Анализ надежности выключателей 63 кВ и выше

Высоковольтная техника  
АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ НА НАПРЯЖЕНИЕ 63 КВ И ВЫШЕ ПО МАТЕРИАЛАМ ЗАРУБЕЖНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ
А. М. БРОНШТЕЙН, канд. техн. наук

Технический уровень вновь разрабатываемых выключателей по номинальным параметрам и удельному расходу материалов относительно легко сопоставить с уровнем лучших зарубежных образцов по данным каталогов и публикациям в технической литературе. Что же касается надежности выключателей, то такие обобщенные данные публикуются редко. Иногда эти вопросы частично рассматриваются в статьях и докладах общего характера или статьях, касающихся в целом надежности электроснабжения. Целью статьи является обобщение имеющихся в различных зарубежных публикациях данных о надежности выключателей с тем, чтобы создать обоснованную базу для сравнения уровня надежности разрабатываемых отечественных выключателей с достигнутым уровнем надежности зарубежных образцов.
Обобщенные данные о надежности выключателей на напряжения от 63 кВ и выше опубликованы в 1981 г. рабочей группой (РГ) 13-06 СИГРЭ на основе ответов, полученных от 102 энергокомпаний из 22 стран. В этих данных отражен накопленный опыт эксплуатации 20 000 выключателей за 1974—1977 гг., причем учитывались только выключатели, срок эксплуатации которых составлял не более 13 лет.
Из конкурентных и коммерческих соображений в [1] названия стран зашифрованы цифровыми обозначениями и не указано, к каким видам выключателей — масляным баковым, маломасляным, воздушным и др. относятся собранные данные. Все события, приведшие к неплановым, вынужденным отключениям разделяются на две категории: большой отказ (major failure) и малый отказ (minor failure).
Под большим отказом, который в дальнейшем будем называть просто отказом, понимается потеря выключателем одной или нескольких функций:   невыполнение команд на включение или отключение; самопроизвольное включение или отключение; неспособность проводить, включать или отключать ток нагрузки или ток короткого замыкания; нарушение изоляции на землю, между разомкнутыми контактами полюса или между полюсами и т. п.

Рис. 1. Интенсивность отказов и неисправностей (а) и накопленное в эксплуатации количество выключателей-лет (б) в 22 странах за 1974—1977 гг.: а — заштриховано число отказов

Во избежание потери выключателем какой-либо или нескольких основных функций его необходимо через какое-то время вывести из работы для устранения выявленной неисправности.* Такой неисправностью, например, может быть небольшая утечка изолирующей или дугогасящей среды и др. Неисправности, которые из условий обеспечения надежности должны быть устранены за время не более 30 мин, квалифицируются как отказ. Такое деление, в известной мере, условно, и в некоторых публикациях оно не проводится исходя из того, что в конечном счете оба события требуют вынужденного отключения выключателя, т. е. приводят к определенной его неготовности, которая также является одним из существенных показателей эксплуатационной надежности. Чтобы более полно сопоставить данные различных публикаций о надежности выключателей, там, где это будет возможно, кроме интенсивности отказов и неисправностей, будет указано и суммарная интенсивность отказов и неисправностей, которая выражает интенсивность вынужденных отклонений выключателя и характеризует его неготовность.

*Согласно ГОСТ 27.002-83 «Надежность в технике. Термины и определения» такого рода неисправное состояние объекта называется «повреждением». Представляется, что в данном случае уместнее говорить о неисправности.

