Теория надежности систем электроснабжения

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Департамент научно-технологической политики и образования

Федеральное государственное бюджетное образовательное 

учреждение высшего образования

«Волгоградский государственный аграрный университет»

Кафедра «Энергетические системы и электростанции»

А. В. Меликов

ТЕОРИЯ НАДЕЖНОСТИ 
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Учебное пособие

Волгоград

Волгоградский ГАУ

2018

УДК 621.3
ББК 31.28
М-47

Рецензенты: 

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Системы автоматизированного проектирования и поискового конструирования» 
ФГБОУ ВО «Волгоградский ГТУ» Д.А. Скоробогатченко; доктор технических наук, профессор кафедры «Энергетические системы и электростанции» ФГБОУ ВО «Волгоградский ГАУ» А. П. Дарманян

Меликов, Алексей Владимирович

М-47 
Теория надежности электроснабжения: учебное пособие / 

А. В. Меликов. – Волгоград: ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ, 2018. – 84 с.

В учебном пособии изложены основные понятия теории надеж
ности и вопросы ее практического применения при проектировании и 
эксплуатации систем электроснабжения. Приведены статистические 
методы анализа и контроля надежности, математические основы теории надежности, модели отказов, используемых при оценке надежности в электроэнергетике.

Учебное издание предназначено студентам электроэнергетиче
ского факультета всех форм обучения, в частности, обучающимся по 
направлениям подготовки: 13.05.01 «Тепло- и электрообеспечение 
специальных технических систем и объектов» и 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника». Будет полезно магистрантам и инженерам-прикладникам, желающим самостоятельно изучить курс «Надежность электроснабжения».

УДК 621.3
ББК 31.28

© ФГБОУ ВО Волгоградский государст
венный аграрный университет, 2018

© Меликов А. В., 2018

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время развитие техники – автоматики, электро
ники, телемеханики и связи, определяющих технический прогресс, 
– определяется успешным решением вопросов и расчетов надежности элементов и систем, входящих в комплексные функциональные 
устройства.

Задача обеспечения надежности сложных систем представляется 

как совокупность технических, экономических и организационных 
мероприятий, – применительно к системам электроснабжения (СЭС) –
направленных на сокращение ущерба от нарушения нормального режима работы потребителей электроэнергии. Среди действий по минимизации вероятности отказов выделяют:

 выбор критериев и количественных характеристик надежности;
 прогнозирование надежности поставленного на испытание 

оборудования;

 выбор оптимальной структуры проектируемых (реконструи
руемых) СЭС по критерию надежности;

 обеспечение заданных технических и эксплуатационных ха
рактеристик работы потребителей;

 обоснование режимов профилактических работ, норм запас
ных элементов и методов отыскания неисправностей.

Надежность электроснабжения является одним из показателей 

качества системы, количественное значение которого есть отношение математического ожидания отпущенной потребителю электроэнергии в реальной системе к математическому ожиданию энергии 
в идеальной по показателям функционирования системе. Другими 
словами, в качестве количественного показателя эффективности 
функционирования СЭС принимают отношение реального выходного эффекта к идеальному.

Объектом исследования надежности как науки является техни
ческое средство: отдельная деталь, узел машины, агрегат, изделие и др.

Предмет надежности – изучение причин, вызывающих отказы 

в работе технического средства, определение закономерностей, которым они подчиняются, разработка способов количественного измерения надежности, методов расчета и испытаний, путей и средств 
ее повышения.

Различают общую теорию надежности (математическую, стати
стическую и физическую) и прикладные теории надежности. Прикладные теории надежности разрабатываются в конкретной области 
техники применительно к ее объектам. Например, теория надежности 
электронных устройств, теория надежности электроснабжения и др.

Целью преподавания курса по теории надежности электроснаб
жения является формирование у обучающихся системы научных знаний и профессиональных навыков по использованию ее основ применительно к решению задач по расчету и выбору схем электроснабжения с учетом надежности.

Для удобства читателя отдельными разделами в самоучителе

выделены требования, предъявляемые к надежности электроснабжения потребителей, история развития теории надежности, основные 
понятия и показатели надежности, словарь терминов и список сокращений и условных обозначений. Каждая глава заканчивается вопросами для самоконтроля.

