Надійність роботи електрообладнання та показник MTBF
| Найважливішою характеристикою будь-якого електроустаткування, зокрема трансформаторів, є надійність його роботи. Тим паче цей показник важливий для системи енергозабезпечення міста, області чи країни. |
Для забезпечення безперебійного функціонування електротехнічних підприємств часто використовується методика складання звітів користувача з детальною статистикою з обладнання та груп обладнання. При цьому розраховуються такі параметри, як: простої обладнання; • вартість технічного обслуговування обладнання; • коефіцієнт використання устаткування; • середнє напрацювання на відмову; • середній період між ремонтами; • фактичний знос обладнання; • прогноз повного зносу; • інші показники.
Такий підхід дозволяє налагодити облік та технічне обслуговування виробничого обладнання, перейти від аварійного до планово-попереджувального технічного обслуговування, а також отримати інформацію для розслідування причин відмов, налагодити матеріально-технічне постачання робіт, вести планування людських, матеріальних та енергетичних ресурсів.
Завдяки цьому підприємство може продовжити термін експлуатації виробничого обладнання, скоротити простої, пов'язані з відмовими, підвищити продуктивність праці.
Це особливо важливо для таких підприємств, наприклад, як енергопостачальна компанія, для яких позапланова зупинка обладнання означає велику аварію та знеструмлення десятків населених пунктів. Найважливішим параметром для визначення термінів проведення регламентних та ремонтних робіт є показник «середнє напрацювання обладнання на відмову» - Тер. Тобто. час, протягом якого відмовляє половина цього устаткування. Цей показник буде різним длярізного устаткування і зменшується зі зростанням складності устаткування. Для визначення Тер використовуються складні розрахунки, що враховують склад даного пристрою та надійність його складових частин.
Тер = 1 / X , де X - ймовірність безвідмовної роботи виробу [1/год] і, для різних елементів, що має величину порядку 0,1. 25х
Останнім часом для опису характеристик надійності того чи іншого пристрою (навіть таких простих, як DC/DC-перетворювач, мережеве джерело живлення тощо) широко використовують показник MTBF.
Показник MTBF
Спочатку показник MTBF (Mean Time Between Failure) - у прямому перекладі «середній час напрацювання на відмову»(не плутатися з Тер!) був введений для характеристики надійності комп'ютерних систем. Оскільки проводити розрахунки надійності системи, що включає багато сотні і навіть тисячі компонентів, досить складно, то був запропонований спрощений емпіричний підхід для визначення їх надійності. Виробники комп'ютерних компонентів, а тепер найчастіше і виробники електротехнічних виробів, як правило, визначають їхню надійність на підставі випробувань партії виробів за такою формулою:
MTBF = TxN/No, де Т - час проведення випробувань; N - кількість випробуваних виробів; No - кількість виробів, що вийшли з експлуатації.
Наприклад, якщо випробовувалось 100 виробів протягом місяця і за цей час 10 з них вийшло з ладу, то MTBF дорівнюватиме 10 місяцям. Тобто. передбачається, що через 10 місяців усі вироби вийдуть із ладу. У цій спрощеній формулі закладено основні недоліки методики визначення MTBF. 1. Саме поняття MTBF відбиває зовсім не те, що випливає з його назви – «середній час напрацювання на відмову». Реальний середній час напрацювання на відмову складаєлише половину MTBF, оскільки за визначенням за час MTBF усі вироби вийдуть з ладу. Так, у розглянутому вище прикладі цей «середній час» буде не 10 місяців, а п'ять, оскільки в середньому всі екземпляри виробу пропрацюють не 10 місяців, а наполовину менше. 2. Методика розрахунку MTBF передбачає, що кількість відмов у одиницю часу завжди протягом усього терміну експлуатації. Насправді це, звичайно, зовсім не так. Насправді крива відмов має вигляд, показаний малюнку 1.
Малюнок 1 – Крива відмов
У зоні 1 виявляються відмови виробів, що мають дефекти виготовлення. Тут відмов багато. У зоні 2 (отt1 до t2) кількість відмов у одиницю часу постійно. У зоні 3 починають виявлятися зносові відмови. Як бачимо, тільки в зоні 2 відмови викликаються випадковими факторами, і їхня кількість постійно в одиницю часу. Однак виробники електроустаткування поширюють цю зону на весь термін експлуатації вироблених ними пристроїв. Але реальна статистика відмов протягом усього терміну експлуатації підтверджує, що ця теоретична модель розрахунку MTBF є далекою від дійсності. 3. Показник MTBF не пов'язані з часом t2, але це найважливіший показник надійності роботи системи. При досягненні часу t2 необхідно вивести обладнання з експлуатації та провести регламентні роботи або замінити обладнання на нове. Інакше надійність роботи системи при переході в зону 3 різко зменшиться. Таким чином, MTBF, який заявляється виробником (якщо він чесно зробив тестування своїх виробів), - це час, протягом якого виріб вийде з ладу зі 100% ймовірністю. Тобто. вже тут очевидним є прагнення фірм - виробників ввести споживача в оману, збільшуючи вдвічі цифру, що характеризуєчас безвідмовної роботи виробу.
