоматических фидерных выключателей серии АВ:

- выход из строя независимого расцепителя выключателя А3700 - 26.7%;

- выход из строя блокировочного разъединителя - 13.3%;

- нарушение взрывобезопасности, коррозия и механические повреждения оболочки - 26.7%;

- сгорание блоков присоединений и диодов - 13.3%;

- нарушение механической блокировки - 6.7%;

- сгорание трансформатора напряжения - 6.7%;

- выход из строя механизма включения - 6.6%.

Анализируя причины отказов пускателей, фидерных автоматов, трансформаторных подстанций, станций управления и электродвигателей, исследователи сделали вывод, что наиболее характерными дефектами изготовления взрывозащищенного электрооборудования является следующее:

- ненадежное соединение токоведущих частей;

- болтовое соединение отдельных элементов;

- недостаточная прочность конструктивных элементов внутри взрывонепроницаемых оболочек;

- ненадежность штепсельных разъемов;

- некачественная пайка проводников;

- некачественная сборка;

- применение изоляционных материалов, не соответствующих проектной документации.

На участках угольных шахт эксплуатируется также и другие виды электрооборудования, причем каждый элемент имеет конечную надежность (Приложение 1). Как правило, выход из строя одного из элементов системы электроснабжения приводит к остановке участка, а следовательно - к потерям добычи угля. Поэтому важно иметь представление о надежности системы в целом и связанными с ней простоями оборудования. Это обеспечивает рациональный выбор электрооборудования и схемы электроснабжения, а также дает информацию о максимально возможной производительности участка.

 

16.3. Оптимизация систем электроснабжения по критерию надежности

 

Основная задача оптимизации системы электроснабжения - снижение ущерба от перерывов электроснабжения до уровня установленных (нормативных) показателей.

Для решения этой задачи классические методы оптимизации используются с определенной доработкой и некоторыми допущениями, т.к. не существует строгой аналитической зависимости “стоимость-надежность” (увеличение надежности не всегда приводит к увеличению стоимости оборудования, и не всегда более дорогое оборудование является более надежным).

Для оптимизации электроснабжения по критерию надежности применяют три группы методов: директивные, нормирование на основе ретроспективного анализа, и вероятностные.

Директивные методы основаны на разделении электроприемников по бесперебойности электроснабжения на три категории в соответствии с Правилами устройства электроустановок. При этом категорийность определяется интуитивным путем, без строгих количественных оценок, поэтому метод не обеспечивает достаточной точности. Кроме того, представляется нормировать только одну из характеристик надежности - длительность перерыва электроснабжения.

Нормирование на основе ретроспективного анализа базируется на прошлом опыте, на статистическом исследовании фактически достигнутого уровня надежности электроснабжения. Это сложная и трудоемкая задача, связанная со сбором и обработкой статистического материала, поэтому этот метод для практических целей неприемлем и используется в основном для научных исследований.

Вероятностные методы позволяют достичь заданной вероятности выполнения планового задания по добыче полезного ископаемого. Они обеспечивают комплексный подход путем одновременного нормирования как безотказности, так и ремонтопригодности, поэтому эти методы получили наибольшее распространение. Сущность одного из вероятностных методов рассмотрим более подробно.

Основные этапы оптимизации вероятностным методом:

- расчет надежности принятой системы электроснабжения;

- расчет нормативного уровня надежности для заданных производственных условий;

- сравнение расчетного и нормативного уровней надежности, и в случае несоответствия - разработка мероприятий по повышению безотказности и ремонтопригодности с повторением расчета надежности скорректированной системы.

Ограничения и допущения при расчете надежности:

- независимость отказов отдельных элементов и восстанавливаемость системы в целом (может отказать только один элемент и его отказ нарушает работоспособность всей системы, после восстановления неисправного элемента система полностью восстанавливает работоспособность);

- равнонадежность однотипного электрооборудования, работающего в одинаковых условиях;

- бинарность системы (система может иметь только два состояния - работоспособное и состояние отказа);

- время безотказной работы и время восстановления системы являются случайными величинами, распределенными по экспоненциальному закону.

