Надежность цифровых устройств релейной защиты. Показатели. Требования. Оценки

О. Г. Захаров





                Надежность цифровых устройств релейной защиты




Показатели. Требования. Оценки

Учебное пособие 2-е издание




Инфра-Инженерия Москва
2018

УДК 621.311.019.3
ББК 31.27-05
   3 38


  ФЗ №436-Ф3

Издание не подлежит маркировке в соответствии сп.1ч.4ст.11

      Захаров О. Г.
3 38 Надежность цифровых устройств релейной защиты. Показатели. Требования. Оценки: учебное пособие./
       О. Г. Захаров. -2-е изд., испр. и доп. - М.: Инфра-Инженерия, 2018. - 128 с.

ISBN 978-5-9729-0073-2

   В книге проанализированы и систематизированы требования к надежности цифровых устройств релейной защиты, регламентированные в нормативных документах. На основе опыта аттестации и сертификации цифровых устройств в различных организациях даны предложения по номенклатуре показателей надежности, приводимой в технических условиях.
   Рассмотрены используемые в практике способы оценки, основанные на статистической обработке информации о правильных и неправильных срабатываниях защит.
   Даны примеры оценок выбранных показателей надежности на основе информации, получаемой от эксплуатирующих организаций, с применением стандартных планов и методов контрольных испытаний на надежность.
   Приведена статистическая информация об отказах устройств и применяемых в них элементов. Дана информация о поведении цифровых устройств релейной защиты при экстремальных воздействиях.
   Книга предназначена для специалистов, занимающихся разработкой, проектированием и эксплуатацией цифровых устройств релейной защиты, а также может быть полезна научным работникам, преподавателям, аспирантам и студентам соответствующих дисциплин средних и высших учебных заведений.

Издание подготовлено к печати в авторской редакции
Подписано в печать 25.01.2018. Формат 60х84/16. Бумага офсетная.
Гарнитура «Прагматика». Объем 14 печ. л. Тираж 500 экз. Заказ № 315

ИЗДАТЕЛЬСТВО «ИНФРА-ИНЖЕНЕРИЯ»
    Тел.: 8(911)512-48-48 E-mail: Infra-e@yandex.ru www.Infra-e.ru

Издательство «Инфра-Инженерия» приглашает к сотрудничеству авторов научно-технической литературы.


© Захаров О. Г., автор, 2018
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2018


ISBN 978-5-9729-0073-2

           Предисловие

   Среди множества характеристик цифровых устройств релейной защиты, автоматики, управления и сигнализации особое место занимает их надежность, определенная в стандарте [20] следующим образом:
   «Надежность - свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значение всех параметров, характеризующих его способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования».
   Для оценки надежности цифровых устройств релейной защиты, автоматики, управления и сигнализации в технической и нормативной литературе предложены различные характеристики - от стандартизованных показателей надежности до различных коэффициентов срабатывания и несрабатывания и даже до таких оригинальных, как «нормализованный показатель надежности».
   Именно поэтому в книге проанализирована нормативная и техническая литература и предложена номенклатура показателей надежности, которые должны быть включены в технические условия на изделия.
   Однако какой бы показатель надежности ни был заложен в техническую документацию изделия, необходим метод его объективной оценки, который можно использовать во время контрольных испытаний на надежность.
   Методы оценки показателей надежности цифровых устройств релейной защиты, автоматики, управления и сигнализации, описанные в книге, основаны на стандартных планах и методах испытаний, рекомендованных в стандартах системы «Надежность в технике».

3

НАДЕЖНОСТЬ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

   Кроме этого, в книге описаны методы и результаты контроля показателей надежности изделий в период изготовления и эксплуатации, а также описаны результаты исследований причин их возврата после экстремальных внешних воздействий.
   Книга снабжена обширным тематическим библиографическим указателем публикаций по надежности цифровых устройств и дополнена небольшим словариком.
   Автор будет признателен всем, кто сочтет возможным поделиться с ним своим мнением о данной книге (е-mail: olgezaharov@yandex.ru).

