СООТНОШЕНИЕ БЕЗОТКАЗНОСТИ, РЕЖИМНОЙ УПРАВЛЯЕМОСТИ, ЖИВУЧЕСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ

                     У меня появился единомышленник

                                                                       И.А. Ушаков

                                                                                      Сан Диего, 2013г

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное или рабочее состояние в течение некоторого времени.На объект действуют различные возмущения. Все возмущения, которые действуют на объект, можно разделить на две основные группы - внешнего они по отношению к объекту или внутреннего происхождения.

При исследовании безотказности следует учитывать все возмущения внутреннего происхождения - отказы оборудования (недостатки эксплуатации, дефекты ремонта, дефекты изготовления, исчерпание ресурса); ошибки эксплуатационного персонала. Из всех возмущений внешнего происхождения достаточно учитывать только те, на которые работа объекта рассчитывается (грозовые воздействия; землетрясения, но в пределах расчетного уровня сейсмичности региона, и т.д.). Экстремальные возмущения необходимо выделить и учитывать не при исследовании свойства безотказности, а отдельно – при исследовании свойства живучести. Это позволяет уделить особое внимание экстремальным возмущениям, принципам (критериям) принятия решений и средствам обеспечения надежности в экстремальных условиях. Такого подхода к учету различных возмущений при оценке безотказности и живучести придерживаются и известные специалисты в области обеспечения надежности технических систем.

Действие факторов, снижающих безотказность может быть полностью или частично компенсировано: выбором соответствующей «конструкции» системы; повышением надежности и улучшением технических показателей оборудования; резервированием во всех звеньях системы; улучшением организации эксплуатации системы.

 Режимная управляемость - свойство объекта поддерживать нормальный режим. Такое определение не дает полного представления о содержании этого термина. Оно не учитывает, что управление объектом происходит в различных режимах и, в том числе, в аварийных. Не учитываются требования, которые должны предъявляться к управлению в различных режимах. В частности, при высокой режимной управляемости управление объектом в аварийных режимах не должно приводить к каскадному развитию аварии (в том числе с массовым ограничением потребителей).  

Можно назвать основные требования к содержанию определения для свойства режимная управляемость:

- при высокой режимной управляемости управление объектом в аварийных режимах не должно допускать каскадного развития аварий (в том числе с массовым ограничением потребителей);

- высокая режимная управляемость должна обеспечивать возможность контроля параметров и ввода их в допустимую область;

 - высокая режимная управляемость объектом должна обеспечивать возможность поддерживать нормальный режим посредством управления.

С учетом этих требований дано определение для свойства режимная управляемость. Режимная управляемость - свойство объекта: не допускать каскадного развития аварий (в том числе с массовым нарушением питания потребителей); возвращать режим в допустимую область и поддерживать его заданные параметры посредством управления .

Режимная управляемость обеспечивается: достаточным регулировочным диапазоном и мобильностью основного оборудования; мобильностью резервов мощности; запасами пропускной способности сети; выбором структуры и параметров средств автоматического управления системой; противоаварийным автоматическим и оперативным управлением.

Живучесть – надежность в экстремальных условиях. Основным признаком отказов по живучести являются отказы при экстремальных внешних воздействиях на систему. К экстремальным внешним возмущениям относятся:

– внешние воздействия на объект, которые не учитывались при его проектировании (ураганы, цунами, землетрясения выше расчетного уровня сейсмичности и т.д.);

– преднамеренные воздействия (диверсии, терроризм, военные действия и т.д.).

  Последствия от таких возмущений – частичное и даже полное разрушение объекта. Живучесть – свойство объекта противостоять внешним возмущениям, на которые он не рассчитывался для обычных условий функционирования.  Противостоять – означает, что уровень функционирования системы при экстремальных внешних воздействиях должен быть не ниже минимально допустимого.

   Минимально допустимый уровень функционирования при экстремальных внешних воздействиях может быть обеспечен: аварийными резервными источниками энергии; выбором структуры и режимов работы системы (превентивным снижением уровня функционирования системы); автоматическим и оперативным управлением; запасами основного оборудования и материалов и их рациональным размещением в системе; противодиверсионными мероприятиями.

      На рис. 1.5 показано множество возмущений (обозначим его - А), которые могут привести к отказам по безотказности. Некоторые из этих возмущений сопровождаются каскадным развитием аварий и массовым ограничением потребителей из-за недостаточно высокой режимной управляемости объекта. Пусть В – множество возмущений, которые привели к отказам по безотказности с последействием – каскадным развитием аварий и массовым ограничением потребителей из-за невысокой режимной управляемости объекта (на рис. 1.5 множество В заштриховано).

 

                                              .

 

                                                           

 

Рис. 1.5. Соотношение множеств возмущений, приводящих к отказам по безотказности и по живучести:

А – множество возмущений, приводящих к отказам по безотказности; В – множество возмущений, приводящих к отказам по безотказности, сопровождающихся каскадным развитием аварий из-за недостаточно высокой режимной управляемости; C – множество возмущений, приводящих к отказам по живучести.

