Scariche - UniversiBO

Capitolo 1
Introduzione
Obiettivo
Introdurre i concetti di qualità, affidabilità, disponibilità e manutenibilità.
Capitolo 1. 25-01-2007
Mostrare i metodi della teoria dell’affidabilità e la necessità dell’analisi
statistica.
Fornire una sintetica panoramica sulla manutenzione basata sul tempo e
sulla condizione, evidenziando il ruolo della diagnostica.
Guasto (failure)
Guasto: cessazione dell’attitudine di un dispositivo/sistema ad adempiere alla
funzione richiesta
Effetto di fenomeni chimici o fisici che portano ad una degradazione delle
prestazioni (usura)
Maggiore lo stress (temperatura, campo elettrico, ecc.) maggiore è la
velocità con cui si usura il sistema
Tempo al guasto: time-to-failure, time-to-end-point, time-to-breakdown, life
Capitolo 1. 26-01-2006
Il tempo al guasto è incerto (aleatorio): per trattare il guasto di un sistema
occorre ragionare in termini probabilistici.
Per ridurre il rischio (probabilità) di guasto:
Manutenzione preventiva (sostituzione ad intervalli di tempo prestabiliti)
Manutenzione predittiva: si valuta lo stato del sistema
Questo tipo di approccio, se fatto bene, riduce il rischio (probabilità) di
guasto.
2
Classificazione dei guasti
Impiego improprio
Deficienza intrinseca (controllo di qualità)
Usura (prove di vita, previsione affidabilità)
Indotti (provocati dal guasto di qualche altro dispositivo)
Primari (non provocati dal guasto di qualche altro dispositivo)
Capitolo 1. 26-01-2006
Critici (danno alle persone)
Di primaria importanza (riduce funzionalità sistema)
Di secondaria importanza (non riduce funzionalità sistema)
Totali (cessazione totale del servizio)
Parziali (degradazione delle prestazioni)
Intermittenti (successioni di stati di guasto/funzionamento)
Progressivi (diagnostica possibile)
Improvvisi (diagnostica impossibile)
3
Affidabilità: parole chiave
CONFORMITÁ: capacità di un dispositivo/sistema di adempiere alla funzione
richiesta
QUALITÁ: conformità in t=0
AFFIDABILITÁ: conformità in t>0, dispositivi/sistemi non riparabili
Matematicamente, probabilità di trovare il sistema in funzione al
tempo t
Deve calare nel tempo: effetto dell’usura
Capitolo 1. 26-01-2006
Affidabilità … tutti parlano in termini generici di affidabilità, ma cosa si intende
esattamente con tale termine?
L’affidabilità è una funzione del tempo
Essa può essere valutata mettendo in servizio un lotto di
dispositivi/componenti e registrando i tempi di rottura
Come esattamente?
4
Capitolo 1. 26-01-2006
Affidabilità, R: definizione empirica
Attenzione: se ripeto l’esperimento più volte I tempi di rottura non sono mai gli
stessi, quindi R(t) non è mail la stessa: DEVO UTILIZZARE STRUMENTI COME
TEORIA DELLA PROBABILITA’ ED INFERENZA STATISTICA
5
Affidabilità, R: definizione empirica
La funzione di affidabilità varia
in funzione delle condizioni
operative: più alto lo stress
minore l’affidabilità ad un
tempo prefissato
Capitolo 1. 26-01-2006
Affidabilità: definizione completa
Probabilità che un componente/sistema funzioni correttamente
• al tempo t
Missione
• in determinate condizioni operative
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Il sistema della qualità
Controlli di produzione
Qualità
(t=0)
Prove di tipo
Collaudi
Prove di accettazione
Prove di mantenimento della qualità
Certificazione della qualità (ISO 9000 – 9001 …)
Conformità
Di lunga durata
Capitolo 1. 26-01-2006
Prove di vita
Affidabilità
(t>0)
Accelerate
Prove di verifica dell’affidabilità
7
Teoria dell’affidabilità: scomposizione funzionale
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Studio teorico dell’affidabilità
Capitolo 1. 26-01-2006
Scomposizione funzionale del sistema in componenti elementari
Valutazione di funzioni/parametri caratteristici di componenti elementari
(statistica) in base a prove di laboratorio e/o ritorni dal campo.
