НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Д. П. Гиберт

НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Конспект лекций

Издательство

Пермского государственного технического университета

2006

УДК 621.315

РЕЦЕНЗЕНТЫ:

начальник центральной заводской лаборатории ОАО "Камкабель" кандидат технических наук

В. В. Черняев;

кандидат технических наук, доцент кафедры "Конструирование и технология электрической изоляции" Пермского государственного технического университета

А. Г. Щербинин.

Гиберт Д. П.

Надежность электрической изоляции: конспект лекций/ Д. П. Гиберт – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2006. – 61 с.

Рассматривается общая теория надежности. Описано возникновение и сущность проблемы надежности, даны основные понятия и характеристики надежности. Приведены формулы для расчета надежности нерезервированных систем и систем с резервированием, а также надежности систем в период эксплуатации. Дан вывод уравнения "кривой жизни" электрической изоляции. Рассмотрены частичные разряды в твердой изоляции и функция распределения местной напряженности поля. Приведены уравнение надежности электрической изоляции и методика расчета времени до отказа твердой изоляции. Даны условия безотказной работы жидкой и газообразной изоляции, классификация действующих на изоляцию нагрузок и рекомендации по выбору расчетных условий эксплуатации.

Пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 140611 – «Электроизоляционная, кабельная и конденсаторная техника».

УДК 621.315

Ó ГОУ ВПО «Пермский государственный

технический университет», 2006

Ó Д. П. Гиберт, 2006

ОГЛАВЛЕНИЕ

Часть 1. Общая теория надежности……………………………..	4
1.1. Возникновение и сущность проблемы надежности……..	4
1.2. Основные понятия и характеристики надежности………	8
1.3. Надежность нерезервированных систем ………………..	19
1.4. Надежность систем с резервированием…………………..	20
1.5. Надежность систем в период эксплуатации……………..	27
Часть 2. Надежность электрической изоляции………………….	30
2.1. Характеристики надежности электрической изоляции…	30
2.2. Вывод уравнения "кривой жизни" изоляции…………….	31
2.3. Частичные разряды в твердой изоляции…………………	37
2.4. Функция распределения местной напряженности поля...	45
2.5. Уравнение надежности электрической изоляции………..	50
2.6. Расчет времени до отказа твердой изоляции…………….	51
2.7. Функция безотказной работы жидкой изоляции……….	54
Часть 3. Условия работы электрической изоляции……………..	56
3.1. Классификация действующих на изоляцию нагрузок…..	56
3.2. Электрические напряжения……………………………….	56
3.3. Температурные условия работы…………………………..	57
3.4. Механические напряжения………………………………..	58
3.5. Прочие воздействия. Выбор условий эксплуатации…….	58
Список литературы……………………………………….………	61

Общая теория надежности

Виды надежности

1) Аппаратурная надежность – обусловлена состоянием аппаратуры (может расчленяться на конструктивно-схемную надежность и производственно-технологическую надежность).

2) Программная надежность – обусловлена состоянием программы. Это понятие возникло недавно, но приобретает все большее значение.

3) Функциональная надежность – надежность выполнения отдельных функций, возлагаемых на систему. Более ответственные функции должны выполняться более надежно.

Большое количество сторон надежности и видов надежности не означает, что всегда надо задавать и исследовать весь определенный перечень. В конкретном случае надо выбирать такие стороны и виды надежности, которые необходимы для характеристики надежности объекта с учетом его целевого назначения.

Отказы

Отказ объекта – событие, заключающееся в том, что объект либо полностью, либо частично теряет работоспособность. При полной потере работоспособности возникает полный отказ, при частичной – частичный отказ.

По степени внезапности отказы могут быть:

- внезапными (мгновенными – возникают в результате мгновенного изменения одного или нескольких параметров объекта);

- постепенными – наблюдаемое постепенное изменение главных параметров объекта либо из-за износа, либо из-за старения.

По степени зависимости от других отказов:

- независимые отказы – их возникновение не связано с предшествовавшими по времени отказами других элементов объекта;

- зависимые отказы – появляются вследствие предшествующих отказов (например, из-за возникающих перегрузок).