На рис. 1,а приведены данные об интенсивностях отказов и неисправностей выключателей в каждой из 22 стран, а на рис. 1,б — накопленное число выключателей-лет в этих странах [1].
Как видно из рис. 1, а, интенсивность отказов и неисправностей колеблется в весьма широких пределах. В какой-то мере это может объясняться различным числом накопленных выключателей-лет в разных странах. Но главной причиной, вероятно, является преобладание в разных странах различных видов выключателей, и, в особенности, выключателей на разные классы напряжения. Опубликованные в [1] данные не позволяют дифференцировать интенсивность отказов выключателей по их видам, но дают возможность выявить влияние номинального напряжения выключателей на интенсивность отказов и неисправностей. Для этого собранные данные были разделены по напряжению на пять групп и по каждой группе рассчитана средняя интенсивность отказов и неисправностей. Чтобы как-то оценить влияние накопленного числа выключателей-лет на интенсивность отказов, последняя рассчитывалась как средняя для всех 22 стран, средняя без учета стран с наибольшим и наименьшим количеством выключателей-лет.
Результаты этих расчетов приведены в табл. 1, из которой следует, что интенсивность отказов увеличивается с ростом номинального напряжения выключателей. Это объясняется двумя причинами. Во-первых, чем выше напряжение выключателя, тем сложнее его конструкция, он содержит больше узлов и деталей, а это, в свою очередь, приводит к увеличению вероятности отказов. Во-вторых, с увеличением напряжения изменяется структура общего парка выключателей, например, при напряжениях до 300 кВ основную долю составляют масляные баковые или маломасляные выключатели, а при более высоких напряжениях увеличивается доля воздушных выключателей, у которых из-за особенностей их конструкции интенсивность отказов может быть больше, чем у давно выпускаемых масляных и маломасляных выключателей. Это можно проиллюстрировать на основе статистических данных, опубликованных рядом электрокомпаний. Одновременно эти данные позволяют получить более четкое представление о надежности отдельных видов выключателей.
Американская электроэнергетическая компания AER опубликовала данные об отказах выключателей на 145, 362 и 800 кВ, собранные за 1978—1983 гг. [2]. Эти данные приведены в табл. 2, из которой также следует, что с ростом напряжения интенсивность отказов и неисправностей увеличивается.

Аналогичные результаты получены в финских электросетях для выключателей 123—420 кВ на основе данных за 1970—1979 гг. [3]. Эти данные приведены в табл. 3.

Таблица 2

* В 1974—1977 гг. линии электропередачи напряжением выше 550 кВ еще находились в стадии опытной эксплуатации. Вероятно, подавляющее большинство выключателей в этой группе относится к напряжению 525—550 кВ.

Средняя интенсивность отказов выключателей 123—420 кВ в финских сетях равна 0,017 выключателей в год. Это значение хорошо коррелируется со средним значением интенсивности отказов 0,025 для выключателей 100—550 кВ согласно табл. 1.
К сожалению,   нет указаний, к каким видам выключателей относятся эти данные. Можно, однако, предположить, что, по крайней мере, в группах выключателей 123—245 кВ преобладают маломасляные.
Наиболее полные данные по видам выключателей об интенсивности суммы отказов и неисправностей, приведших к вынужденному отключению выключателей, собраны в Канаде за период с 1-го января 1978 г. по 30 июня 1983 г. [4].
Так как в [4] приведены данные только об интенсивности вынужденных отключений с подробным перечислением их причин, то для удобства сравнения с данными других источников интенсивность отказов оценена при анализе ориентировочно. Для этого из общего числа вынужденных отключений исключены те, что в [4] связаны с дугогасительной средой, вспомогательными устройствами и вызваны неизвестными причинами. С большой степенью вероятности можно считать, что оставшееся число вынужденных отключений вызвано отказами. Обработанные таким образом данные сведены в табл. 4.
В табл. 4 не внесены отдельно имеющиеся в [4] данные по элегазовым выключателям с двумя ступенями давления, так как их производство из-за сложности конструкции давно прекращено, но они учтены в графе «Выключатели всех видов».

Таблица 3

Для удобства сопоставления все данные из табл. 1—4 сведены на рис. 2 в виде зависимостей интенсивности отказов от напряжения и на рис. 3 — в виде зависимостей интенсивности вынужденных отключений от напряжения.
В доступных публикациях отсутствуют систематизированные данные об эксплуатационной надежности современных автокомпрессионных элегазовых выключателей.
В [5] приведены расчетные (прогнозируемые) зависимости интенсивности отказов от напряжения для первого поколения элегазовых выключателей на базе автокомпрессионной дугогасительной камеры на 170 кВ и второго поколения — на базе автокомпрессионной камеры на 245 кВ, которая принята многими передовыми фирмами в Европе и Японии. Эти зависимости также приведены на рис. 2.