Дополнительные ограничения и допущения при расчете надежности подземного электроснабжения:

- отказом элемента системы электроснабжения считается не только нарушение его работоспособного состояния, выражающееся в прекращении функционирования, но и в нарушении требований ПБ и ПТЭ;

- Система электроснабжения ЦПП при расчете надежности систем электроснабжения забоев считается абсолютно надежной (т. к. подавляющее большинство отказов, более 90% приходится на низковольтную часть системы);

- все высоковольтные кабели, присоединенные к одной секции шин ЦПП, включая и резервные кабели, находящиеся под напряжением, с точки зрения надежности считаются соединенными последовательно (это объясняется тем, что большинство отказов кабелей сводятся к коротким или однофазным замыканиям, которые вследствие неселективности защит приводят к отключению всей секции шин ЦПП независимо от места отказа высоковольтного кабеля;

- все электроприемники очистных и проходческих забоев связаны единой технологической цепочкой в жесткую систему, поэтому с точки зрения надежности они считаются соединенными последовательно;

- при расчете надежности не учитываются вспомогательные токоприемники, не оказывающие непосредственного влияния на функционирование забоя, не учитывается также резервное электрооборудование, находящееся в режиме ненагруженного восстанавливаемого резервирования с ручным переходом на резерв (оно улучшает только ремонтопригодность системы).

Таким образом, с точки зрения надежности, система электроснабжения забоя может быть представлена в виде последовательной структурной схемы:

Рисунок 16.2. - Структурная схема для расчета надежности

 

Здесь 1 - фидерное КРУ на ЦПП; 2 - все высоковольтные кабели, питающиеся от одной секции шин ЦПП; 3 - вводное КРУ на высоковольтном распределительном пункте лавы (ВРП); 4 - фидерное КРУ на ВРП; 5 - передвижная участковая понизительная подстанция (ПУПП); 6 - фидерный низковольтный кабель от ПУПП до РП забоя; 7 - автоматический фидерный выключатель на РП забоя; 8 - все пускатели (или станция управления) основных технологических машин и механизмов забоя; 9 - все гибкие кабели от пускателей до электродвигателей технологически жестко связанных забойных машин и механизмов; 10 - электродвигатели всех технологически связанных забойных машин и механизмов совместно с встроенными в машину силовыми устройствами; 11 - выносная аппаратура управления электродвигателями (пускателями) основных забойных машин и механизмов; 12 - аппаратура защиты от ненормальных режимов работы, прекращение функционирования которой приводит к перерывам электроснабжения.

В этом случае параметры, характеризующие надежность системы могут быть выражены следующими зависимостями.

 

Параметр потока отказов системы:

,

 

где W­_i - параметр потока отказов элемента системы; n - количество последовательно соединенных элементов системы.

Наработка на отказ системы:

, (16.1)

 

где T_i - наработка на отказ элемента системы.

Вероятность безотказной работы за время t_o:

 

.

 

Для системы без резервирования элементов ремонтопригодность (среднее время восстановления) определяется по формуле:

 

, (16.2)

где K_ni - коэффициент, учитывающий количественный состав электрослесарей, ликвидирующих i -й отказ. Если T_в.i приведено в расчете на одного электрослесаря, то K_ni >1. Величина T_в.i может быть приведена с учетом количественного состава электрослесарей, тогда K_ni =1.

Если в системе электроснабжения предусмотрены резервные элементы с ручным переходом на резерв, то ремонтопригодность определяется по формуле:

, (16.3)

где m - количество элементов, имеющих ненагруженный резерв с ручным переходом на него;

K_nj - коэффициент, учитывающий количественный состав электрослесарей, заменяющих рабочий элемент резервным;

T_в.j - среднее время замены рабочего элемента резервным одним электрослесарем;

W_j - параметр потока отказов j -го рабочего элемента, который резервируется однотипным резервным.

В результате экспериментальных исследований, проведенных для комплексно-механизированных очистных забоев установлено, что уравнение теоретической линии регрессии времени простоев t_пр, вызванных всей совокупностью нарушений технологического процесса имеет вид

 

,

 

где Q­_сут - суточная производительность лавы, т.

Также получено уравнение регрессионной зависимости времени простоев, вызванных только перерывами электроснабжения

 

. (16.4)

 

Рисунок 16.3

Эти зависимости приведены на рис. 3. Анализ показывает, что величины t_пр и t_э находятся в тесной корреляционной связи. Таким образом, при известном времени простоя, вызванном неполадками в системе электроснабжения, может быть определена максимальная суточная добыча участка. На этой основе было доказано, что суточные плановые задания по добыче угля могут быть выполнены, если перерывы электроснабжения не превышают 10¸15% общей продолжительности простоев.

Так как длительность перерывов электроснабжения определяется надежностью элементов и системы электроснабжения в целом, имеется возможность по величине надежности определить максимально возможную производительность забоя. На этой основе разработаны нормативные уровни надежности, критерий и методика оптимизации системы электроснабжения, позволяющие достичь заданной производительности забоя.