По характеру назначения:

- устойчивые отказы – не самоустраняются, постоянное есть;

- перемежающиеся отказы – то появляются, то пропадают (например, плохой контакт);

- сбой – однократно возникший и самоустранившийся отказ.

Причины возникновения отказа:

- конструктивный – из-за ошибок конструктора (или несовершенства методов конструирования);

- производственный – из-за нарушения или несовершенства технологического процесса изготовления объекта или комплектующих;

- эксплутационный – из-за нарушения правил эксплуатации или вследствие влияния непредусмотренных внешних воздействий.

Эффективность

В непосредственной связи с понятием надежности находится понятие эффективности.

Эффективность объекта – свойство объекта выдавать некоторый полезный результат (эффект) при использовании по назначению.

Чем выше надежность объекта, тем выше его эффективность, но до некоторого предела.

Виды эффективности:

- номинальная – эффективность объекта при условии его идеальной надежности;

- реальная – эффективность реального объекта, т.е. с неидеальной надежностью;

- техническая – технический эффект, полученный при использовании объекта;

- экономическая – степень выгодности экономических затрат при использовании объекта.

Показатель эффективности применяется обычно для сложных изделий, которые могут находиться в состоянии частичного отказа, т.е. с частичным сохранением работоспособности.

Восстановление

Восстановление – процесс обнаружения и устранения отказа с целью восстановления работоспособности объекта.

Восстанавливаемый объект – объект, работоспособность которого в случае возникновения отказа подлежит восстановлению в рассматриваемых условиях.

Невосстанавливаемый объект – объект, работоспособность которого в случае возникновения отказа не подлежит восстановлению в рассматриваемых условиях.

При анализе надежности, особенно при выборе показателей надежности объекта, существенное значении имеет решение, которое должно быть принято в случае отказа объекта. Если в рассматриваемой ситуации восстановление работоспособности данного объекта при его отказе по каким-либо причинам признается нецелесообразным или неосуществимым, то такой объект в данной ситуации является невосстанавливаемым. Таким образом, один и тот же объект в зависимости от особенностей или этапов эксплуатации может считаться восстанавливаемым или невосстанавливаемым.

Основные понятия и характеристики надежности

Пути повышения надежности

Мероприятия по повышению надежности могут и должны производиться на всех этапах жизни системы при проектировании, производстве и эксплуатации.

Основные меры для повышения надежности должны приниматься на этапе проектирования. Выгоднее направить усилия на создание надежных устройств, чем пытаться поддерживать работоспособность ненадежной аппаратуры.

Методы повышения надежности делятся на конструктивные и схемные.

К конструктивным методам относятся следующие:

1) Создание надежных элементов;

2) Создание благоприятных режимов работы;

3) Правильный подбор параметров;

4) Микроминиатюризация;

5) Меры по облегчению ремонта;

6) Унификация.

К схемным методам относятся следующие:

1) Упрощение схем;

2) Создание схем с широкими допусками;

3) Создание схем с ограниченным последействием отказов;

4) Резервирование.

Наиболее сложны в реализации методы третьей группы схемных методов. Они применяются, как правило, в системах, отказы которых ведут к серьезным авариям. Отказы таких систем делятся на две группы:

а) с опасными последействиями;

б) без опасных последействий.

Схемные методы направлены на перевод отказов из группы "а" в группу "б", что достигается, как правило, за счет введения в систему средств встроенного функционального контроля. Встроенный функциональный контроль не повышает собственно надежность системы, однако повышает достоверность информации на выходе системы. Основным же средством повышения надежности системы является резервирование.

Методы резервирования

Система без резервирования имеет существенный недостаток – ее надежность всегда меньше надежности самого ненадежного элемента системы.

Резервирование – это метод повышения надежности введением запасных (резервных) элементов, являющихся избыточными по отношению к минимальной структуре системы.

Аппаратуру с избыточными элементами называют резервированной. Эффективность резервирования определяется тем, что за счет избыточности можно создать надежную аппаратуру даже из относительно ненадежных элементов.