Пособие не претендует на полноту освещения всех вопросов, 

возникающих при расчете надежности СЭС с использованием математического аппарата теории вероятности. Однако материал структурирован и изложен таким образом, чтобы обучающийся мог ознакомиться с прикладной теорией надежности без привлечения большого числа 
литературных источников.

ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ 

К НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 

ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

Под надежностью электроснабжения понимается непрерывное 

обеспечение потребителей электроэнергией (ЭЭ) заданного качества
по схеме, предусмотренной для длительной эксплуатации, в соответствии с графиком электропотребления.

Такое значение термин «надежности» [1] приобретает примени
тельно к электроэнергетическим системам, в частности, к СЭС, состоящим из большого числа элементов и взаимосвязей между ними. 
Наряду с их большой размерностью учитываются зависимость от 
смежных технических систем (например, топливно-энергетического 
комплекса и технологии предприятия-потребителя) и неразрывность 
от времени процессов производства, распределения и потребления ЭЭ.

В соответствии с Правилами устройства электроустановок

(ПУЭ) [2] все электроприемники (ЭП) по надежности электроснабжения подразделяются на три категории:

1) к I категории относят ЭП, перерыв электроснабжения кото
рых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный материальный ущерб, повреждение дорогостоящего оборудования, массовый брак продукции, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства;

2) во II категорию входят ЭП, перерыв электроснабжения кото
рых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и 
сельских жителей;

3) к III категории относят все остальные ЭП, не подходящие под 

определения I и II категорий.

В современных рыночных условиях обеспечение надежности 

электроснабжения неразрывно связано с экономическими показателями (включая дополнительные затраты) и энергетической безопасностью промышленных предприятий, так как надежность электроснабжения определяется числом независимых источников питания и схе

мой электроснабжения потребителей. При оценке ущерба, нанесенного потребителям перерывом электроснабжения, и убытка, связанного
с аварийным ремонтом оборудования, вопрос об оптимальном уровне 
на-дежности электроэнергетического оборудования, установок и систем является крайне актуальным.

Поэтому создание новых СЭС требует применения методов ана
лиза и расчета надежности, позволяющих учесть опыт эксплуатации, 
проработать результаты экспериментов, проанализировать варианты 
по обеспечению надежности, обосновать ее повышение, спрогнозировать ее значение и исключить возможность катастрофического исхода 
аварий для людей и окружающей среды.

Так, например, ЭП I категории обеспечиваются ЭЭ от двух не
зависимых взаимно резервируемых источников питания, а для сокращения перерывов их электроснабжения используются быстродействующие устройства релейной защиты и автоматики. Для особой группы ЭП I категории предусматривается дополнительное питание от 
третьего независимого источника, будь то местная электростанция 
или аккумуляторные батареи, что приводит к дополнительному усложнению и удорожанию схемы электроснабжения.

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ

Внимание вопросам надежности в технике с момента создания 

сложных многофункциональных изделий становится все больше, так 
как последние должны обладать высокой надежностью и безопасностью в эксплуатации [3].

Начальный этап начинается с начала появления первых техни
ческих устройств (1880 г.) и заканчивается с появлением электроники и автоматики, авиации и ракетно-космической техники (1950 г.).

В начале XX века ученые стали задумываться о том, как сде
лать любую машину неломающейся. Тогда появилось такое понятие, 
как «запас прочности». Но, увеличивая запас прочности, увеличивается и масса изделия, что не всегда приемлемо. Основой для решения 
этой проблемы стала теория вероятностей и математическая статистика (1930 г.), применение которой позволило сформулировать понятие «отказа» как превышение нагрузки над прочностью.

С началом развития авиации и применения в ней электроники и 

автоматики наступает этап становления теории надежности (19501960 гг.). В 1950 г. военно-воздушные силы США организовали первую группу для изучения проблем надежности радиоэлектронного 
оборудования, установившую основной причиной выхода из строя
аппаратуры низкую надежность ее элементов. Изучая влияние различных эксплуатационных факторов на исправную работу элементов
приборов, группа ученых собрала богатый статистический материал, 
впоследствии ставший основой теории надежности.

