rcd_03.pdf

Katedra Elektroenergetyki

Politechnika Gdaıska

W artykule podkreĻlono, Ňe niezawodnoĻę wyþĢcznikw rŇnicowoprĢdowych jest najwaŇniejszym problemem zwiĢza-

nym z doskonaleniem ich konstrukcji i technologii produkcji, a takŇe z ich stosowaniem i zasadami nadzoru w eksplo-

atacji. Zakrojone na wielkĢ skalħ w licznych krajach Ļwiata wieloletnie badania zawodnoĻci wyþĢcznikw w rzeczywi-

stych warunkach uŇytkowania nadal wykazujĢ trudny do zaakceptowania odsetek aparatw niesprawnych. Przedsta-

wiono rŇnorodne dziaþania podejmowane bĢdŅ zamierzone na poziomie norm przedmiotowych i konstrukcji wyþĢczni-

kw oraz przepisw budowy i przepisw eksploatacji instalacji, zmierzajĢce do znaczĢcej poprawy parametrw nieza-

wodnoĻciowych wyþĢcznikw rŇnicowoprĢdowych, ktrych wþaĻciwoĻci ochronne sĢ nie do przecenienia, wszakŇe

pod warunkiem, Ňe wyþĢczniki pozostajĢ sprawne.

Przez niezawodnoĻę aparatu elektrycznego lub innego urzĢdzenia rozumie siħ zdolnoĻę do

poprawnego wypeþniania przypisanych mu funkcji, speþniania stawianych mu wymagaı, w okre-

Ļlonym czasie i w okreĻlonych warunkach sieciowych oraz Ļrodowiskowych. Pojħcie niezawodno-

Ļci i wszelkie jego liczbowe wskaŅniki sĢ zwiĢzane z okreĻlonym zadaniem i utrzymaniem mierzal-

nych parametrw w przepisanych granicach, z okreĻlonymi warunkami dziaþania i z okreĻlonym

przedziaþem czasowym.

NiezawodnoĻę jest jednĢ z cech okreĻlajĢcych jakoĻę aparatw, cechĢ o tyle kþopotliwĢ, Ňe

peþna, udokumentowana jej ocena jest moŇliwa dopiero w wyniku dþugotrwaþych badaı i to na

prbce o duŇej liczebnoĻci; decyduje wartoĻę iloczynu liczebnoĻci prbki i czasu badaı statystycz-

nych. Nie ma czasu na tak zakrojone badania przy wdraŇaniu do produkcji nowego wyrobu i z ko-

niecznoĻci poprzestaje siħ na prbach skrconych: obowiĢzkowych, przepisanych normami i ewen-

tualnie fakultatywnych, podejmowanych z inicjatywy konstruktora albo technologa. Czy i na ile sĢ

one miarodajne, zaleŇy od programu prb, przyjħtych kryteriw oceny wynikw oraz kompetencji

i intuicji ekspertw, ktrzy te wyniki oceniajĢ.

Liczbowej oceny niezawodnoĻci dokonuje siħ w oparciu o wartoĻci zespoþu wielkoĻci defi-

niowanych probabilistycznie i charakteru ich rozkþadu losowego. Chodzi o takie wielkoĻci, jak

wskaŅnik zawodnoĻci lub wskaŅnik niezawodnoĻci, intensywnoĻę uszkodzeı, trwaþoĻę zapewniona,