 

                                                                                                                       

Причинами возникновения каскадных аварий в ЭС могут быть :

- короткое замыкание в отдельных элементах системы (около 10% всех отключений одного из элементов основных сетей 400 – 750 кВ сопровождаются отключениями других элементов);

- перегрузка или наброс мощности на электропередачу из–за нарушения баланса мощности в связываемых частях системы;

- ложное отключение релейной защитой или противоаварийной автоматикой электропередачи, шин, трансформаторов;

- неполнофазный режим вследствие отказа выключателей при оперативных переключениях;

- ошибочное отключение персоналом электропередачи.

Возмущения, приводящие к отказам по живучести, не учитываются при исследовании безотказности. Причинами экстремальных возмущений, как было уже отмечено ранее, могут быть такие процессы в природе, как наводнения, цунами, тайфуны, землетрясения, снегопады или преднамеренные внешние воздействия. Поэтому, множество возмущений, приводящих к отказам по живучести, не имеет общих элементов с множеством возмущений, приводящих к отказам по безотказности. Пусть C – множество экстремальных возмущений, которые могут привести к отказам по живучести. Тогда

 

                                             .           

                                                                                                        

            Отказы по живучести сопровождаются массовым ограничением потребителей электроэнергией. По этой причине на рис.1.5 множество C заштриховано.

    Следует отметить, что отказы по живучести могут сопровождаться каскадным развитием аварии, но объем ограничения потребителей электрической энергией определяется экстремальным внешним возмущением, а не каскадным развитием аварии. В качестве примера можно привести «блэкаут» в Крыму, который произошел 22 ноября 2015 г. из-за подрыва опор линий электропередачи, связывающих ЭС Крыма и ЭС Украины. Поставки электрической энергии в Крым с территории Украины были полностью прекращены. ЭС Крыма из-за диверсии стала работать в изолированном режиме. Без электрической энергии в Крыму остались более полутора миллионов человек. Были отключены все потребители кроме социально значимых объектов. О каскадном развитии аварии в ЭС Крыма (о его влиянии на объем ограничения потребителей электрической энергией) нигде не сообщалось.

Одно и тоже возмущение для одной из ЭС может быть экстремальным, а для другой оно не будет экстремальным. Подрыв опор линий электропередачи для ЭС Украины не было экстремальным внешним возмущением (а для ЭС Крыма было экстремальным), но оно привело к нарушению технологического процесса производства электрической энергии, каскадному развитию аварии в ЭС Украины, в результате которой около 70000 человек остались без электрической энергии. Электроснабжение потребителей в ЭС Украины было достаточно быстро восстановлено.  

Анализ крупных системных аварий в ЭС показывает, что 29% аварий были из-за экстремальных внешних возмущений, т.е. из всех отказов в ЭС 29% это отказы по живучести. Из них из-за экстремальных неблагоприятных природных воздействий было 25% отказов и 4% - из-за преднамеренных внешних воздействий. На отказы по безотказности приходится 71% всех крупных аварий. Из них - 33% аварий произошло из-за внутренних возмущений и недостаточно высокой режимной управляемости, сопровождающейся каскадным развитием аварий и массовым отключением потребителей. Остальные - 38% были вызваны внешними возмущениями, на которые работа ЭС рассчитывалась.

 Безопасность по сравнению с надежностью электроснабжения является многоаспектным свойством. Для оценки надежности электроснабжения достаточно контролировать обеспечение потребителей целевым продуктом – электрической энергией, а для анализа безопасности этого недостаточно.

Можно отметить совершенно разное отношение к оценке актуальности проблемы безопасности систем энергетики по сути дела одними и теми же авторами. С одной стороны, - «исследования в этой области существенно активизировались», а с другой, - «главный мотив для исключения безопасности из состава свойств надежности объектов энергетики – его невостребованность на протяжении 27 лет».Во-первых, такая формулировка не содержит должного обоснования для исключения этого свойства, а во-вторых, крупные аварии за последние 30 лет в системах энергетики разных стран свидетельствуют о необходимости более пристального внимания к проблеме обеспечения безопасности.

Все возмущения, которые могут привести к отказам по живучести, будут причиной отказов по безопасности (рис.1.6), т.к. отказы по живучести сопровождаются не только значительным недоотпуском целевого продукта, но и разрушениями объекта и ситуациями, опасными для людей и окружающей среды. Исследованию безопасности объектов должен предшествовать анализ их живучести. Повышение живучести объекта позволяет повысить его безопасность. Но, с другой стороны, не все возмущения, которые приводят к отказу по безопасности, будут причиной отказов по живучести. Например, авария на Саяно-Шушенской ГЭС, приведшая к ее значительному разрушению и гибели людей, была отказом по безотказности и безопасности, но не была отказом по живучести. Не будут отказами по живучести отказы электрофильтров на тепловых электростанциях, которые могут привести к увеличению выбросов вредных веществ с дымовыми газами и, следовательно, к отказу по безопасности и т.д.