Кратностью резервирования называют число резервных элементов на один резервируемый.

Эффективность резервирования оценивается с помощью коэффициентов повышения надежности:

- безотказности

(1.47)

- долговечности

(1.48)

Классическими методами являются постоянное резервирование и резервирование замещением.

При постоянном резервировании резервные элементы соединяются с основными через элементы связи. Резервные элементы работают в том же режиме, что и основные, в течение всего периода работы системы. Это способ резервирования элементов и простых узлов.

При резервировании замещением, функции основного элемента передаются резервному только при отказе основного элемента. Этот способ применяется при резервировании крупных блоков или целых систем.

В последнее время получило распространение функциональное резервирование. Функциональное резервирование может работать как в режиме постоянно включенного резерва, так и в режиме резервирования замещением. Функциональное резервирование основано:

- на способности отдельных элементов системы выполнять, помимо основных, еще и дополнительные функции;

- на возможности различных элементов системы выполнять одинаковые функции, но разными физическими способами.

Планирование и расчет периодов профилактик

Профилактическое обслуживание – система предупредительных мер, направленных на снижение вероятности возникновения отказов (технические осмотры, регулировки, замена комплектующих элементов, восстановление защитных покрытий и токопроводимых контактов и др.).

Профилактика преследует две цели:

- предупредить возникновение отказов;

- обнаружить такие отказы элементов изделия, которые не могли быть обнаружены средствами контроля в процессе эксплуатации и остались скрытыми, необнаруженными.

Профилактическое обслуживание может быть организовано по принципу обслуживания регламентного, календарного, а также комбинированного использования регламентного и календарного обслуживания.

Регламентное обслуживание – обслуживание, которое проводится по достижении параметрами изделия некоторых регламентированных показателей. Этот вид обслуживания применяется тогда, когда известна связь работоспособности и показателей некоторых технических параметров.

Если же главный параметр, определяющий работоспособность изделий – время, в течение которого изделие эксплуатируется или хранится, то профилактическое обслуживание назначается в строго определенные календарные сроки вне зависимости от состояния изделия. Такое обслуживание называется календарным.

Обычно связь работоспособности с показателями технических параметров, так же как и со временем использования, известна с некоторым приближением. Поэтому большее распространение получил комбинированный метод профилактического обслуживания.

В процессе эксплуатации параметры изделия наблюдаются и, по достижении ими критических значений, проводится профилактика. Профилактика проводится и тогда, когда время, измеряемое от последней профилактики, достигает значения времени, календарно запланированного. Естественно, что время календарного обслуживания в этом случае может быть увеличено, поскольку существует некоторая вероятность предупреждения отказа.

Выбор контролируемых параметров и контролируемых элементов должен осуществляться по оптимальным маршрутам, т.е. в определенной последовательности с учетом информативности, которую дает каждая из проверок. Как правило, такие задачи решаются методами технической диагностики.

Календарное обслуживание осуществляется на основе изучения закономерностей отказов (см. пункт 1.3.1)

Время профилактической проверки назначается исходя из следующих соображений. На участке времени, для которого λ = const (период эксплуатации изделия), время профилактики берется с учетом, того, что вероятность появления отказа q не превышала допустимой вероятности q _доп.

Известно, что для экспоненциального закона:

(1.62)

Отсюда:

(1.63)

Для определения времени календарного обслуживания изделия, ориентированного на замену деталей и блоков, выработавших ресурс, предварительно определяется среднее время работы до износового отказа T и среднеквадратического отклонения τ_t. Тогда:

(1.64)

где n – коэффициент при τ_t, соответствующий заданному значению q _доп.

Таблица 1.

Определение n по q _доп .

q_доп	0,01	0,02	0,04	0,05	0,06	0,08	0,10	0,12	0,16	0,20
n	2,526	2,323	2,053	1,960	1,880	1,750	1,643	1,554	1,404	1,282

Профилактическое обслуживание сложных систем начинается с планирования профилактических работ для простых устройств, входящих в нее. Сроки профилактики и ее содержание корректируются затем с учетом сложности системы.