Ļredni czas pracy do uszkodzenia bĢdŅ Ļredni czas pracy miħdzy uszkodzeniami. Praktyczne wyko-

rzystywanie matematycznych metod analizy bĢdŅ prognozowania niezawodnoĻci wymaga opero-

wania wartoĻciami liczbowymi parametrw niezawodnoĻciowych, ktre pochodzĢ z doĻwiadczenia,

z obserwacji urzĢdzeı w eksploatacji. OtŇ te dane liczbowe, uzyskane choęby najbardziej popraw-

nie i uczciwie dotyczĢ:

prbki jednorodnej, wyþĢcznikw okreĻlonej generacji, o okreĻlonej koncepcji konstrukcyjnej,

wyprodukowanych w okreĻlonym reŇimie technologicznym i przy okreĻlonych zasadach kon-

troli jakoĻci,

wyþĢcznikw dobranych oraz instalowanych z zachowaniem okreĻlonych zasad wiedzy tech-

nicznej, przy przestrzeganiu okreĻlonych przepisw,

wyþĢcznikw uŇytkowanych w okreĻlonych warunkach sieciowych (naraŇenia zwarciowe, nara-

Ňenia przepiħciowe) i okreĻlonych naraŇeniach Ļrodowiskowych (wilgoę, woda, atmosfera koro-

zyjna, zapylenie, drgania i wstrzĢsy, kultura techniczna uŇytkownikw),

wyþĢcznikw podlegajĢcym okreĻlonym czynnoĻciom kontrolnym i okresowemu badaniu stanu

technicznego bĢdŅ nie poddawanym takim zabiegom.

Bezkrytyczne przenoszenie wartoĻci liczbowych parametrw niezawodnoĻciowych nawet

tych samych urzĢdzeı do innego kraju, o innym klimacie, o innym poziomie kultury technicznej,

moŇe sprawię, Ňe wyniki oceny nie bħdĢ przedstawiaþy wiħkszej wartoĻci.

Wielka jest pokusa operowania wartoĻciami liczbowymi, choęby szacunkowymi, i przetwa-

rzania tych danych metodami, jakie oferuje z . Nie naleŇy tego ograni-

czaę do opisu rzeczywistoĻci, ale trzeba teŇ wykorzystywaę do prognozowania i ksztaþtowania nie-

zawodnoĻci. Wielce pomocna okazuje siħ zz , analiza fizykalnych przyczyn

rŇnych uszkodzeı i zakþceı, prowadzĢca do zrozumienia ich pierwotnych przyczyn i mechani-

zmu procesw destrukcyjnych, a w nastħpstwie do wþaĻciwych Ļrodkw zaradczych zmieniajĢcych

poziom parametrw niezawodnoĻciowych kolejnych generacji urzĢdzeı.

Od wyþĢcznika rŇnicowoprĢdowego, podobnie jak od innego urzĢdzenia ochronnego bĢdŅ

zabezpieczajĢcego, wymaga siħ, aby skutecznie interweniowaþ, ilekroę zachodzi potrzeba, i aby nie

interweniowaþ zbħdnie, bez waŇnego powodu, zwþaszcza jeŇeli jest to zwiĢzane z wyþĢczeniem

chronionego obwodu, z przerwĢ w jego dziaþaniu. Inaczej mwiĢc, wymaga siħ jak najmniejszej

intensywnoĻci (wzglħdnej czħstoĻci) zarwno zz , jak i zzz .

Od pierwszych lat stosowania wyþĢcznikw rŇnicowoprĢdowych kwestia ich niezawodnoĻci

budziþa najwyŇsze zainteresowanie, byþa uznawana za problem fundamentalny, pierwszoplanowy.

Od kilkudziesiħciu lat prowadzi siħ pogþħbione badania in situ , tzn. w miejscu zainstalowania,

w rzeczywistych warunkach uŇytkowania, czasem uzupeþnione badaniami laboratoryjnymi zdemon-

towanych niesprawnych wyþĢcznikw, aby rozpoznaę fizykħ uszkodzeı, a nie tylko je odnotowy-

waę. Takie badania, prowadzone w rŇnych krajach Ļwiata, objħþy juŇ þĢcznie ponad milion wy-

þĢcznikw. StanowiĢ impuls do doskonalenia konstrukcji i technologii produkcji wyþĢcznikw, do

nowego spojrzenia na zasady ich stosowania i uŇytkowania, nawet do formuþowania pewnych ogra-

niczeı odnoĻnie do zakresu ich stosowania w obawie przed skutkami zadziaþaı zbħdnych. Poziom

niezawodnoĻci wspþczesnych wyþĢcznikw wcale nie jest lepszy niŇ tych sprzed 40 laty, a nawet

bywa gorszy. Nadal jest uwaŇany wĻrd specjalistw za problem palĢcy, wymagajĢcy radykalnych

Ļrodkw poprawy.