Не все средства, используемые для повышения безопасности, приводят к повышению живучести. От размещения тех или иных объектов ЭС (в частности, электрических станций) на местности зависит безопасность ЭС, но это не оказывает влияния на живучесть (и безотказность) ЭС. Следовательно, повышение безопасности не всегда приводит к повышению живучести.

Пусть D - множество возмущений, которые могут привести к отказам по безопасности. Тогда

 

                                                      .    

 

 

 

Рис. 1.6. Соотношение множеств возмущений, приводящих к отказам по безотказности, живучести и безопасности:

А – множество возмущений, приводящих к отказам по безотказности;

D – множество возмущений, приводящих к отказам по безопасности;

B – множество возмущений, приводящих к отказам по безотказности, сопровождающихся каскадным развитием аварий из-за недостаточно высокой режимной управляемости;

 F – множество возмущений, приводящих к отказам по безопасности и безотказности, но не являющихся причиной каскадного развития аварий;

C – множество возмущений, приводящих к отказам по живучести.

                                                                                                                                

Возмущения по безотказности могут быть одновременно причиной отказов по безопасности. Во-первых, к отказам по безопасности могут привести возмущения по безотказности, сопровождающиеся каскадным развитием аварий и значительным недоотпуском целевого продукта потребителям (рис.1.6). Тогда

 

                                           .    

Если рассматривать все ЭС различных стран, то такие аварии уже не редкость. Они имеют место в среднем примерно один раз в один - два года (за период времени в 40 лет с 1965 года по 2005 год было более 20 крупных аварий). Среди них были и очень крупные аварии. В результате без электрической энергии остались сотни тысяч и даже миллионы жителей. Тысячи были заблокированы в остановившихся поездах метро и лифтах, были пожары, грабежи и т.д. Примером таких аварий может быть авария в США 9-10 ноября 1965 года, авария в ЭС США и Канады в 2003 году, Московская системная авария 2005 года, системная авария в Санкт-Петербурге 20 августа 2010 года, авария в Канаде 23 января 2005 года, авария в ЭС Бразилии в 2009 году.

Во-вторых, возможны отказы по безопасности и без каскадного развития аварий, например, из-за аварийного отключения отдельных потребителей первой категории или из-за аварийного отключения электронасосов в системе канализации. Оно приведет к аварийному сбросу отходов, загрязняя территорию и водоемы. Пусть F – множество возмущений, приводящих к отказу по безопасности и безотказности без каскадного развития аварий (рис.1.6). Тогда

 

                                   .

                                                                                                       

   Не все возмущения, которые могут привести к отказам по безопасности, будут причинной отказов по безотказности или живучести. На рис. 1.6 этому множеству соответствует не заштрихованная область множества возмущений D. К их числу можно, например, отнести возмущения, связанные с разрушением дамбы золоотвалов ТЭС и последующим разрушением других объектов, а также загрязнение территории, водоемов и т.д. Пусть L – множество таких возмущений. Тогда

                                        D - .

                                                                                                        

Возможно замещение отказов по безопасности отказами по безотказности. В частности, при проектировании ЭС не всегда удается исключить превышение предельно допустимых концентраций вредных веществ. Иногда в весьма короткие периоды времени могут создаваться аномально опасные условия загрязнения воздуха, когда концентрации вредных веществ в приземном слое воздуха резко возрастают, например, при наличии приподнятых инверсий, расположенных непосредственно над дымовыми трубами тепловых электростанций, и ослаблении ветра до штиля. Для предотвращения резкого возрастания концентрации вредных веществ в приземном слое воздуха планируются различные режимы работы электростанций вплоть до полного отключения в особо опасные периоды котлов, работающих на высокосернистом и высокозольном топливе.

Повышение безопасности не всегда приводит к повышению безотказности. Могут быть такие случаи, когда повышение безопасности может привести к некоторому снижению безотказности. Так, например, отказы систем обеспечения безопасности атомных электрических станций (АЭС) могут быть причиной аварийных отключений генерирующего оборудования.

Не все перерывы электроснабжения потребителей представляют собой опасность для людей и окружающей среды, например, отключение потребителей третьей категории. На рис. 1.6 этому множеству соответствует не заштрихованная область множества возмущений А.

Соотношение проблем обеспечения надежности электроснабжения и безопасности ЭС показано на рис. 1.7.

 

 

Рис. 1.7. Соотношение проблем обеспечения надежности электроснабжения и безопасности ЭС

      Таким образом, причины, влияющие факторы и средства обеспечения соответственно безотказности и живучести, безотказности и безопасности, безопасности и живучести могут отличаться друг от друга. Вместе с тем, резервирование является одним из основных средств обеспечения как безотказности, так и режимной управляемости, живучести и безопасности.