          1. Показатели надежности в нормативных документах

   Номенклатура показателей надежности для ЦРЗА зафиксирована в основополагающем отраслевом документе [34].
   Существенная часть раздела 3 «Требования надежности» отведена перечню рекомендаций, выполнение которых, по мнению разработчика этого документа, поможет достичь необходимого уровня надежности ЦРЗА.
   Учитывая, что данный документ не распространяется на процесс проектирования цифровых устройств, включение этих рекомендаций в данный документ, а тем более в технические условия на изделия, представляется излишним.
   Другая часть этого раздела отведена номенклатуре показателей надежности [53] и их нормированным значениям, но выполнена она с отступлением от рекомендаций, изложенных в стандарте [21].
   Для выбора рациональной номенклатуры показателей надежности, в которую включено минимально необходимое и достаточное количество показателей, уточним признаки (табл. 1), которыми можно охарактеризовать ЦРЗА в соответствии с требованиями стандарта [21].
   Номенклатура показателей надежности цифровых устройств релейной защиты, автоматики, управления и сигнализации, установленная в настоящее время нормативными документами [19, 34], приведена в табл. 2, где знаком * отмечены показатели, для которых в стандарте [20] даны определения обозначаемых ими понятий.
   В связи с тем, что данные изделия перед началом эксплуатации подлежат хранению, для них должны быть заданы по
5

НАДЕЖНОСТЬ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

Таблица 1
Признаки, характеризующие надежность ЦРЗА

   Признак      Характеристика                 Описание              
   по [21]          изделия                                          
Определенность       ИКН1        Изделие имеет единственный вариант  
  назначения                     применения                          
    Число           Вид II       Изделия, кроме работоспособного и   
  возможных                      неработоспособного состояний, могут 
  состояний                      находиться в некотором числе частич                                 но неработоспособных состояний      
    Режим           НДП1 2       Изделие функционирует непрерывно    
  применения                     и длительно                         
 Последствие           -         Отказ изделия или его переход в пре    отказа                       дельное состояние не приводит к ка- 
                                 тастрофическим (критическим) пос-   
                                 ледствиям                           
 Возможность   Восстанавливаемое Работоспособное состояние данных    
восстановления                   изделий может быть восстановлено    
                                 после их отказа                     
    Способ             -         Обезличенный ремонт заменой мо-     
восстановления                   дулей                               
   Характер        Стареющее     Переход данных изделий в предель-   
   перехода                      ное состояние, когда их эксплуатация
 в предельное                    должна быть прекращена, определя-   
  состояние                      ется старением                      
    Способ             -         Ремонт обезличенным способом        
восстановления                                                       
 Возможность     Обслуживаемое   Необходимо периодическое техничес-  
 технического                    кое обслуживание                    
 обслуживания                                                        
   Характер      Наличие сбоев   При наличии в устройстве средств вы   отказов                       числительной техники                
Контроль перед  Контролируемое   При необходимости контроля изделия  
 применением                     перед применением                   

казатели сохраняемости [17, 55] и учтены условия и режимы хранения, для которых действуют эти показатели.
   В табл. 2 перечислены несколько показателей надежности, в названии которых использованы слова «сменный элемент».
   Обычно сменные элементы используют в устройствах, состоящих из элементов разной надежности или имеющих разный ресурс, а также содержащих быстроизнашивающиеся части, которые при определенных условиях следует заменить на новые.

    ¹ ИКН - изделие конкретного назначения.

    ² НДП - непрерывное длительное применение.

6

1. Показатели надежности в нормативных документах

Таблица 2 Показатели надежности в нормативных документах [19, 34]

         Показатели          Обозначение Нормативный документ  
                                         [34]       [19]      
                       Безотказности                           
Наработка на отказ*              То       -          +        
Наработка на отказ СЭ3            -       +                   
Параметр потока ложных                    +                   
срабатываний (при отсутствии                                  
требования)                                                   
                           В ременные понятия                  
Срок службы*                     Тсл      -          +        
Срок службы СЭ                            +                   
Срок службы:                                                  
- установленный                 Т слу     -          +        
              - назначенный*              -          -        
                       Долговечности                           
Гамма-процентный ресурс*         Тру      -          +        
Средний срок службы*                                          
Полный средний срок службы        -       +          -        
                    Ремонтопригодности                         
Среднее время:                                                
- восстановления*                Тв       +          +        
                 - замены СЭ     Тв       +          -        
                       Сохраняемости                           
Срок сохраняемости:                                           
- средний (гамма-процентный)    ТсУ%      -          +        
- гамма-процентный*             Тсу%                          
                  - средний*    Т сср     -          -        
                           Иные                                
Средняя вероятность отказа                +                   
в срабатывании (при появле-                                   
нии требования)                                               
Удельная суммарная продол-       Зто      -          +        
жительность ТО4                                               

   В электромеханических реле сменными элементами являются контакт-детали, катушки и т.п.
   В связи с тем, что большинство изготовителей цифровых устройств не поощряет самостоятельный ремонт выпущенных ими изделий силами потребителя, сменными элементами в

    ³ СЭ - сменный элемент.

    ⁴ ТО - техническое обслуживание.