Affidabilità dei sistemi complessi (metodologie probabilistiche)
probabilistiche
8
Capitolo 1. 26-01-2006
Teoria dell’affidabilità: scomposizione funzionale
9
Teoria dell’affidabilità: scomposizione funzionale
Capitolo 1. 26-01-2006
Isolamento di generatore sincrono
Isolamento
verso massa
Sistema di gradatura del
campo nelle testate
Semiconduttivo
di cava
Sistemi di
raffreddamento
Sistemi contro le vibrazioni
meccaniche delle testate
Sistemi di
fissaggio delle
sbarre/bobine in
cava
Apparentemente più semplice…
10
Teoria dell’affidabilità: scomposizione funzionale
Testata di un turboalternatore affetto
da scariche parziali (SP) fra le fasi.
Scariche parziali: degradazione
Capitolo 1. 26-01-2006
•Fisica (energia rilasciata dalla
scarica)
•Chimica (aggressione
dell’isolante da parte dell’ozono
rilasciato dalla scarica stessa)
In quanto tempo le SP portano al
guasto?
Incerto, dipende da:
• Realizzazione impregnazione
•Condizioni atmosferiche
•Punto di lavoro (tensione ai
morsetti)
•Sforzi meccanici →
deformazione testate
Attenzione, l’incertezza si propaga: dal
componente (sistema isolante turbo) ai sistemi
via via più complessi (turboalternatore,
centrale elettrica, sistema elettrico nazionale)
11
Teoria dell’affidabilità: il ruolo della statistica
Problema: come calcolo parametri/funzioni di componenti elementari?
1. Isolamento verso massa
2. Sistemi di gradatura
3. Semiconduttivo di cava
Metodologia: osservazione di risultati sperimentali:
Prove di vita
Esperienza di servizio
Capitolo 1. 26-01-2006
Numero di osservazioni limitato: campione
Come estendere il risultato a tutti i possibili componenti che possono essere prodotti
(popolazione)?
Inferenza statistica: da campione a popolazione
12
Teoria dell’affidabilità: il ruolo della statistica
Calcolo delle probabilità:
composizione di funzioni e
parametri affidabilistici
ELEMENTO - COMPONENTE
SISTEMA
Statistica: stima dei parametri
e degli intervalli di confidenza
per l’intera popolazione
Capitolo 1. 26-01-2006
METODO SPERIMENTALE
Prove/osservazioni in servizio su
campioni (pochi componenti).
Obiettivo: ricavare una STIMA del
valore vero del parametro affidabilistico
relativo alla popolazione
Attenzione: se cambia lo stress
cambia il comportamento del
componente.
Metodologie per valutare come si
modifica il comportamento (modelli
di vita) al 3°anno, Componenti e
Tecnologie Elettriche L
13
Teoria dell’affidabilità: il ruolo della statistica
Popolazione
Tutti i
componenti
che saranno
prodotti
en
Esperim
to 1 X , X , ……X
11
12
1n
Esperimento 2 X , X , ……X
21
22
2n
Esp
eri
me
nto
Esempio:
Esempio tempi al guasto di
un dato componente (prova
distruttiva)
Grandezze osservate
(variabili aleatorie VA)
m
Xm1, Xm2, ……Xmn
Esperimento aleatorio: i valori assunti dalla VA (Xk1, Xk2…) saranno in genere
diversi al variare di k.
Capitolo 1. 26-01-2006
Problema della stima statistica:
Si vuole determinare un parametro, ad esempio, il tempo medio fra due guasti
MTTF.
Sono disponibili i risultati di un singolo esperimento aleatorio (tempi al guasto di
n dispositivi X1, ….Xn)
Obiettivo: ottenere il maggior numero di informazioni rispetto a MTTF, cioè il
valore più plausibile e l’incertezza con cui conosciamo questo valore
14
Statistica
Funzioni della statistica:
Stimare (cioè, fornire un valore
plausibile) un parametro θ
(esempio MTTF)
$
Minimizzare incertezza
!
%
Capitolo 1. 26-01-2006
Quantificare incertezza
"
!
!
