本文摘要：摘要：本文研究了隔離斷路器取代母線側(cè)隔離開關(guān)、斷路器及線路側(cè)隔離開關(guān)對(duì)供電可靠性的影響。文中以110kV單母線一進(jìn)四出的接線方式為例，應(yīng)用泊松分布表征設(shè)備故障分布，建立了常規(guī)開關(guān)出線和隔離斷路器出線的供電可靠性分析模型，模型考慮了母線停電對(duì)全站供電可靠性
摘要：本文研究了隔離斷路器取代母線側(cè)隔離開關(guān)、斷路器及線路側(cè)隔離開關(guān)對(duì)供電可靠性的影響。文中以110kV單母線一進(jìn)四出的接線方式為例，應(yīng)用泊松分布表征設(shè)備故障分布，建立了常規(guī)開關(guān)出線和隔離斷路器出線的供電可靠性分析模型，模型考慮了母線停電對(duì)全站供電可靠性的影響，模型參數(shù)通過調(diào)研獲得，應(yīng)用該模型計(jì)算了不同檢修方式和不同計(jì)劃檢修周期下，常規(guī)開關(guān)出線和隔離斷路器出線的總停電檢修時(shí)間，結(jié)果顯示，如應(yīng)用全站同步檢修的方式，則采用隔離斷路器出線的供電可靠性明顯優(yōu)用隔離斷路器出線的供電可靠性明顯優(yōu)于常規(guī)開關(guān)出線，不會(huì)因?yàn)槟妇�受累停電導(dǎo)致供電可靠性下降。隔離斷路器可以推廣應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：隔離斷路器;可靠性;泊松分布
0引言
AIS變電站中的敞開式隔離開關(guān)，由于觸頭及機(jī)械部件裸露于空氣中，易受大氣環(huán)境影響，經(jīng)常發(fā)生觸頭電接觸不良及機(jī)械卡澀等故障，成為影響供電可靠性的突出因素[1,2]。隔離斷路器是一種集成式高壓開關(guān)設(shè)備[3,4]，兼有斷路器及隔離開關(guān)的功能，原則上可代替母線側(cè)隔離開關(guān)、斷路器及線路側(cè)隔離開關(guān)三臺(tái)設(shè)備。因?yàn)槔吓f隔離開關(guān)故障率高，瑞典電網(wǎng)與ABB合作對(duì)開關(guān)間隔進(jìn)行了大范圍改造，應(yīng)用隔離斷路器，取消了隔離開關(guān)，取得了十分良好的效果[5]。事實(shí)上，隔離斷路器的優(yōu)點(diǎn)不僅如此，采用隔離斷路器后變電站的占地面積大幅減少，若采用電子式電流互感器，并集成于隔離斷路器，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了4合1的效果，這對(duì)于AIS變電站選址、節(jié)約投資及減少運(yùn)維工作量等具有重要意義，因此成為變電工程設(shè)計(jì)的重要選項(xiàng)之一[6，7]。
我國于2011年就頒布了隔離斷路器的國家標(biāo)準(zhǔn)[3]，但僅有少量應(yīng)用，原因在于，采用隔離斷路器在國內(nèi)一直存在較大爭議，主要有兩點(diǎn)，爭議之一是采用隔離斷路器后少了可視化的斷口，擔(dān)心影響檢修人員的安全，為此，隔離斷路器專門增加接地開關(guān)的機(jī)械鎖裝置，并由國家標(biāo)準(zhǔn)予以規(guī)范，同時(shí)，考慮到GIS也看不到斷口，故此，這個(gè)爭議不是很大。必要時(shí)，可增加簡易圖像傳感器，通過無線方式將斷口狀態(tài)傳下來。
爭議之二是母線“陪停”問題，這是爭議的焦點(diǎn)。反方認(rèn)為，隔離斷路器停電檢修時(shí)，由于缺少母線側(cè)隔離開關(guān)的安全隔離，需要母線停電，進(jìn)而影響到該母線其他出線的正常運(yùn)行，導(dǎo)致整段母線上的全部出線受累停電，這必然導(dǎo)致供電可靠性的下降;正方則以瑞典電網(wǎng)經(jīng)驗(yàn)為例，認(rèn)為斷路器可靠性比隔離開關(guān)高很多，采用隔離斷路器并取消隔離開關(guān)，可免除隔離開關(guān)故障率高的困擾，可大幅延長檢修周期，實(shí)際上有利于供電可靠性的提升。在國家電網(wǎng)建設(shè)新一代智能變電站時(shí)，這一爭議廣泛存在于設(shè)計(jì)、運(yùn)行和管理決策等部門。
