5.6 Расчет надежности электротехнических установок

В реальных условиях эксплуатации элементы, из которых собрана система, зачастую оказываются в условиях значительно отличающихся от расчетных (номинальных). Это обстоятельство влияет как на надежность элементов, так и на систему в целом.

Для электротехнических установок наиболее существенными факторами являются: электрическая нагрузка и скорость ее изменения; механические воздействия (вибрация, тряски, удары); влажность окружающего воздуха; наличие пыли в воздухе и др. Чаще всего указанные факторы учитываются с помощью соответствующих поправочных коэффициентов. С учетом поправочных коэффициентов интенсивность отказов элемента определяется по выражению

при  , (5.1)

где  - интенсивность отказов i-го элемента в номинальных условиях;  - поправочный коэффициент, учитывающий влияние электрической нагрузки на i-й элемент;  - поправочный коэффициент, учитывающий влияние окружающей температуры на i-й элемент.

Таким образом, производится учет и других факторов.

Особенностью расчета надежности систем является то, что:

1) для различных структурных единиц могут использоваться различные методы расчета.

2) исходные данные для расчетов в связи с применением новых, в том числе и зарубежных изделий, требуют проведения статистических исследований работы этих изделий и мероприятий по сбору, подготовки и обработки данных или использование данных по элементной базе отечественного производства в качестве прототипов (поиск этих прототипов).

3) использование данных элементов общего серийного производства, для которых не проводились исследования их работы в условиях, в которых предполагается их использование в системах управления подводных аппаратов, дирижаблях и прочих системах управления, например, частые перепады давления, температуры в пределах допустимых температур, воздействия магнитного поля земли, ионизирующих излучений и прочих факторов.

Определим надежность всей системы с учетом условий эксплуатации и без них.

Основным показателем является безотказность в работе, то есть сохранение работоспособности в течение некоторого времени без вынужденных перерывов.

Отказ – это случайное событие, поэтому говорят о вероятности появления отказов. Вероятность безотказной работы обозначается и определяется как , где - интенсивность отказов, - время. Вероятность безотказной работы всей электротехнической системы определяется по формуле , где берется в справочнике, а - количество элементов. Поэтому сложные системы имеют весьма низкую надежность несмотря на высокую надежность компонентов. Интенсивность отказов растет с увеличением электрической и тепловой нагрузки, растет с ухудшением механических и климатических воздействий, поэтому при выборе ЭУ надо соблюдать режимы их работы. Для повышения надежности используют резервирование. Резервирование бывает горячее (нагруженное) и холодное (ненагружен).

При проведении расчетов надежности без учета условий эксплуатации необходимо считать, что отказы элементов независимы и отказ одного элемента приводит к отказу всего устройства в целом.

В этом случае математическая модель отказов будет иметь экспоненциальный вид.

Определяем интенсивность отказа _і каждого элемента по Таблице 7.2 - Интенсивности отказов элементов при температуре окружающей среды 20С и относительной влажности 50-70 %.

Таблица 7.2 – Интенсивности отказов элементов при температуре окружающей среды 20С и относительной влажности 50-70 %.

Наименование элемента	і10-6, ч-1	Наименование элемента	і10-6, ч-1
Диоды: кремниевые	0,2	Трансформаторы: силовые	1,0
Контакторы (на один контакт)	2,5	Дроссели	0,35
Разъемы штепсельные: на один штырек	0,3	Интегральные микросхемы	0,25
Реле (на одну контактную группу): Электромагнитные времени	0,3 1,2	Конденсаторы: Слюдяные электролитические	0,25 0,35
Транзисторы: Германиевые кремниевые	0,3 0,5	Резисторы: металлопленочные,	0,04

Для каждой группы, определяем групповое значение интенсивности отказов:

для силового трансформатора:

для штепсельного разъема:

для контактора трехполюсного:

для реле электромагнитного (три контактные группы):

для реле пневматического (две контактные группы):

для конденсатора электролитического:

для конденсатора слюдяного:

для резистора металлопленочного:

для резистора проволочного:

для транзистора германиевого:

для транзистора кремниевого:

для диода кремниевого:

для интегральной микросхемы:

для дросселя:

Интенсивность отказов в целом определяется суммой интенсивностей отказов всех групп составляющих элементов:

Результирующая вероятность безотказной работы без учета условий эксплуатации определяется по формуле:

Среднее время безотказной работы без учета условий эксплуатации определяется по формуле:

Расчет надежности анализируемого блока управления и защиты без учета условий эксплуатации показал, что результирующая вероятность безотказной работы всей системы равна 0,751, что является низкой величиной. Это является следствием высокого значения интенсивности отказа некоторых элементов системы (например, контактор, реле времени).

Для увеличения вероятности безотказной работы рекомендуется, либо заменить эти элементы более надежными (например, контактор заменить пускателем), либо зарезервировать их элементами с более большей вероятностью безотказной работы. Но на практике данные рекомендации выполнить не всегда является возможным.