Анализ интенсивности отказов частотно-регулируемых электроприводов районных тепловых станций при нарушениях электроснабжения

Для современной техники, основанной на цифровых технологиях, требуется обеспечение надежного электропитания, что в настоящее время является практически невыполнимой задачей. Электроэнергетический научно-исследовательский институт (EPRI, США) провел исследование, направленное на определение качества электроэнергии в низковольтных распределительных сетях. Данное исследование показало, что 92 % нарушений качества отпускаемой потребителю электроэнергии составляют провалы: снижения напряжения с падением амплитуды до 50 % и длительностью до 0,5 с [1].

Особенности применения частотнорегулируемого электропривода в условиях кратковременных нарушений электроснабжения

Проблемы электромагнитной совместимости преобразователей частоты с электропитающей сетью и повышения отказоустойчивости ЧРП при нарушениях электроснабжения являются общепризнанными и исследуются многими авторами [2–6].

Частотно-регулируемые электроприводы усугубляют проблему аварийных остановок энергоагрегатов тепловых предприятий: тепловых электростанций, районных тепловых станций (котельных) и тепловых пунктов. Преобразователи частоты (ПЧ), выпускаемые большинством фирм-изготовителей, построены по принципу максимального самосохранения, что оправдано высокой стоимостью оборудования. В результате, нарушения электропитания длительностью даже в несколько периодов синусоиды могут приводить к отключению электропривода.

Диаграмма изменения скорости ЧРП при кратковременном нарушении электропитания с оценкой абсолютных значений временных интервалов, приближенных к реальным, приведена на рис. 1 [7].

На оси времени указаны события в порядке их следования и примерный характер изменения частоты вращения электропривода применительно к сетевому насосу. В момент времени t ₁ нарушается электропитание, что приводит к плавному снижению частоты вращения двигателя от начального

Рис. 1. Характер процесса на тепловом объекте при кратковременном нарушении электропитания и автоматическом перезапуске сетевого насоса

значения ωнач и уменьшению расхода воды, перекачиваемой через котлы. В момент t3 расход прекращается полностью в связи со срабатыванием обратного клапана на напоре насоса, а несколько раньше в момент t2 начинается отсчет времени tавар аварийной защиты котлов. Если расход воды не восстанавливается до уровня уставки минимального расхода, все работающие котлы одновременно выключаются (tавар одинаковы для всех котлов). После перерыва tпер в момент времени t4 электропитание восстанавливается, например, благодаря срабатыванию автоматического включения резерва (АВР) на секционном выключателе.

При питании электродвигателя от сети при практикующемся самозапуске (подача напряжения на еще вращающийся электродвигатель) с момента t ₄ начинается его разгон (штриховая линия на рис. 2), по окончании которого ( t разг.с ) расход воды восстанавливается. Общее время t восст составляет:

t восст = t пер + t разг.с ,

где tразг.с – время разгона электропривода с остаточной частоты вращения ωост.с при его питании от электросети.

Очевидно, что условием безостановочной работы котлов является соблюдение неравенства tвосст < tавар.

Процесс подхвата вращающегося двигателя при питании от ПЧ отличается от описанного са-мозапуска при питании от сети. В интервале времени t4–t5 происходит восстановление готовности преобразователя к пуску, обозначенное на рис. 2 временем синхронизации tсинхр. В случае успешного самозапуска в момент t5 начинается разгон с темпом, определяемым перегрузочной способностью преобразователя частоты, а для высоковольтных – практически током, не превышающим номинального значения. Суммарное время восстановления режима в отличие от (1) содержит дополнительную составляющую и большее по величине время разгона tразг.пч:

t восст = t пер + t синхр + t разг.пч , где t _{разг.пч} – время разгона, аналогичное t _разг.с, при питании электропривода от преобразователя частоты.

Кроме того, за время t синхр частота вращения электропривода продолжает снижаться до величины ω ост.пч , что еще более усугубляет проблему восстановления режима из-за увеличения необходимого времени разгона.