由于事關(guān)AIS站主接線的重大改變，在隔離斷路器推廣應(yīng)用前，極有必要對(duì)此進(jìn)行專門的論證，得出科學(xué)結(jié)論。為了回答這一爭議，文[8]進(jìn)行了專門研究，應(yīng)用割集法分析了隔離斷路器故障的影響，并給出采用隔離斷路器有利于提升供電可靠性的結(jié)論。但是，這一方法沒有考慮設(shè)備故障檢修、計(jì)劃檢修、檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)故障等復(fù)雜的運(yùn)維過程，因而未能從根本上化解爭議。本文以110kV變電站、主接線為單母線1進(jìn)4出的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)為場景，其中進(jìn)線接電源，4條出線接用戶。
文中以4條出線年度總停電檢修時(shí)間來表征可靠性水平，采用泊松分布表征設(shè)備故障次數(shù)分布，建立了供電可靠性模型，計(jì)算了常規(guī)開關(guān)出線和隔離斷路器出線在不同運(yùn)維策略下的供電可靠性水平，并在此基礎(chǔ)上對(duì)比了電子式電流互感器集成安裝與獨(dú)立安裝對(duì)供電可靠性的影響。研究表明，如計(jì)劃檢修采用整段母線所有出線設(shè)備同步檢修的作業(yè)方式，并大幅延長計(jì)劃檢修周期，則應(yīng)用隔離斷路器代替常規(guī)開關(guān)可以明顯提升供電可靠性水平，其收益遠(yuǎn)大于母線“陪停”造成的不利影響，隔離斷路器具有推廣應(yīng)用的重要價(jià)值。
1基于泊松過程的設(shè)備故障模型
為了聚焦本文關(guān)注的問題，模型僅考慮故障停電檢修和例行計(jì)劃檢修兩類停電事件。其中，運(yùn)行中的設(shè)備故障及在計(jì)劃檢修過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷均屬于隨機(jī)性事件，需要通過建模來分析。泊松過程常用來分析工程實(shí)踐中的可靠性問題[9]。實(shí)踐證明，對(duì)于已有成熟制造經(jīng)驗(yàn)的電網(wǎng)設(shè)備，其無故障運(yùn)行時(shí)間大致服從指數(shù)分布[10-13]，任意時(shí)段內(nèi)的故障次數(shù)服從泊松分布。
2供電可靠性定義及建模要素分析
2.1供電可靠性定義
本文旨在分析設(shè)備故障檢修及計(jì)劃檢修對(duì)供電可靠性的影響，為聚焦這一主題，將不必關(guān)注的其他因素略去。通常，供電可靠性用“停電時(shí)戶數(shù)”表示，基于本文研究的主題，可用“出線”代替“戶數(shù)”，即由全部4條出線累加起來的總停電檢修小時(shí)數(shù)(簡稱“總的停電時(shí)線數(shù)”)來表征其供電可靠性水平。
2.2建模要素分析
為了使模型能夠真實(shí)反映停電檢修的實(shí)際過程，模型應(yīng)充分考慮停電檢修的每一個(gè)細(xì)節(jié)。故障檢修和計(jì)劃檢修屬于完全不同的檢修類別，模型應(yīng)分別予以考慮。首先，故障檢修由設(shè)備故障引起，檢修只針對(duì)故障設(shè)備。為了合理簡化模型，略去2臺(tái)及以上設(shè)備同時(shí)發(fā)生故障的極小概率事件，因此，模型中僅考慮故障停電檢修一次只面向1條出線中的1臺(tái)故障設(shè)備。 其次，為了分析母線受累停電，可將出線設(shè)備分為兩類，一類是直連母線的設(shè)備，這部分設(shè)備檢修前會(huì)通過DC1或DCB斷開與母線的電氣聯(lián)系，故此，只需所屬出線停電，母線不必停電。
第三，計(jì)劃檢修主要目的是開展預(yù)防性試驗(yàn)，具體實(shí)施時(shí)，可以一次或分次進(jìn)行。檢修時(shí)需要操作與母線直連的設(shè)備，以便與帶電母線實(shí)現(xiàn)電氣隔離。例如，檢修其中的CB、DC2及CT時(shí)，需打開DC1，檢修結(jié)束后再合上DC1。檢修其中的隔離斷路器時(shí)，因無隔離開關(guān)，需要母線停電(通常也非要求全程停電)。此外，還須指出，試驗(yàn)及配合試驗(yàn)的操作中會(huì)有一定幾率發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，這會(huì)額外增加檢修時(shí)間，如涉及母線直連設(shè)備的故障，還會(huì)因母線受累而擴(kuò)大停電范圍，對(duì)此建模時(shí)應(yīng)予以考慮。