7

НАДЕЖНОСТЬ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

таких устройствах могут быть модули и узлы, которые изготовитель поставляет с соответствующими документами⁵.
   Например, к некоторым цифровым устройствам, по отдельному заказу поставляют модули:
   - центрального процессора;
   - ввода-вывода;
   - трансформаторов и др.
   Силами потребителя могут быть заменены не только перечисленные здесь модули, но и дисплей, модуль пульта и некоторые другие.
   При проектировании цифровые устройства разрабатывают таким образом, чтобы надежность их модулей была одинаковой. Поэтому по отношению к таким модулям примечание «Значения показателей надежности сменных элементов различного назначения могут отличаться», содержащееся в РД [34], нельзя признать корректным.
   Учитывая изложенное, из рассматриваемого документа и, соответственно из табл. 2, должны быть исключены показатели, относящиеся к надежности абстрактного «сменного элемента», а вместо них должны быть установлены такие показатели надежности:
   - средняя наработка цифрового устройства на отказ;
   - среднее время восстановления цифрового устройства;
   - средний срок службы цифрового устройства.
   Показатель безотказности «средняя наработка на отказ» (краткая форма - наработка на отказ) в стандарте [20] определен следующим образом: «отношение суммарной наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки».
   О том, как можно оценить этот показатель на основании информации, получаемой от потребителя, будет рассказано ниже.
   Следует отметить, что наработка на отказ изделия не зависит от того, какой элемент в нем отказал - сменный или нет и, следовательно, использование показателя «наработка на отказ сменного элемента», установленного в [34], методически неправильно [57].

    ⁵ Следуеттакже учитывать, что выбор «сменного элемента» во многом задает глубина поиска дефекта системой самодиагностики цифрового устройства [3].

8

1. Показатели надежности в нормативных документах

   В табл. 2 приведено несколько временных показателей надежности и показателей долговечности, в названии которых использованы слова «срок службы» или «ресурс».
   Строго говоря, показатели, в названии которых использованы слова «срок службы», представляют собой технико-экономические характеристики изделия , а не показатели его надежности.
   Ориентируясь на стандарт [20], оставляем для дальнейшего рассмотрения только два показателя:
   - временной показатель «назначенный срок службы»;
   - показатель долговечности «средний срок службы».
   Все остальные показатели, включая и те, в которых использованы слова «срок службы сменного элемента», исключаем из дальнейшего рассмотрения.
   В связи с тем, что для ЦРЗА не предусмотрены плановые ремонты, использование показателя «полный средний срок службы» [34] представляется методически некорректным.
   Показатель долговечности «гамма-процентный ресурс» отсутствует в [34], но предусмотрен в [19]. Необходимость использования этого показателя рассмотрим ниже, в соответствующем разделе данной книги.
   Используя обоснования, приведенные в [55], оставляем для дальнейшего рассмотрения два показателя сохраняемости: «гамма-процентный срок сохраняемости» и «средний срок сохраняемости», а предусмотренный стандартом [19] показатель «средний (гамма-процентный) срок сохраняемости» исключаем из дальнейшего рассмотрения.
   Показатель «Удельная суммарная продолжительность ТО» отнесен к показателям, используемым для определения удельных показателей конкретных типов и видов низковольтных комплектных устройств, и, по мнению автора данной книги, включать его в раздел 3 «Показатели надежности» стандарта [19] нет необходимости.
   Вне всякого сомнения, проведение ТО своевременно и в полном объеме помогает поддерживать работоспособное состояние изделия, но по своей сути этот показатель не относится к показателям надежности, что также позволяет исключить его из дальнейшего рассмотрения.

    ⁶ При назначении срока службы принимают во внимание прогнозируемый или достигнутый сроки службы.

9

НАДЕЖНОСТЬ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

   Показатель «параметр потока ложных срабатываний (при отсутствии требования)» предусмотрен также и в других стандартах, например в [29], где дано рекомендуемое значение этого показателя - 0,0011 /год.
   Показатель «средняя вероятность отказа в срабатывании (при появлении требования)» встречается во многих изданиях по релейной защите, но определение понятия, обозначаемого этим термином, в них отсутствует, как отсутствует и в стандартах [20, 28]. Показатели надежности, в названиях которых использованы слова «требование на срабатывание», подробно рассмотрены ниже.
   Отметим, что данная номенклатура показателей использована при разработке соответствующего раздела технических условий, выпущенного в форме стандарта организации [65, 78].
   Сказанное позволяет перейти к рассмотрению методов и способов оценки показателей надежности, выполняемых при контрольных испытаниях на надежность изделий данного класса.