Нарушения электропитания на секциях РУ-10 кВ тепловой станции1

На рис. 2, а показано распределение количества нарушений электропитания на вводе РУ-10 кВ секций 1 и 2 районной тепловой станции «Переделкино» (г. Москва) по месяцам отдельно по каждому из двух вводов. Важно, что, за исключением единственного случая, нарушения по разным вводам не совпадают по времени, то есть полностью без электропитания потребитель не остается. На рис. 2, б приведено распределение количества нарушений электропитания в зависимости от их длительности. Наибольшее их количество нахо-

• ¹    Материал представлен д.т.н., профессором МЭИ

  

  а)

  
  
  

  Рис. 2. Количество нарушений электропитания РТС: а – по месяцам и секциям; б – распределение в зависимости от длительности

  
  

дится в интервалах от 0,2 до 0,6 с. Это также является важной характеристикой, так как от длительности отсутствия электропитания зависят возможность автоматического перезапуска ЧРП с подхватом вращающегося электродвигателя и время восстановления технологического режима.

Общая картина нарушения электропитания представлена на рис. 3 в трех координатных осях как результат мониторинга на этой же станции двух вводов электропитания в течение года [8]. Наибольшее количество нарушений (до 8 в год) приходится на снижение напряжения на 20 % с длительностью 0,2–0,3 с, глубокие провалы или полное отключение с большей длительностью вероятны менее 1 раза в год. Каждое из таких нарушений приводит к сбою в работе частотно-регулируемого электропривода.

Проведенный анализ подтверждает актуальность создания ЧРП с электропитанием от двух независимых вводов, совпадение нарушений по которым, как показано выше, маловероятно. Дан- ное направление обосновано в [9] и получило развитие в дальнейших разработках авторов [10, 11].

Схожесть электроснабжения тепловых предприятий различных городов по показателю его нарушений, неизбежность различных нарушений электропитания, причиной которых нередко является сам потребитель (короткие замыкания и др.), позволяет причислить рассматриваемое явление к «непреодолимым обстоятельствам». В подтверждение, в табл. 1 представлены данные о количестве отключений частотно-регулируемого (первая строка) и нерегулируемого (вторая строка) электроприводов дымососов Д-3 и Д-4 котлов КВГМ-100 № 3 и № 4 пиковой котельной г. Магнитогорска. Частотно-регулируемый электропривод дымососа Д-3 (как и электроприводы дутьевых вентиляторов указанных котлов) выполнен на базе преобразователя частоты SB-17 («Сбережок») производства НПП «Уралэлектра» г. Екатеринбург. Преобразователи частоты введены в эксплуатацию в 2005 г. и эксплуатируются по настоящее время.

Рис. 3. Распределение кратковременных нарушений по времени и глубине провалов напряжения в высоковольтной сети

Таблица 1

Отключения дымососов пиковой котельной г. Магнитогорска при провалах напряжения*

Механизм	Год									Тип электропривода
	2005	2006	2 007	2008	2009	2010	2011	2012	2013
Д-3	9	8	6	7	7	12	10	9	8	ЧРП
Д-4	3	2	1	3	2	5	4	3	4	Нерегулируемый

Д а н ные пре дс т ав л е н ы эле ктрос лужбой пиков ой кот е л ьной г . М а г нит ог о рс ка .

Н е ре г улир уе м ы й в ыс оковол ьтны й э л е к тропривод дымососа Д- 4 п олуч ае т п итани е от с екц ии РУ-6 кВ, ЧРП дымососа Д- 3 п и та ется от кабе л ь ной линии 0,4 кВ, подключенной к т ой ж е се к ци и 6 кВ, поэтом у н ар у ше н ия э л е к трос на бж ени я в ра вной ст епени к аса ю т с я о б оих э ле кт р о п ри вод о в. П ри э т о м к о л и ч ес тва авари йн ых о ткл ю ч ений , п ок аза нн ы е в т абл. 1 , для н их с ущ ес т ве нно р азл и ч ают с я . З афи к си р о ва нн ы е п р о в ал ы н а п р яж ени я п ри в ел и к о ст а новам со о тветств ую щих к о тл о в КВ ГМ -100. По ут в ерж д е н ию пре дста в и тел ей с лу ж бы экс п лу а таци и, др уг их и нц идентов , в ыз в анны х ра ботой ЧР П, в ан али зи р у ем ый п ер и од в ре ме ни не отм еча л ос ь.