Bodaj jedynym krajem, w ktrym wyþĢczniki rŇnicowoprĢdowe sĢ stosowane na duŇĢ skalħ

i cieszĢ siħ nieskazitelnĢ opiniĢ absolutnie niezawodnych, jest Polska. Na forach internetowych i na

szkoleniach o niezawodnoĻci wyþĢcznikw wypowiadajĢ siħ samonominowani specjaliĻci, gþħboko

przekonani o ich ábezawaryjnoĻciÑ, bo Ňadnych statystyk zawodnoĻci nie widzieli i widzieę nie

chcĢ, swoje wiedzĢ, sami z siebie. Przytoczone dalej wyniki waŇniejszych zagranicznych badaı

statystycznych i zwiĢzane z nimi wnioski ekspertw sĢ zatem przeznaczone dla czytelnikw zainte-

resowanych prawdziwym opisem rzeczywistoĻci, choęby byþ on odlegþy od ich wczeĻniejszych wy-

obraŇeı i zmuszaþ do rewizji poglĢdw.

JednĢ z miar zawodnoĻci jest zz l( t ), ktrĢ moŇna interpretowaę jako

stosunek szybkoĻci uszkadzania siħ wyþĢcznikw d n ( t )/d t do liczby wyþĢcznikw [ N - n ( t )], dziaþa-

jĢcych poprawnie w badanym przedziale czasu d t . Obliczenia moŇna uproĻcię do skoıczonych

przyrostw liczby uszkodzonych wyþĢcznikw D n oraz czasu D t . JeŇeli zachodzi nierwnoĻę

D n << N , to liczba wyþĢcznikw dziaþajĢcych poprawnie w badanym przedziale czasu D t jest

w przybliŇeniu rwna pierwotnej liczebnoĻci ich populacji N . Prowadzi to do wyniku:

)

(

)

(1)

(

)

(

)

W urzĢdzeı o zþoŇonej budowie, kiedy dominujĢ uszkodze-

nia losowe elementw z przyczyn zewnħtrznych, intensywnoĻę uszkodzeı na ogþ moŇna uwaŇaę

za staþĢ w czasie: l( t ) = const. Inaczej jest w (rys. 1), zwanym teŇ

okresem adaptacji, kiedy ujawniajĢ siħ wady wrodzone wyrobu i kiedy odbywa siħ jego ádociera-

nieÑ i áodpluskwianieÑ (ang. debugging ), na przykþad poprzez dostatecznie dþugi ruch prbny. Ina-

czej jest teŇ w z , koıcowym etapie trwaþoĻci urzĢdzenia, kiedy ujawniajĢ siħ efekty

kumulacji zmian starzeniowych.

okres

adaptacji

okres normalnej eksploatacji

okres zuŇycia

l const

Rys. 1. Przykþad zmiennoĻci intensywnoĻci uszkodzeı l w rŇnych okresach eksploatacji

Przy wspomnianym zaþoŇeniu (l = const) z P ( t ), nazywana teŇ funkcjĢ

przeŇycia, obrazujĢca prawdopodobieıstwo zdatnoĻci funkcjonalnej obserwowanych wyþĢcznikw

w chwili t ma postaę:

(

)

ȹt

(2)

zz ma wtedy przebieg wykþadniczy, jest

wykþadniczo zaleŇna od czasu eksploatacji:

(

)

(

)

(

ȹt

)

ȹt

(3)

a zz wyþĢcznikw w funkcji czasu wynikajĢca z oglnej zaleŇnoĻci:

(

)

ȹe

ȹt

(

)

(4)

(

)

ȹt

okazuje siħ niezmienna w rozpatrywanym czasie normalnej eksploatacji. Caþkowite pole pod wy-

kresem funkcji niezawodnoĻci P ( t ) jest to zzzz :

(

)

ȹt

(5)

Przy zaþoŇeniu wykþadniczego przebiegu funkcji għstoĻci prawdopodobieıstwa uszkodzeı

oczekiwany (Ļredni) czas pracy wyþĢcznika T , Ļredni czas jego zdatnoĻci funkcjonalnej jest po pro-

stu odwrotnoĻciĢ intensywnoĻci uszkodzeı l, wyraŇonej w rwnowaŇnych jednostkach. Na przy-

kþad, jeŇeli intensywnoĻę uszkodzeı wynosi: l = (5È10)µ10 -3 a -1 , to Ļredni czas poprawnej pracy

wynosi T = 1/l = 200È100 a. Ten wynik moŇna by uznaę za doskonaþy, bardzo optymistyczny,

gdyby zapomnieę, Ňe dotyczy on wartoĻci Ļredniej i dotyczy urzĢdzeı zapewniajĢcych bezpieczeı-

stwo. Czas, o ktrym mowa w skali miħdzynarodowej nazywa siħ i interpretuje dwojako:

MTTF - Ļredni czas do uszkodzenia (ang. mean time to failure ) w przypadku elementw i urzĢ-

dzeı nienaprawialnych,

MTBF - Ļredni czas miħdzy uszkodzeniami (ang. mean time between failures ) w przypadku

elementw i urzĢdzeı naprawialnych.

WyþĢczniki rŇnicowoprĢdowe naleŇĢ do pierwszej grupy, bo poza drobnymi uszkodzeniami

(stykw gþwnych, rezystora czþonu kontrolnego) nie podlegajĢ naprawom przez uŇytkownikw.

Z kolei z , czyli prawdopodobieıstwo niezdatnoĻci funkcjonalnej wyþĢcz-

nikw w chwili t , jest dopeþnieniem do jednoĻci funkcji niezawodnoĻci, bo chodzi o ukþad zupeþny

zdarzeı:

(

)

(

)

(6)

W przypadku maþych przedziaþw czasu D t , kiedy zachodzi warunek l D t << 1, moŇna posþu-

giwaę siħ prostĢ zaleŇnoĻciĢ:

Q ( t ) l D t

(7)

WielkoĻę tħ na ogþ wyraŇa siħ w procentach. Oznacza ona prawdopodobieıstwo uszkodzenia

w czasie D t , oznacza wartoĻę oczekiwanĢ odsetka wyþĢcznikw, ktre ulegajĢ uszkodzeniu w roz-

patrywanym przedziale czasu D t (ang. failure quota ).

IntensywnoĻę uszkodzeı wyraŇa siħ odwrotnoĻciĢ jednostek czasu: [a -1 ] lub [h -1 ]. Aby ope-

rowaę porħcznymi liczbami, a nie drobnymi uþamkami, w literaturze aparatowej wyraŇa siħ jĢ rw-

nieŇ w fitach (ang. failure in time ), przy czym 1 fit = 10 -9 h -1 (jedno uszkodzenie na jeden miliard

elemento-godzin pracy).