15
Parole chiave (2)
AFFIDABILITÁ: conformità in t>0, dispositivi/sistemi non riparabili
Matematicamente, probabilità di trovare il sistema in funzione al tempo t
DISPONIBILITÁ: conformità in t>0, sistemi riparabili
Matematicamente, probabilità di trovare il sistema in funzione al tempo t
Fattori che influenzano la disponibilità:
Capitolo 1. 26-01-2006
Affidabilità dei componenti
Struttura del sistema
Manutenzione (incremento affidabilità)
Manutenibilità (velocità di manutenzione e/o riparazione/ripristino)
16
Sistema riparabile: cicli casuali
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Capitolo 1. 26-01-2006
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17
Sistema riparabile: il ciclo medio
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Capitolo 1. 26-01-2006
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18
Danno economico
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Capitolo 1. 26-01-2006
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+
19
Incidenza dei guasti e costo sociale
Impianti tecnologicamente evoluti (alto valore
aggiunto) sono particolarmente sensibili ai
guasti
Lungo tempo per ripresa servizio
Forti perdite economiche
Riduzione redditività
Perdita competitività
Servizi
Server farms
Estrusori plastica
Raffinerie
Generatori elettrici
ecc
Capitolo 1. 26-01-2006
Guasti esterni all’impianto (qualità dell’energia):
Interruzioni di breve e lunga durata
Buchi di tensione
Armoniche
20
Minimizzazione dei guasti e dei costi
'"
Capitolo 1. 26-01-2006
MTTF
MTTR
Tecniche di incremento
dell’ affidabilità
Progettuale
Manutenzione
Tecniche di incremento
della manutenibilità
"!
("
0
Permettono di effettuare le
operazioni di manutenzione in
tempi più rapidi.
Esempio:
Uso di viti tutte dello
stesso tipo
Semplificazione delle
operazioni più comuni
Ecc.
21
Rischio di guasto: curva a “vasca da bagno”
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1 1
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2
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Capitolo 1. 26-01-2006
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22
Rischio di guasto: curva a “vasca da bagno”
1 1
Capitolo 1. 26-01-2006
Spesso la regione dei guasti
casuali viene spiegata come la
sovrapposizione del termine
del periodo dei guasti giovanili
con l’inizio dei guasti per
invecchiamento
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Metodologie di manutenzione
Correttiva (if it ain’t broke don’t fix it!) Non viene più applicata
Si procede alla rimozione del guasto dopo che esso si è verificato.
Vantaggi: Viene utilizzato completamente il sistema
Svantaggi: il guasto può avere un impatto maggiore (guasti indotti,
interruzione produzione, ecc.)
Capitolo 1. 26-01-2006
Molto utilizzata. Turbine a gas: 100000 ore
Preventiva
Si sostituisce/modifica l’apparato ad intervalli regolari
Vantaggi: si può programmare il fuori servizio e può essere ridotta la
probabilità di guasti ad alto impatto
Svantaggi: è possibile che, se i tempi sono scelti male, si faccia troppa o
(alternativamente) scarsa manutenzione
In grande espansione, soprattutto dopo
Predittiva (basata sulla condizione)
liberalizzazione dei mercati
Si utilizzano strumenti per diagnosticare lo stato dell’apparecchiatura
Vantaggi: è possibile utilizzare quasi completamente il sistema evitando guasti
ad alto impatto.
Svantaggi: complessa, esistono ancora zone di incertezza
24
Effetto della manutenzione
TBM time based maintenance
Rischio
Problema: la curva a vasca deve essere nota
con grande precisione.
Problema: troppa o troppo poca manutenzione
hC
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*
Capitolo 1. 26-01-2006
"!
hC: valore critico del rischio
25
Rischio di guasto: altre curve proposte
1
1
Pluralità
di modelli
Capitolo 1. 26-01-2006
1
1
incertezza
26
Fattori di invecchiamento
Capitolo 1. 26-01-2006
Normale invecchiamento TEAM stress:
Termico
Elettrico
Ambientale
Meccanico
Incremento dello stress
Progetto inadeguato
Costruzione inadeguata
Manutenzione inadeguata
Sovraccarico
Sovratensioni
Stress 2 > Stress 1
1
Stress 1
Stress costante, non tiene in
conto
•eventi aleatori (fulmini,
surriscaldamenti, ecc.)
•costruzione e
manutenzione inadeguate
27
Guasti giovanili in sistemi invecchiati
Invecchiamento (water treeing)
&/ /'
&5
6
Esplosione giunto difettoso di cavo
elettrico (costruzione inadeguata)
• Problemi di manutenzione
Capitolo 1. 26-01-2006
Esplosione di quadro elettrico per
serraggio inadeguato dei contatti
• Manutenzione non corretta
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Diagnostica e Manutenzione
CBM: Condition Based Maintenance
Diagnostica di:
tempo in cui inizia la zona III (invecchiamento prevalente)
si inizia ad osservare un guasto incipiente (qualunque zona, qualunque
curva)
Si cerca di minimizzare l’incertezza rispetto al tempo di guasto
Manutenzione basata su condizione, non su tempo
La diagnostica permette di ridurre l’incertezza rispetto al guasto.
