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      鐵路貫通線與城市配電網(wǎng)供電系統(tǒng)的可靠性分析

      2010-07-13 08:58:02孫建明丁堅(jiān)勇高重暉
      關(guān)鍵詞:故障率元件配電網(wǎng)

      孫建明,丁堅(jiān)勇,高重暉,丁 偉

      (1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 電氣化設(shè)計(jì)研究處,湖北 武漢 430072;2.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院,湖北 武漢 430072)

      隨著運(yùn)我營國的鐵重路要建保設(shè)證的,蓬其勃可發(fā)靠展性,受貫到通越線來作越為多鐵的路重安視全。鐵路貫通線大多采用 10 kV 供電,而 10 kV 電網(wǎng)也是城市配電網(wǎng)中重要的直供負(fù)荷電源。兩者不僅電壓等級相同,在各自結(jié)構(gòu)和功能上也有很多相似之處。因此,城市配電網(wǎng)的可靠性評價標(biāo)準(zhǔn)與方法也可以運(yùn)用到鐵路貫通線的可靠性評估中。但鐵路貫通線相對于城市配電網(wǎng)還有其自身特點(diǎn),其可靠性分析評價亦有不同的特點(diǎn)與要求。以下從兩者的不同點(diǎn)出發(fā),重點(diǎn)分析其對于可靠性評價所產(chǎn)生的影響,為我國的鐵路貫通線可靠性評估提供參考。

      1 供電系統(tǒng)特征分析

      1.1 地理位置

      城市配電網(wǎng)中的 10 kV 供電系統(tǒng)位于網(wǎng)絡(luò)末端與用戶連接處,多處于市區(qū)等負(fù)荷中心處,輸電線分布相對集中,系統(tǒng)可靠性受自然環(huán)境影響較小。

      鐵路貫通線的 10 kV 供電線路沿鐵路線分布,因此大部分線路位于氣候、地形條件較為復(fù)雜的野外,系統(tǒng)可靠性受自然環(huán)境因素的影響較大[1]。

      1.2 線路結(jié)構(gòu)

      城市配電網(wǎng)中的 10 kV 供電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般是輻射狀,線路多采用架空線與電纜混合的方式。對于不同等級的負(fù)荷采用不同線路供電,不同線路之間一般沒有電氣聯(lián)系,線路發(fā)生故障將導(dǎo)致該線路上的全部負(fù)荷失去電源。

      鐵路貫通線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)同樣是輻射狀,干線鐵路區(qū)間供電線路采用雙貫通線,將架空線路沿鐵路兩側(cè)架設(shè),或者電纜沿鐵路兩側(cè)隧道、橋梁、路基電纜槽敷設(shè)。鐵路的電力設(shè)計(jì)中根據(jù)負(fù)荷的不同重要程度,分別采用一級負(fù)荷與綜合負(fù)荷電力貫通線為不同負(fù)荷供電,其中綜合負(fù)荷電力貫通線可以作為一級負(fù)荷電力貫通線的備用電源。

      1.3 負(fù)荷特征

      城市配電網(wǎng)的負(fù)荷多為城市居民用電、商業(yè)及工廠生產(chǎn)用電,負(fù)荷波動比較大,而且地理位置相對集中,線路供電距離短,供電負(fù)荷較大和較集中。

      鐵路貫通線的負(fù)荷相對較小,但負(fù)荷點(diǎn)很多呈線狀分布,而且線路長,供電臂長一般為 40~60 km,有的地方甚至長達(dá) 70~80 km,這對鐵路貫通線的整體可靠性造成不利影響。

      2 可靠性評估分析

      2.1 可靠性評估系統(tǒng)

      鐵路貫通線的可靠性評估是指在組成主接線系統(tǒng)的元件 (開關(guān)器件、變壓器、線路、母線等) 可靠性指標(biāo)已知和可靠性準(zhǔn)則給定的條件下,評估整個鐵路貫通線系統(tǒng)滿足供電點(diǎn)電力需求能力的程度??煽啃栽u價方法可以借鑒城市配電網(wǎng)的可靠性評價方法,但在算法中需要考慮鐵路貫通線區(qū)別于城市配電系統(tǒng)的若干特征。相對于相同電壓等級的配電網(wǎng)而言,鐵路貫通線的地理環(huán)境、負(fù)荷特征不利于其可靠性,這就要求干線鐵路貫通線采用全電纜線路,選擇高標(biāo)準(zhǔn)的配電設(shè)備,以提升鐵路貫通線系統(tǒng)的可靠性。