В 1960-1970 гг. с появлением космической техники, требую
щей повышенной надежности ее оборудования, наступает этап классической теории надежности. С целью обеспечения надежности 
этих изделий начинают анализировать конструкцию изделий, технологию производства и условия эксплуатации. Начинает развиваться 
теория диагностики сложных систем, ведь причины поломок машин, 
как установили ученые, можно обнаружить и устранить. Появляются 
новые стандарты по надежности машин.

С 1970 г. по настоящее время свершается этап системных ме
тодов надежности, в течение которого разработаны требования, 
предъявляемые к надежности, заложившие основу современных систем и программ ее обеспечения, типовые методики проведения меро

приятий, связанных с обеспечением надежности, первые из которых 
направлены на использование конструктивных (выбор материала, запас прочности) и технологических (ужесточение допусков, повышение чистоты поверхности) методов обеспечения надежности, вторые 
– на обеспечение эксплуатационной надежности (стабилизация условий эксплуатации, совершенствование методов технического осмотра и ремонта).

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПОКАЗАТЕЛИ

НАДЕЖНОСТИ

«Надежность», в силу широкого употребления понятия в разных 

сферах человеческой деятельности, имеет множественный толк. Однако для практического решения задач требуется разграничение понятий, установление соотношений между ними, выделение определенных свойств и их количественное описание. По этой причине изучение курса целесообразно начать с рассмотрения основных понятий и 
показателей надежности [4-6], которые используются в решении задач, 
возникающих при создании и эксплуатации искусственных технических систем, в частности, электроэнергетических.

Система – совокупность взаимосвязанных устройств, предна
значенная для самостоятельного выполнения заданных функций. К 
примеру, электроэнергетическая система (ЭЭС) представляет собой 
совокупность взаимосвязанных электрических станций, электрических сетей, узлов нагрузок, объединенных процессом производства, 
преобразования, передачи и распределения электроэнергии для снабжения потребителей.

Элемент – отдельная (-ые) часть (-и) системы, представляющая (
ие) собой законченное устройство, способное самостоятельно выполнять локальную функцию. Например, генератор, трансформатор, линия 
электропередач и др. Деление системы на элементы – процедура условная, она производится на том уровне, на котором удобно ее рассматривать для решения конкретной задачи. Условность подразделения 
системы на элементы состоит в том, что любой элемент, в свою очередь, может рассматриваться как система – подсистема. Например, 
воздушная линия электропередачи (ЛЭП) состоит из элементов, таких 
как гирлянды изоляторов, опоры, фундаменты, провода, тросы, заземлители и т.д.

Система, подсистема или элемент рассматриваются как объект. 

Любой технический объект в каждый момент времени находится в рабочем или нерабочем состояниях (предупредительный или аварийный 
ремонты, аварийный или зависимый простои).

Основным в теории надежности является понятие «отказа» – со
бытие, при котором полностью или частично нарушается работоспособность объекта. Иначе говоря, состояние объекта, при котором зна

чения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, перестает соответствовать требованиям, установленным нормативно-технической документацией (НТД). Признаки, 
позволяющие установить факт нарушения работоспособного состояния, являются критериями отказа. К примеру, выход параметров напряжения за пределы заданных отклонений означают наступление отказа ЭЭС.

В процессе эксплуатации объект может находиться в одном из 

следующих состояний (см. рис. 1):

а) исправное состояние – состояние объекта, при котором он 

соответствует всем требованиям НТД;

б) неисправное состояние (работоспособное) – состояние объек
та, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований
НТД;

в) неработоспособное состояние – состояние объекта, при ко
тором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует НТД;

г) предельное состояние (частный случай неработоспособного 

состояния) – состояние, при котором дальнейшая эксплуатация объекта недопустима или нецелесообразна, либо восстановление работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Рисунок 1 – Схема основных технических состояний объекта:
1 – повреждение, 2 – отказ, 3 – ремонт, 4 – условный переход

Восстановление (ремонт) – возвращение объекту работоспо
собного состояния.