Capitolo 1. 26-01-2006
Ottimizzare procedure di manutenzione,
Massimizzare disponibilità dei componenti
ma …Diagnostica efficiente !
29
Tematiche di diagnostica
Sviluppo di tecniche diagnostiche in grado di evidenziare
invecchiamento complessivo del sistema (“bulk”)
danni localizzati (esempio, scariche parziali, hot spots)
Capitolo 1. 26-01-2006
Tecniche diagnostiche + Algoritmi di intelligenza artificiale, indicazioni
su:
“vita residua”
cicli di manutenzione
Tecniche:
on-line (sollecitazione di servizio)
off-line (miglior rapporto segnale/rumore)
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Tematiche di diagnostica: esempi
Dielettrico
diagnostica dei guasti di cavi, motori, generatori e trasformatori basata su
misure di scariche parziali (SP)
diagnostica dei trasformatori (sistemi isolati in carta/olio) mediante analisi
dell'
olio (Dissolved Gas Analysis)
Capitolo 1. 26-01-2006
diagnostica dei cavi HVDC mediante misure di carica di spazio (tecnica
PEA)
Guasti meccanici
diagnostica di turboalternatori basata sull'
analisi delle correnti di statore
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Diagnosi dell’Invecchiamento
Degradazione di volume
(bulk)
•ossidazione
•rottura catene,
•formazione e allargamento
di microcavità
Misure di proprietà di volume:
•carica di spazio
•Correnti di polarizzazione
• Gas (CO e CO2, tipici
prodotti decomposizione
cellulosa) disciolti in olio
•ecc.
Capitolo 1. 26-01-2006
Diagnostica
Degradazione locale
(difetti)
Misure di fenomeni localizzati
(punti deboli)
protrusioni cavità
•Scariche parziali
Inclusione di contaminanti
conduttivi
•Localizzazione di hot spots
mediante fibre ottiche
Surriscaldamenti localizzati
(hot spots)
•Gas
ecc
•ecc.
32
Diagnosi dell’Invecchiamento: degradazione locale
6
&
# '
2
1
4
4
Capitolo 1. 26-01-2006
3
3
2
2
1)
Microvacuoli
2)
Delaminazioni
3)
Impregnazione inadeguata
4)
Distacco dell’isolante dal conduttore
e) Inclusioni o particelle estranee
f1) Cavità
f2) Protrusioni nel semiconduttivo
g) Schegge
h) Fibre
33
Capitolo 1. 26-01-2006
Diagnosi dell’Invecchiamento: degradazione locale di Roebel bars in un generatore
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Diagnosi dell’Invecchiamento: degradazione locale di giunto cavo AT polimerico
Capitolo 1. 26-01-2006
Isolante polimerico
35
Capitolo 1. 26-01-2006
Diagnosi dell’Invecchiamento: degradazione locale dovuta a treeing (arborescenza)
elettrico (simulazione)
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Proprietà diagnostiche - Esempio
Le proprietà derivate dalle misure di carica di
spazio possono essere utilizzate per lo studio
dell’invecchiamento. Esse dipendono dalla
degradazione “bulk”:
Ossidazione
Scissione di catene nei polimeri
Contaminazione ambientale, etc.
Utilizzate assieme:
diagnostica più
completa
Scariche parziali come indicatori di
Capitolo 1. 26-01-2006
invecchiamento localizzato
Punti deboli
Espansione di cavità nel sistema isolante
Tree elettrico
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Proprietà diagnostiche: utilizzo pratico
(
"$
proprietà (di volume o locale, es. tandelta)
andamento col tempo di invecchiamento
misure off-line e on-line
end point piano di manutenzione, vita residua
7
(
8
Capitolo 1. 26-01-2006
" !
7
38
Esempio: prova di vita accelerata a scariche parziali di un cartone per trasformatori
11 kV
9 kV
13 kV
16.7 kV
120000
10 min
100000
alfa [pC]
80000
60000
40000
20000
0
1
2
3
4
5
6
7
N ° a c q u is iz io n e
Capitolo 1. 26-01-2006
a l fa p o s
a l fa n e g
16.7 kV
39
Esempio: analisi incrociata scariche parziali/gas disciolti per trasformatori di
misura in altissima tensione (carta+olio)
VT3
•secondo analisi dei
gas il peggiore
Capitolo 1. 26-01-2006
•PD pattern simile a
pre-breakdown
PD pattern pre-breakdown
per semplice sistema
costituito da un cartone +
elettrodi di tipo Rogowski
40