      在可靠性指標(biāo)的要求上,由于鐵路貫通線發(fā)生故障后可能引發(fā)嚴(yán)重的運(yùn)輸安全事故,因此鐵路貫通線的可靠性標(biāo)準(zhǔn)要求明顯高于城市配電網(wǎng)的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。

      2.2 可靠性評估方法

      根據(jù)鐵路貫通線的特點(diǎn)、可靠性評估的要求和城市配電網(wǎng)可靠性分析的基本方法,采用解析法中的網(wǎng)絡(luò)法作為鐵路貫通線可靠性分析的基本方法。

      網(wǎng)絡(luò)法有基于最小路和基于最小割兩種形式。雖然最小路集法和最小割集法可以得到相同的結(jié)果,但前者主要從可靠性方面考慮,后者主要從故障率方面考慮。最小路集法適用于元件路徑長、數(shù)量少的系統(tǒng);最小割集法適用于元件路徑短、數(shù)量多的系統(tǒng)。由于鐵路貫通線通常只有 1~2 條線路貫通整個系統(tǒng),負(fù)荷一般只能得到 1~2 個電源供電,因此最小路集法更適合于鐵路貫通線的可靠性計(jì)算。

      鐵路貫通線可靠性分析還應(yīng)特別考慮天氣影響因素,元件的故障率應(yīng)該是其所處天氣的連續(xù)函數(shù),然而由于系統(tǒng)的建模、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)檢驗(yàn)等比較困難,在實(shí)際中不能將其處理為連續(xù)函數(shù)。為便于分析,必須將其處理為一個狀態(tài)足夠少但可以完全描述故障“聚集效應(yīng)”的有限個狀態(tài)的函數(shù)。在此基礎(chǔ)上,通過參考 IEEE 346 標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)內(nèi)容,將天氣分為 3 類:正常天氣、惡劣天氣、極惡劣天氣。根據(jù)設(shè)備在不同天氣狀況下的故障率不同,利用不同天氣情況在全年中所占比例求取系統(tǒng)全年平均可靠性參數(shù)。以下是主要指標(biāo)的計(jì)算公式。

      (1)平均無故障運(yùn)行時間 (MTBF):

      山林綠樹旁,幾十畝田地以籬笆隔成棋盤狀方格。每一格便是一壟精耕細(xì)作的熟地,依四季不同,大小不等的長方形、正方形田埂里長著應(yīng)季時令蔬菜。但凡爬藤的、掛果的、梗葉的、塊莖的,青紅白黃各色蔬果,綠油油長勢喜人。田疇外斜坡上,依次排列著鍬、鋤、鐮、耙、犁、瓢等十八般農(nóng)具。田間縱橫之小徑,統(tǒng)統(tǒng)通向圍在菜地中央的一口池塘。塘邊一頭等待套犁耕田的水牛漫不經(jīng)心地啃著青草,塘中一群麻鴨正在悠閑戲水。四五塊木跳板搭在塘沿四周,隨時供耕者擔(dān)水澆灌或洗濯。顫悠悠的跳板一端,備有木桶、扁擔(dān)和竹籃、篾箕……

      式中:R 為統(tǒng)計(jì)的元件數(shù);ri為統(tǒng)計(jì)的第 i 個元件發(fā)生故障的總次數(shù);tij為第 i 個部件的第 j-1 次故障到第 j 次故障之間的工作時間。

      (2)平均修復(fù)時間 (MTTR):

      式中:twi為第 i 次故障發(fā)生的時刻;tai為第 i 次重新恢復(fù)運(yùn)行的時刻;K 為故障修復(fù)次數(shù)。

      (3)可用率 (A):

      (4)用戶平均故障停電時間 (AFHC):

      式中:N 為負(fù)荷點(diǎn)總數(shù);Usk為第 k 個負(fù)荷點(diǎn)的故障平均持續(xù)時間。AFHC 的單位是 h/(a.戶)。

      (5)用戶平均故障停電次數(shù) (AFTC):

      式中:N 是負(fù)荷點(diǎn)總數(shù),即用戶總數(shù);λsk是第 k 個負(fù)荷點(diǎn)的故障次數(shù)。AFTC 的單位是次/(a.戶)。