第四，計(jì)劃檢修策略的影響，主要考慮三個(gè)因素，①計(jì)劃檢修周期。②檢修作業(yè)方式，包括一次檢修1條出線，分四次完成全部檢修，即在檢修其中1條出線時(shí)，其它3條出線正常運(yùn)行;或是一次同步檢修2條出線，分兩次完成全部檢修，檢修時(shí)另外2條出線正常運(yùn)行;或是一次同步檢修全部4條出線等。③對(duì)與母線直連的隔離開關(guān)(DC1)，除發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重危及供電安全的缺陷，通常不進(jìn)行停電檢修，等待計(jì)劃檢修時(shí)一并處理。
3常規(guī)開關(guān)出線的可靠性建模
根據(jù)前述建模要素分析，對(duì)總的停電時(shí)線數(shù)的計(jì)算采用先分解、再合成的方法：第一步，計(jì)算故障停電檢修時(shí)間
4隔離斷路器出線的可靠性建模
在新一代智能變電站中，還有一種方案，即將電子式電流互感器與隔離斷路器集成在一起，組成一個(gè)新型設(shè)備[14-17]，電子式電流互感器采集單元安裝在隔離斷路器的高壓端，此種情形下，采集單元故障也需要母線停電。
5供電可靠性對(duì)比分析
為了應(yīng)用上述模型獲得總的停電時(shí)線數(shù)的量化結(jié)果，組織河南、江蘇兩省十余位變電檢修專家，對(duì)110kV斷路器、隔離開關(guān)、電流互感器等設(shè)備的年故障次數(shù)、單次故障的平均停電檢修時(shí)間等進(jìn)行了研討，各地經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì);同時(shí)，獲得了計(jì)劃檢修時(shí)所有設(shè)備無異常時(shí)的停電檢修時(shí)間、以及檢修期間發(fā)現(xiàn)各設(shè)備缺陷的幾率和對(duì)應(yīng)的停電檢修時(shí)間;此外，常規(guī)開關(guān)出線中DC1涉及母線停電的模型參數(shù)。特別指出，其中DC1和DC2數(shù)據(jù)不一致的原因是為了避免母線停電，DC1僅在發(fā)生嚴(yán)重缺陷時(shí)才安排故障停電檢修。
究其原因，不難發(fā)現(xiàn)，隔離斷路器的母線“陪停”主要源于計(jì)劃檢修，而不是故障檢修。計(jì)劃檢修時(shí)，斷路器要進(jìn)行多項(xiàng)預(yù)防性試驗(yàn)，持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)大于隔離開關(guān)，故此，避免計(jì)劃檢修造成母線“陪停”的最有效方法是采用整段母線所有出線同步檢修的作業(yè)方式，此種情形下，僅有故障檢修時(shí)才需要母線“陪停”，這樣，不利影響被極大消減，而斷路器可靠性高的有利影響開始真正發(fā)揮作用，此種情況下，采用隔離斷路器的供電可靠性不降反升，而且十分顯著，這與瑞典電網(wǎng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)是一致的[5]。
基于上述分析可知，只要計(jì)劃檢修適宜整段母線同步進(jìn)行的場景，由隔離斷路器引起的母線“陪停”就不會(huì)成為問題，其可靠性高的優(yōu)勢(shì)卻非常顯著，應(yīng)用隔離斷路器是極為有益的。本文還計(jì)算分析了220kV雙母線應(yīng)用隔離斷路器的效果，采用相同的建模方法，計(jì)算得到了相近的結(jié)果。
6結(jié)論
(1)建立了基于泊松分布的變電站出線可靠性分析模型，可定量分析設(shè)備故障及計(jì)劃檢修對(duì)供電可靠性的影響，也可用于設(shè)備檢修策略的優(yōu)化。(2)若采取多條出線同步檢修的作業(yè)方式，則隔離斷路器不僅不會(huì)降低反而會(huì)增加供電可靠性，這與瑞典電網(wǎng)的經(jīng)驗(yàn)是一致的。(3)如AIS站采用了隔離斷路器，為更好地發(fā)揮其可靠性高的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)延長計(jì)劃檢修周期。
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作者：劉有為1，肖燕1，方燕虹2
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