Универсальных рекомендаций по оптимизации планирования профилактики не существует. В некоторых случаях целесообразно всю систему ставить на профилактику в одно и то же время и обеспечивать работу ее в полном составе в период между профилактическими обслуживаниями. В других случаях целесообразно ставить на профилактику отдельные элементы системы и обеспечивать ее непрерывную работу, хотя бы и не всегда в полном составе.

Влияние профилактики на функциональную надежность изделия может быть определено следующей формулой:

(1.65)

где R ( t ) – вероятность выполнения изделием заданной функции на интервале t; K _ТИ ( t ) – коэффициент технического использования изделия с учетом проведения профилактики на интервале t; P (Δ t ) – вероятность выполнения изделием заданной функции на интервале Δ t (использования изделий по назначению).

(1.66)

P(Δt) – в первом приближении можно оценить по формуле

(1.67)

где λ₀ – интенсивность отказов, обеспечиваемая данным объемом профилактики, Δt – интервал использования изделия по назначению.

Электрические напряжения

Электрические напряжения, действующие на изоляцию в процессе эксплуатации можно разделить на две группы: рабочие напряжения и перенапряжения. Рабочее напряжение относится к постоянным нагрузкам. Перенапряжения являются нагрузками случайными и в зависимости от причин, их вызывающих, делятся на внутренние и внешние.

Внутренние перенапряжения вызываются колебаниями электромагнитной энергии, запасенной в элементах электрической цепи или поступающей в нее от генераторов.

Внутренние перенапряжения можно подразделить на резонансные и коммутационные. При резонансных перенапряжениях повышение напряжения на изоляции возникает в результате резонанса на основной или повышенной частоте в линии электропередачи. Коммутационные перенапряжения появляются в результате внезапных изменений схемы или параметров сети. Типичными коммутациями являются отключения и включения линий, трансформаторов и других элементов сети, а также замыкания на землю и между фазами.

Внешние перенапряжения возникают в результате воздействия на линию электропередачи или другие объекты системы внешних ЭДС. Внешние перенапряжения возникают либо за счет атмосферного электричества ,либо из-за влияния близко расположенных электрических объектов более высокого напряжения. Первые получили название грозовых перенапряжений и оказывают наиболее существенное воздействие на работоспособность изоляции линий электропередачи и подстанций. Вторые при правильном проектировании системы могут быть либо полностью устранены, либо значительно уменьшены. Причиной грозовых перенапряжений является разряд молнии.

Механические напряжения

По своей природе механические напряжения, действующие на изоляцию, можно подразделить на внешние и внутренние.

Внешние механические напряжения возникают в изоляции от действия приложенных к электроизоляционным конструкциям сил: натяжения проводов линий электропередачи, силы ветрового напора, нагрузки от гололеда ,веса закрепленных на изоляции конструкций и собственно изоляции, нагрузки от избыточного внутреннего или внешнего давления среды и др.

Внутренние механические напряжения – это напряжения, развивающиеся в изоляции за счет внутренних процессов, которые происходят при ее изготовлении и эксплуатации. Примером могут служить температурные механические напряжения, возникающие из-за неравномерного охлаждения или нагрева отдельных участков изоляции. При быстром нагреве или охлаждении внутренние механические напряжения могут возникать из-за значительного градиента температур.

При больших механических нагрузках в изоляции может возникать ее растрескивание, приводящее к отказу электроизоляционной конструкции.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Надежность технических систем: Конспект лекций/ В.В. Белоусов, В.В. Киселев, М.М. Кулагина; Перм.гос.техн.ун-т. Пермь, 1995 – 71 с.

2. Дмитревский В.С. Расчет и конструирование электрической изоляции: - М.: Энергоиздат. 1981г.-392с.

3. Холодный С.Д. Методы испытаний и диагностики кабелей и проводов: - М.: Энергоатомиздат. 1991г.-200с.

4. Казарновский Д.М., Тареев Б.М. Испытание электроизоляционных материалов и изделий: - Л.: Энергия. Ленинградское отделение. 1980г. – 216с.