Программа расчета интенсивности отказов

Очевидно, что оценку технико - экономической э ффе кти в нос т и в недре н ия ЧР П, дос тига е м ой з а счет энерго- и ресурс ос бере ж е ни я, не о бх од им о р е ша ть в ком пл екс е с проб л е м ой с н и ж е н ия пок а за те л ей отка з о устойчи в ос т и, в ыз ыв а ющей у в е ли ч е н ие ко л и честв а и дли те л ь нос ти п ростое в котл о агре га тов . С этой це л ь ю ра з ра ботаны методика ан али за и прог р а м м а ра с че т а интенсивнос ти от к а-

зов электрооборудования [12, 13]. В качестве основного расчетного показателя принята интенсивность отказов электроприводов как отдельных элементов оборудования теплостанции. При расчетах предполагается экспоненциальный закон распределения.

Показатели надежности элементов рассчитываются с помощью следующих соотношений:

1. Интенсивность отказов

.  = m ср Nt0 ,

где m – количество отказов за время t 0 ; N – общее

количество элементов данного наименования; t 0 – период эксплуатации, ч.

Доверительные границы для оцениваемого параметра вычисляются по формулам:

1 н

1 в

Х 2 (1 -« 1 , 2 m )

2 Nt 0

X ^{2 ( а} 2 , 2 m + 2)

2 Nt 0

где индекс «н» обозначает нижнее, а «в » – верхнее значение доверительного интервала; а 1 - вероятность события X > X _н; а ₂ - вероятность X < X _в; а - вероятность события X _н < X < X _в, а = а 1 + а ₂ - 1 ; Х 2 ( ⁵ , r ) — квантиль Х 2 распределения с параметром s и числом степеней свободы r [14]. Обычно под уровнем значимости (1 - а ) (или вероятностью выхода оцениваемого параметра за границы доверительного интервала) подразумевают числа 0,1; 0,05; 0,01.

В случае отсутствия отказов за время наблюдения дается лишь верхняя оценка параметра

X

в

r ₀ t 0 N ,

где r ₀ – коэффициент, зависящий от уровня значимости (1 -а ).

В простейшем случае распределение отказов (коэффициент r0 ) определяется по формуле ro =- 1п(а) .

• 2 . Вероятность безотказной работы элемента за период времени t ₀ , ч (в расчетах принималось t 0 = 8000 ч):

P^(t ) = ^exp { ^-X ср t o } .                          (7)

Доверительные вероятности принимались следующими:

а 1 = а ₂ = 0,95 .

Алгоритм расчета, разработанный по зависимостям (2)–(7), представлен на рис. 4, более подробное его описание приведено в [14, 15]. На основе данного алгоритма разработана компьютерная программа « Интенсивность отказов » с использованием среды C++BUILDER XE. В этой программе наряду с интенсивностью отказов рассчитываются показатели надежности: среднее число отказов, вероятность безотказной работы и др., а также статистические параметры, представленные в табл. 2.

Результаты расчета

Для расчета и анализа использовались данные по отключениям дутьевых вентиляторов котлов КВГМ-100, представленные в табл. 1. На рис. 5 приведены графики изменения интенсивностей отказов (отключений), построенные по экспериментальным данным (кривые 1, 2) и в виде логарифмических зависимостей (кривые 3, 4), в функции продолжительности эксплуатации. Результаты расчета статистических параметров приведены в табл. 2.

Следует заметить, что смысл параметров, представленных в первых четырех строках таблицы, отличается от общепринятого. В данном случае они характеризуют не показатели, связанные с износом и соответственно старением оборудования, когда в период нормальной эксплуатации, как правило, наблюдается тенденция их монотонного увеличения либо уменьшения (в зависимости от характера показателя) [16]. В данном случае термин «отказ» понимается как отключение, вызванное нарушением электроснабжения, время возникновения которого является случайной величиной.

Расчет средней интенсивности отказов показал, что для регулируемого электропривода дымососа Д-3 она равна λ ср.Д-3 = 9,64·10^-4, что в 2,8 раза выше, чем для нерегулируемого электропривода дымососа Д-4 ( λ _ср. Д _-4 = 3,4·10^–4). Среднее количество отключений в год на единицу оборудования составляет 8 и 3 случая, соответственно. Такое соотношение соответствует результатам исследований, опубликованных в [17, 18], и достаточно близко совпадает с результатами, полученными при исследовании аналогичных показателей по методике, разработанной на основе логиковероятностного метода [19, 20]. Это косвенно подтверждает достоверность результатов проведенных исследований.

