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)用該模型計算了不同檢修方式和不同計劃檢修周期下，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，不會因為母線受累停電導(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)三臺設(shè)備。因為老舊隔離開關(guān)故障率高，瑞典電網(wǎng)與ABB合作對開關(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]。事實上，隔離斷路器的優(yōu)點不僅如此，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)一步實現(xiàn)了4合1的效果，這對于AIS變電站選址、節(jié)約投資及減少運維工作量等具有重要意義，因此成為變電工程設(shè)計的重要選項之一[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，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，考慮到GIS也看不到斷口，故此，這個爭議不是很大。必要時，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。反方認(rèn)為，隔離斷路器停電檢修時，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，這一爭議廣泛存在于設(shè)計、運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、計劃檢修、檢修時發(fā)現(xiàn)故障等復(fù)雜的運維過程，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，計算了常規(guī)開關(guān)出線和隔離斷路器出線在不同運維策略下的供電可靠性水平，并在此基礎(chǔ)上對比了電子式電流互感器集成安裝與獨立安裝對供電可靠性的影響。研究表明，如計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劃檢修兩類停電事件。其中，運行中的設(shè)備故障及在計劃檢修過程中發(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踐中的可靠性問題[9]。實踐證明，對于已有成熟制造經(jīng)驗的電網(wǎng)設(shè)備，其無故障運行時間大致服從指數(shù)分布[10-13]，任意時段內(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)備故障檢修及計劃檢修對供電可靠性的影響，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數(shù)(簡稱“總的停電時線數(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反映停電檢修的實際過程，模型應(yīng)充分考慮停電檢修的每一個細(xì)節(jié)。故障檢修和計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，檢修只針對故障設(shè)備。為了合理簡化模型，略去2臺及以上設(shè)備同時發(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，計劃檢修主要目的是開展預(yù)防性試驗，具體實施時，可以一次或分次進(jìn)行。檢修時需要操作與母線直連的設(shè)備，以便與帶電母線實現(xiàn)電氣隔離。例如，檢修其中的CB、DC2及CT時，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，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，試驗及配合試驗的操作中會有一定幾率發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，這會額外增加檢修時間，如涉及母線直連設(shè)備的故障，還會因母線受累而擴(kuò)大停電范圍，對此建模時應(yīng)予以考慮。
第四，計劃檢修策略的影響，主要考慮三個因素，①計劃檢修周期。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，其它3條出線正常運行;或是一次同步檢修2條出線，分兩次完成全部檢修，檢修時另外2條出線正常運行;或是一次同步檢修全部4條出線等。③對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，等待計劃檢修時一并處理。
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，對總的停電時線數(shù)的計算采用先分解、再合成的方法：第一步，計算故障停電檢修時間
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供電可靠性對比分析
為了應(yīng)用上述模型獲得總的停電時線數(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間等進(jìn)行了研討，各地經(jīng)驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計;同時，獲得了計劃檢修時所有設(shè)備無異常時的停電檢修時間、以及檢修期間發(fā)現(xiàn)各設(shè)備缺陷的幾率和對應(yīng)的停電檢修時間;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”主要源于計劃檢修，而不是故障檢修。計劃檢修時，斷路器要進(jìn)行多項預(yù)防性試驗，持續(xù)時間遠(yuǎn)大于隔離開關(guān)，故此，避免計劃檢修造成母線“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)的運行經(jīng)驗是一致的[5]。
基于上述分析可知，只要計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”就不會成為問題，其可靠性高的優(yōu)勢卻非常顯著，應(yīng)用隔離斷路器是極為有益的。本文還計算分析了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)備故障及計劃檢修對供電可靠性的影響，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降低反而會增加供電可靠性，這與瑞典電網(wǎng)的經(jīng)驗是一致的。(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，應(yīng)延長計劃檢修周期。
參考文獻(xiàn)
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作者：劉有為1，肖燕1，方燕虹2
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