      計(jì)算中所需的元件RAMS參數(shù)如表1所示。表中數(shù)據(jù)來源于國家電力監(jiān)管委員會電力可靠性中心發(fā)布的可靠性指標(biāo),并參照部分鐵路統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

      表 1 元件RAMS參數(shù)表

      3 可靠性指標(biāo)計(jì)算及分析

      由于鐵路貫通線可以采用不同的設(shè)計(jì)方案,如電纜線路與架空線路的不同,變配電所接線方式的不同等。因此,對各種不同設(shè)計(jì)方案下的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算結(jié)果及其與我國城市配電網(wǎng)10 kV用戶供電統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的對比如表2所示。

      (1)在無橋、外橋、內(nèi)橋 3 種典型的變配電所接線方式中,內(nèi)橋接線的供電可靠性最高且符合鐵路電力供電系統(tǒng)的實(shí)際情況。建議鐵路電力供電系統(tǒng)中35 kV及以上變配電所使用內(nèi)橋加單母線分段的接線方式。

      (2)鐵路雙貫通供電方式的可靠性要優(yōu)于單貫通供電方式。對于供電可用率要求高的鐵路供電設(shè)計(jì)方案,應(yīng)采用雙貫通方式供電。

      (3)在雙貫通的負(fù)荷接入方式中,環(huán)網(wǎng)接入方式的可靠性略優(yōu)于 T 接方式,但其經(jīng)濟(jì)性不如 T接方式,綜合考慮后建議使用 T 接方式,但需要每隔一段距離設(shè)置一分段開關(guān),以便故障的隔離和查找。在單貫通線中,環(huán)網(wǎng)接入方式的可靠性指標(biāo)明顯優(yōu)于 T 接方式,在經(jīng)濟(jì)條件允許下建議使用環(huán)網(wǎng)接入方式。

      (4)由于鐵路貫通線電纜線路敷設(shè)于隔離帶內(nèi),不易受外界施工、人為破壞等影響,所以鐵路貫通線的電纜故障率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于架空線的故障率,采用電纜線大大提高了鐵路電力供電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。

      表2 鐵路貫通線與城市10 kV配電網(wǎng)供電可用率對比表

      (5)負(fù)荷點(diǎn)位置會對其可靠性指標(biāo)產(chǎn)生影響。單貫通較雙貫通供電方式更易受負(fù)荷點(diǎn)位置的影響。遠(yuǎn)離電源、貫通線路較長的負(fù)荷點(diǎn),其可靠性指標(biāo)相對于靠近電源、供電線路較短的負(fù)荷點(diǎn)要差。

      (6)供電可用率更易受元件故障率的影響,利用靈敏度分析可以找到制約可靠性指標(biāo)的瓶頸。不同接線方式下,靈敏度排序不一樣,單貫通方式下制約供電可靠性的瓶頸是輸電線路的故障率,雙貫通方式下則為負(fù)荷母線的故障率,單貫通方式對元件的依賴程度要高于雙貫通方式。

      4 結(jié)束語

      針對鐵路貫通線與城市配電網(wǎng) 10 kV 供電系統(tǒng)的不同特點(diǎn),及其對鐵路貫通線系統(tǒng)整體可靠性造成的影響,利用基于最小路的網(wǎng)絡(luò)法對鐵路貫通線的可靠性進(jìn)行評估,提出鐵路貫通線的設(shè)計(jì)方案的參考意見。從計(jì)算結(jié)果可以看出,雖然干線鐵路貫通線與城市配電網(wǎng) 10 kV 供電系統(tǒng)的電壓等級相同,但由于兩個系統(tǒng)的不同特征,相同電壓等級的鐵路貫通線的可靠性要高于城市配電網(wǎng)的可靠性,這符合鐵路貫通線供電高可靠性的客觀要求。

      [1]孫建明,顏秋容. 高速鐵路10 kV電力系統(tǒng)RAMS定量評估研究[J]. 鐵道工程學(xué)報,2008,10(12):40-44.

      [2] 蘇小倩,吳重民,林曉東. 配電系統(tǒng)可靠性的評估和分析[J]. 廣東電力,2002,15(4):22-25.

      [3] 賈曉楠,吳俊勇,劉海軍. 高速鐵路牽引變電所電氣主接線的可靠性評估[J]. 電氣化鐵道,2007(6):1-5.

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