На малюнку 2 наведено співвідношення між MTBF та PPM для деяких виробів. На малюнку шкала MTBF наведена в годиннику, а шкала PPM - у відмови на мільйон.
Рисунок 2 – Співвідношення між MTBF та PPM
Крім того, що показник MTBF є емпіричним, нині існує кілька методик його розрахунку. Найчастіше використовують розрахунок за методиками IEC61709, MIL-STD 217F або MIL-HDBK 217F. Тонкість тут у тому, що для того самого пристрою, наприклад DC/DC-перетворювача, показник MTBF, розрахований за різними методиками може відрізнятися більш ніж в 10 разів. Це саме по собі наводить на думку про недосконалість способу визначення надійності пристрою шляхом обчислення MTBF.
Методика розрахунку MTBF
Розглянемо стандартний опис методики розрахунку MTBF, наприклад силових трансформаторів за методикою MIL-STD 217F, який наводять виробники цього обладнання. 1. Реєструється дата включення кожного трансформатора. 2. Від цієї дати забирається 30 днів для компенсації часу опрацювання. 3. Помножуємо кількість трансформаторів на кількість відпрацьованих днів (-30) та множимо на 24 години на добу. Кількість годин роботи ділимо на кількість трансформаторів, котрі відмовили за час випробувань. 4. Помножуємо отримане значення на 0,95, щоб врахувати включені трансформатори, тобто. трансформатори, що перебувають у ремонті чи резерві.
Розрахунок проводиться за такою формулою:
де N1, N2, N3 - кількість включених трансформаторів; Dl, D2, D3 - число днів роботи; 30 - число днів, що відводяться на опрацювання; 0,95 - фактор компенсації для непрацюючих трансформаторів (у ремонті, складі тощо); 24 - число годин на добу; Nf- кількість трансформаторів, котрі відмовили під час випробувань.
Приклад: • 50 трансформаторів випробовували 360 днів; • 30 трансформаторів зазнавали 250 днів; • 20 трансформаторів зазнавали 200 днів. • під час випробувань відмовив один трансформатор. Зробивши розрахунки, отримаємо MTBF, рівний 604200 годин або 69 рокам.
На закінчення опис методики розрахунку, як правило, наводиться така фраза: «Цей метод розрахунку є емпіричним і, наскільки нам відомо, не описаний в будь-яких стандартах».
Як ставитися до заявляється виробниками MTBF?
Вказуючи в технічній документації те чи інше значення MTBF, виробники електротехнічного обладнання часто не замислюються, що цифра, що вказується ними, в багато мільйонів годин суперечить не тільки законам фізики, але й здоровому глузду. Справді, MTBF, рівний 2,5 млн. годин, означає, що пристрій повністю пропрацювати 285 років. Зрозуміло, що ця цифра абсурдна: за такий термін не тільки проіржавіє корпус трансформатора, а й його обмотки перетворяться на порох. У той же час, виробники електротехнічних виробів часто заявляють MTBF своїх виробів, що дорівнює 3 і навіть 3,5 млн. годин. Причому такі результати вони отримують під час чесних випробувань своїх виробів за наведеною вище методикою. У чому тут річ? Очевидно, що в самій спрощеній методиці визначення надійності, що має дуже вузькі межі застосування. Справді, як можна на підставі 3- або навіть 9-місячних випробувань виробу стверджувати, що він пропрацює 200 років?
Розрахунок надійності електрообладнання - це складний і копіткий процес, пов'язаний з аналізом внутрішньої структури пристрою, з урахуванням характеристик компонентів, що використовуються в ньому, з урахуванням напруженості режиму роботикожній із складових частин пристрою і т.д. Також слід враховувати різко обмежений термін служби деяких компонентів виробу. При визначенні MTBF це ігнорується.
Так про що говорить той факт, що заявляється виробником MTBF у трансформатора 1 дорівнює 2 млн. годин, а у трансформатора 2 - 1 млн. годин? Тільки про те, що в деякій зоні роботи трансформатора, після 100. 300 годин приробітку, але до 5. 30 тис. годин роботи (тобто до початку зносових відмов), ймовірність відмови трансформатора 1 буде нижче. Але тільки за умови, що обидва трансформатори зібрані на одній і тій же елементній базі і мають схоже схемне рішення.
Таким чином, MTBF придатний тільки для порівняння однорідної продукції одного і того ж виробника і тільки іноді може бути використаний для порівняння аналогічної продукції різних виробників за умови, що вона тестувалася в однакових умовах. Але в будь-якому випадку MTBF нічого не говорить про середнє напрацювання виробу на відмову Тср і значення t2 . Відповідно, використання MTBF для розрахунків надійності функціонування електроустаткування виглядає більш ніж сумнівно. Для вирішення завдань, про які йшлося на початку статті, слід використовувати Тер, а не MTBF.