Очевидно, что повышение устойчивости к провалам напряжения целесообразно обеспечивать средствами самого электропривода. При этом автоматическое включение резерва на период паузы не является рациональным решением, а создание собственного быстродействующего устройства АВР проблематично как с точки зрения усложнения схемы системы электроснабжения, так и внесения проблем по обеспечению селективности и равномерности загрузки вводов электропитания [21].

Обязательной функцией для всех регулируемых электроприводов ответственных механизмов должно быть восстановление технологического режима за несколько секунд при восстановлении электропитания. Программное обеспечение большинства современных ПЧ предусматривает эту функцию, зачастую под несколькими названиями: «пуск в лет», «Flying start», «самозапуск», «подхват» вращающегося электродвигателя. Как показывает практика, реализация этой функции при наладке конкретного электропривода достаточно сложна. Широкого опыта успешного применения функции «пуск в лет» на отечественных промышленных и тепловых предприятиях не прослеживается. Вероятно, это связано со сравнительно редкой ее востребованностью, так как перезапуск через останов удовлетворяет большинству технологий (под термином «перезапуск» понимается повторный пуск двигателя без бросков тока после провала или кратковременного отключения напряжения питания). Авторским коллективом выполняются разработки частотно-регулируемых электроприводов, обладающих повышенной устойчивостью к нарушениям электроснабжения.

Наряду с вышеназванным направлением создания ЧРП с электропитанием от двух вводов они посвящены совершенствованию режимов принуди- тельного гашения поля [22, 23] и реализации принципа самопитания [24, 25]. Отдельные результаты исследований опубликованы в [26–29].

Рис. 4. Алгоритм расчета интенсивности отказов

Рис. 5. Изменения интенсивности отказов регулируемого и нерегулируемого электроприводов

Таблица 2

Статистические параметры, характеризующие отключения электроприводов дымососов

Расчетный параметр	Регулируемый электропривод Д-3	Нерегулируемый электропривод Д-4
Средняя интенсивность отказов, λ ср, 1/ч	3,4·10–4	9,64·10–4
Наработка на отказ, Т ср = 1/ λ ср, ч	2940	1037
Среднее число отказов на единицу оборудования	76	27
Среднее число отказов в год	8	3
Табличное значение распределения Стьюдента	1,895	1,895
Квантиль нормального стандартного распределения	1,645	1,645
Коэффициент корреляции	0,303	0,559
Расчетное значение t расч	1,840	1,784
Нижняя доверительная оценка наработки на отказ, ч	856	2117
Верхняя доверительная оценка наработки на отказ, ч	1266	4135
Нижняя граница P н	–0,96	0,182
Верхняя граница P в	0,801	0,936
Нижняя доверительная оценка, λ н, 1/ч	7,9·10–4	2,42·10–4
Верхняя доверительная оценка, λ в, 1/ч	1,17·10–3	4,72·10–4

Заключение

Количество отключений ответственного оборудования тепловых предприятий, оснащенного частотно-регулируемыми электроприводами, напрямую зависит от интенсивности нарушений электроснабжения и составляет, в среднем, от 3 до 8 случаев в год. При этом нарушения, возникающие на различных секциях шин одного уровня напряжения, как правило, не совпадают по времени, что положительно влияет на показатели отказоустойчивости котельных агрегатов. Данный вывод подтверждает актуальность разработки ЧРП с электропитанием от двух независимых вводов, одновременное нарушение электропитания по которым маловероятно.

В результате математической обработки экспериментальных данных, выполненной с помощью специально разработанной программы, показано, что интенсивность аварийных отключений, вызванных нарушениями электроснабжения, для ЧРП практически в 3 раза выше, чем для нерегулируемого электропривода.

В сложившейся ситуации целесообразно проведение исследований и разработок, обеспечивающих повышение устойчивости ЧРП к провалам напряжения средствами самого электропривода. При этом известная программная функция «Flying start», реализованная во многих ЧРП зарубежных производителей, не имеет широкого применения на отечественных тепловых предприятиях. В связи с этим авторским коллективом выполняются исследования и разработки, направленные на совершенствование ЧРП с принудительным гашением поля и реализацию принципа самопитания.