本文摘要：摘要：本文研究了隔離斷路器取代母線側隔離開關、斷路器及線路側隔離開關對供電可靠性的影響。文中以110kV單母線一進四出的接線方式為例，應用泊松分布表征設備故障分布，建立了常規開關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隔離開關、斷路器及線路側隔離開關對供電可靠性的影響。文中以110kV單母線一進四出的接線方式為例，應用泊松分布表征設備故障分布，建立了常規開關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，模型參數通過調研獲得，應用該模型計算了不同檢修方式和不同計劃檢修周期下，常規開關出線和隔離斷路器出線的總停電檢修時間，結果顯示，如應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用隔離斷路器出線的供電可靠性明顯優于常規開關出線，不會因為母線受累停電導致供電可靠性下降。隔離斷路器可以推廣應用。
關鍵詞：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，由于觸頭及機械部件裸露于空氣中，易受大氣環境影響，經常發生觸頭電接觸不良及機械卡澀等故障，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設備[3,4]，兼有斷路器及隔離開關的功能，原則上可代替母線側隔離開關、斷路器及線路側隔離開關三臺設備。因為老舊隔離開關故障率高，瑞典電網與ABB合作對開關間隔進行了大范圍改造，應用隔離斷路器，取消了隔離開關，取得了十分良好的效果[5]。事實上，隔離斷路器的優點不僅如此，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，可進一步實現了4合1的效果，這對于AIS變電站選址、節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準[3]，但僅有少量應用，原因在于，采用隔離斷路器在國內一直存在較大爭議，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的機械鎖裝置，并由國家標準予以規范，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傳下來。
爭議之二是母線“陪停”問題，這是爭議的焦點。反方認為，隔離斷路器停電檢修時，由于缺少母線側隔離開關的安全隔離，需要母線停電，進而影響到該母線其他出線的正常運行，導致整段母線上的全部出線受累停電，這必然導致供電可靠性的下降;正方則以瑞典電網經驗為例，認為斷路器可靠性比隔離開關高很多，采用隔離斷路器并取消隔離開關，可免除隔離開關故障率高的困擾，可大幅延長檢修周期，實際上有利于供電可靠性的提升。在國家電網建設新一代智能變電站時，這一爭議廣泛存在于設計、運行和管理決策等部門。
由于事關AIS站主接線的重大改變，在隔離斷路器推廣應用前，極有必要對此進行專門的論證，得出科學結論。為了回答這一爭議，文[8]進行了專門研究，應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論。但是，這一方法沒有考慮設備故障檢修、計劃檢修、檢修時發現故障等復雜的運維過程，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4出的標準設計為場景，其中進線接電源，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備故障次數分布，建立了供電可靠性模型，計算了常規開關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備同步檢修的作業方式，并大幅延長計劃檢修周期，則應用隔離斷路器代替常規開關可以明顯提升供電可靠性水平，其收益遠大于母線“陪停”造成的不利影響，隔離斷路器具有推廣應用的重要價值。
1基于泊松過程的設備故障模型
為了聚焦本文關注的問題，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，運行中的設備故障及在計劃檢修過程中發現設備缺陷均屬于隨機性事件，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驗的電網設備，其無故障運行時間大致服從指數分布[10-13]，任意時段內的故障次數服從泊松分布。
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，將不必關注的其他因素略去。通常，供電可靠性用“停電時戶數”表示，基于本文研究的主題，可用“出線”代替“戶數”，即由全部4條出線累加起來的總停電檢修小時數(簡稱“總的停電時線數”)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，模型應充分考慮停電檢修的每一個細節。故障檢修和計劃檢修屬于完全不同的檢修類別，模型應分別予以考慮。首先，故障檢修由設備故障引起，檢修只針對故障設備。為了合理簡化模型，略去2臺及以上設備同時發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臺故障設備。 其次，為了分析母線受累停電，可將出線設備分為兩類，一類是直連母線的設備，這部分設備檢修前會通過DC1或DCB斷開與母線的電氣聯系，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防性試驗，具體實施時，可以一次或分次進行。檢修時需要操作與母線直連的設備，以便與帶電母線實現電氣隔離。例如，檢修其中的CB、DC2及CT時，需打開DC1，檢修結束后再合上DC1。檢修其中的隔離斷路器時，因無隔離開關，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現設備故障，這會額外增加檢修時間，如涉及母線直連設備的故障，還會因母線受累而擴大停電范圍，對此建模時應予以考慮。
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(DC1)，除發現有嚴重危及供電安全的缺陷，通常不進行停電檢修，等待計劃檢修時一并處理。
3常規開關出線的可靠性建模
根據前述建模要素分析，對總的停電時線數的計算采用先分解、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
為了應用上述模型獲得總的停電時線數的量化結果，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、電流互感器等設備的年故障次數、單次故障的平均停電檢修時間等進行了研討，各地經驗數據的統計;同時，獲得了計劃檢修時所有設備無異常時的停電檢修時間、以及檢修期間發現各設備缺陷的幾率和對應的停電檢修時間;此外，常規開關出線中DC1涉及母線停電的模型參數。特別指出，其中DC1和DC2數據不一致的原因是為了避免母線停電，DC1僅在發生嚴重缺陷時才安排故障停電檢修。
究其原因，不難發現，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，斷路器要進行多項預防性試驗，持續時間遠大于隔離開關，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，這與瑞典電網的運行經驗是一致的[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，其可靠性高的優勢卻非常顯著，應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果。
6結論
(1)建立了基于泊松分布的變電站出線可靠性分析模型，可定量分析設備故障及計劃檢修對供電可靠性的影響，也可用于設備檢修策略的優化。(2)若采取多條出線同步檢修的作業方式，則隔離斷路器不僅不會降低反而會增加供電可靠性，這與瑞典電網的經驗是一致的。(3)如AIS站采用了隔離斷路器，為更好地發揮其可靠性高的優勢，應延長計劃檢修周期。
參考文獻
[1]邱志斌，阮江軍等.基于電機電流檢測的高壓隔離開關機械故障診斷[J]，中國電機工程學報，2015,35(13)：3459-3466.QIUZhibin,RUANJiangjun,etal.MechanicalFaultDiagnosisofHighVoltageDisconnectorBasedonMotorCurrentDetection[J].ProceedingsoftheCSEE,2015,35(13)：3459-3466(inChinese).
[2]鐘振蛟.戶外隔離開關機械故障的起因及預防[J]，高壓電器，2006,42(6)：464-467.ZHONGZhen-jiao.TheCauseandPreventionofOutdoorDisconnector'sMechanicalFaults[J],HighVoltageApparatus,2006,42(6)：464-467(inChinese).
[3]GB/T27747額定電壓72.5kV及以上交流隔離斷路器[S]，2011，北京：中國標準出版社.
作者：劉有為1，肖燕1，方燕虹2
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