Na przykþad, jeŇeli w populacji tysiĢca wyþĢcznikw rŇnicowoprĢdowych ( N = 1000) rocz-

nie ( t = 1 a) uszkadza siħ ich n = 5...10, to przy liczbie godzin w roku 8760 h/a intensywnoĻę

uszkodzeı wynosi:

(5...10)

(570...114

= -

(570...114

fit

(8)

1000

JeĻli te wyþĢczniki nie podlegajĢ okresowym badaniom kontrolnym, pozwalajĢcym wymienię

lub naprawię uszkodzone egzemplarze, to po 10 latach uŇytkowania wartoĻę oczekiwana odsetka

niesprawnych wyþĢcznikw wynosi:

100

(5...10)

100

(5...10)

(9)

Rys. 2. Odsetek niesprawnych wyþĢcznikw rŇnicowoprĢdowych w zaleŇnoĻci od ich intensywnoĻci

uszkodzeı (w fitach) i czasu trwania eksploatacji (w latach)

Na rys. 2 przedstawiono, jak ksztaþtuje siħ odsetek uszkodzonych wyþĢcznikw (w procen-

tach obserwowanej populacji) w zaleŇnoĻci od ich intensywnoĻci uszkodzeı (w fitach) i czasu eks-

ploatacji (w latach). Poszczeglne krzywe dotyczĢ, idĢc od doþu: 2 - 5 - 10 - 20 -30 lat eksploata-

cji. Przy osi odciħtych wartoĻciom intensywnoĻci uszkodzeı przypisano jakoĻę wyþĢcznikw jako

miarħ ich niezawodnoĻci: od doskonaþej (100300 fitw) do niezadowalajĢcej (ponad 1200 fitw).

Ta kwalifikacja wynika z aktualnych poglĢdw na poŇĢdanĢ i rzeczywiĻcie osiĢganĢ niezawodnoĻę

wyþĢcznikw rŇnicowoprĢdowych.

Przykþadem wdroŇenia takiego rozumowania do interpretacji wynikw badaı eksploata-

cyjnych jest rys. 3. Przedstawiono na nim wyniki badaı przeprowadzonych w Austrii w latach

1989-1991, gþwnie (80 %) w instalacjach mieszkaniowych. Badano wyþĢczniki rŇnicowoprĢdowe

zainstalowane w latach 19711990, okreĻlajĢc odsetek wadliwych w procentach oraz intensywnoĻę

uszkodzeı w fitach. Badania objħþy 3231 wyþĢcznikw, wĻrd ktrych wykryto 207 wadliwych, co

daje Ļredni odsetek niesprawnych 6,4 %, przy czym stwierdzono rozpiħtoĻę tego wyniku na obsza-

rach czterech spþek dystrybucyjnych od 3,8 % (Burgenland), poprzez 5,9 % (Steiermark) i 7,5 %

(Austria Grna) do 8,3 % (Wiedeı).

9,3 %

(816 fit)

8,9 %

(564 fit)

4,1 %

(586 fit)

3,0 %

(1141 fit)

1971-1975

1976-1980

1981-1985

1986-1990

Rys. 3. Wyniki badania w Austrii [1] w latach 1989-1991 zawodnoĻci 3231 wyþĢcznikw zainstalowanych

w latach 19711990 - odsetek wadliwych w procentach oraz intensywnoĻę uszkodzeı w fitach

Rok produkcji i zainstalowania

Rwnolegle wykonywane podobne badania w Niemczech, dotyczĢce tych samych przedzia-

þw czasowych, daþy korzystniejsze wnioski (rys. 4). WĻrd badanych 11 000 wyþĢcznikw rŇni-

cowoprĢdowych wykryto 274 uszkodzone, co daje Ļredni odsetek niesprawnych 2,5 %. Stwierdzo-

na intensywnoĻę uszkodzeı, zbliŇona do 400 fitw, kwalifikuje badane wyþĢczniki do grupy o do-

brej jakoĻci (rys. 2).

6,9 %

(437 fit)

4,6 %

(404 fit)

1,7 %

(242 fit)

1,1 %

(418 fit)

1971-1975

1976-1980

1981-1985

1986-1990

Rys. 4. Wyniki badania w Niemczech [3] w latach 1989-1991 zawodnoĻci 11 000 wyþĢcznikw zainstalo-

wanych w latach 19711990 - odsetek wadliwych w procentach oraz intensywnoĻę uszkodzeı w fitach

Rok produkcji i zainstalowania

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: