110kV单母接线方式下隔离断路器运行故障对停电时间影响分析

2016-01-09中国电力科学研究院刘有为国网河南省电力公司电力科学研究院董曼玲国网江苏省电力公司电力科学研究院杨景刚

电力设备管理 2016年2期

中国电力科学研究院肖燕、刘有为、许婧；国网河南省电力公司电力科学研究院董曼玲；国网江苏省电力公司电力科学研究院杨景刚/文

前言

智能变电站是智能电网的重要基础[1]，其中的断路器是执行智能化功能的最重要设备之一[2][3]。我国从2013年开始大力推广新一代智能变电站[4][5]，其中一项重大创新是应用隔离式断路器间隔（隔离断路器集成电子式互感器）代替常规开关间隔（母线侧隔离开关、断路器、电流互感器和线路侧隔离开关）[6]。

由于近年来高压断路器的设计、制造、工艺不断提高，其运行可靠性水平显著增加[7]，而隔离开关的运行可靠性却没有明显改善，由此造成隔离开关故障比断路器更频繁的情况。而隔离式断路器为具有隔离开关功能的断路器，本质上就是一台断路器，因此，隔离断路器间隔的故障几率相比之下大大降低，并且节省占地面积，因此得到了推广使用。但是从检修、运维的角度考虑，当隔离断路器检修时，会影响到母线的正常带电运行，造成母线陪停，从而导致母线上所有出线停电。

从以上分析可以看出，隔离断路器的使用有利有弊，具体对母线可靠性造成的影响有多大，本文从定量的角度进行了详细的分析和阐述。

工程实践中，隔离断路器与电子式电流互感器有两种结合方式，第一种是分离式，即电子式电流互感器为一台独立设备，与隔离断路器一起串接在出线回路；第二种是集成式，即将电子式电流互感器与隔离断路器集成为一台设备。本文着重分析目前应用最多的集成式电子互感器对母线可靠性的影响。

1 随机点过程与复合泊松过程介绍

随机点过程实质上就是一类特殊的随机过程,是解决工程实践中的可靠性问题的有效方法[8]。在随机点过程研究中，用点过程的随机强度来描述模型是一种重要方法，齐次泊松过程可以用它的常数来表征[9]。

定义1：计数过程{N(t),t≥0}如果满足条件：

（1）P(N(0)=0)=1;

（2）任意t＞s≥0，增量N(s,t)=Nt-Ns有参数为λ(t-s)的泊松分布：

（3）具有独立增量，则称计数过程{N(t),t≥0}为齐次泊松过程。

设M={M(t),t≥0}和N={N(t),t≥0}是强度分别为λ和μ的齐次泊松过程，而且这两个过程相互独立。对于每一ω∈Ω和任意 t≥0 ，令

则上式定义的过程 K={K(t), t≥0}称作过程M和N的叠加。

引理1：（齐次泊松过程的可加性）上面定义的过程K是具有强度v=λ+μ的齐次泊松过程。

定义2：设{N(t),t≥0} 是带有强度为λ的泊松过程，{Y(n),n=1,2,…}是相互独立同分布的随机变量序列[10]，且假设过程{N(t),t≥0}和序列{Y(n),n=1,2,…}是相互独立的。如果随机过程{X(t),t≥0}可以表为如下形式：

引理2：设随机过程{X(t),t≥0}为一复合泊松过程，则它的一阶矩：

其中u是标值随机变量。这样，由（2）式我们得到了复合泊松过程{x(t),t≥0}的期望。

2 常规开关间隔的供电可靠性模型

本文以单母线接线带4条出线为例，建立可靠性模型，模型以计算4条出线总的停电时间为目标。为了对比，分别对隔离断路器间隔和常规开关间隔分别建模。图1所示为常规站出线间隔的示意图。

图1 常规开关出线间隔示意图

为了合理简化计算模型，做如下假设：(1)两个相互独立的设备同时发生故障的概率为0；(2)因为系统内发生故障的维修时间远远小于系统运行时间，所以故障维修时间不计入研究时间区间内，仅作为点事件的取值；(3)设备故障符合齐次泊松分布；(4)隔离断路器与断路器具有相同的故障分布。本文在时间区间(0,t]内，记录断路器和隔离开关的故障维修停电的时间长度L，并按其先后顺序点绘在时间轴上，就得到值为L的复合泊松过程。

令NA(t)、NCB(t)、NDC1(t)、NCT(t)和NDC2(t)分别表示在时段(0,t]内单条出线总的故障次数及断路器、母线侧隔离开关、电流互感器和线路侧隔离开关的故障次数。基于上述假设，NA(t)、NCB(t)、NDC1(t)、NCT(t)和NDC2(t)分别符合强度为λ、λCB、λDC1、λCT和λDC2的齐次泊松过程。显然，在时段(0,t]内，单条出线总的故障次数NA(t)可以表达为：

由引理1可以得到：

在该泊松过程的基础上，由LA(n)来表示第n次故障的停电时间长度，则单条出线在时段(0,t]内的总停电时间TA(t)为：

其中，各元件单独引起的停电总时间如下：

上式中，TCB(t)、TDC1(t)、TCT(t)和TDC2(t)分别表示由断路器、母线侧隔离开关、电流互感器及线路侧隔离开关单独故障时引起的出线停电时间；LCB(i)、LDC1(i)、LCT(i)和LDC2(i)分别表示断路器、母线侧隔离开关、电流互感器、线路侧隔离开关第i次故障时的出线停电时间。由于忽略了两个元件同时故障的可能性，显然，有下式成立：

对上式两端取期望则有：

式(11)可进一步表达为：

上式化简可得到：

这样，直接由所在出线元件故障引起的平均停电时间可表达为：

式(13)中，λCB、λDC1、λCT和λDC2，以及E(LCB)、E(LDC1)、E(LCT)和E(LDC2)分别表示断路器、母线侧隔离开关、电流互感器、线路侧隔离开关的年平均故障次数和单次故障的平均停电时间。上式表明，出线单次故障时间的期望可以分解成出线内各元件故障时间的期望的线性组合。实际上，式(13)中与断路器故障停电时间相关的系数λCB/λ就是断路器故障占系统故障的比例，也可以理解为在系统中断路器故障引起出线间隔故障的概率。

需要指出的是，若母线侧隔离开关故障，除了导致出线停电之外，还可能导致母线陪停。这里，定义强度为λB的齐次泊松过程{NB(t),t≥0}，NB(t)表示时段(0,t]内母线侧隔离开关故障导致母线陪停的次数。本文考虑了两种情形，一是母线侧隔离开关运行故障导致的陪停，二是由于其它元件故障检修需要操作引起的故障。母线侧隔离开关运行故障的泊松过程强度为λDC1，而操作故障的泊松过程强度可以由断路器、电流互感器和线路侧隔离开关故障的泊松过程强度以某一概率px稀疏得到，即px(λCB+λCT+λDC2)。另外，部分故障，如某些机构故障，并不需要母线陪停。所以母线陪停的泊松过程强度可以通过以某一概率pB稀疏得到，即下式：

上式中，px和pB可以根据专家经验确定。

我们变换（15）得到：

式中，p1=pB，p2=pBpx。

设LB(n)表示第n次故障导致母线停电时间，在{NB(t),t≥0}的基本点过程基础上，附加母线侧隔离开关故障停电时间的标值LB，这样得到一个复合泊松过程：

母线平均陪停时间长度：

其中E(LB)为：

对于主变间隔，任何一个元件的故障都会造成母线停电，其计算方法与出线间隔相同。

综上所述，4条出线总的停电时间为：

3 隔离断路器间隔的供电可靠性模型

使用隔离断路器的出线间隔，其等效设备示意图如图2所示：

图2 隔离断路器出线间隔等效示意图

由于目前隔离断路器在国内的使用时间只有短短的几年，已经投入运行的隔离断路器的故障数据极少。另一方面，隔离断路器的物理结构和工作原理，与常规断路器基本一致，因此从理论上分析其故障率应该一致，故本文中使用常规断路器的运行故障和检修故障数据代替隔离断路器相关数据。

内嵌式电子互感器的隔离断路器用强度为λDCB的齐次泊松过程{NDCB(t),t≥0}表示隔离断路器在时段(0,t]内发生运行故障的次数，用强度为λECT的齐次泊松过程{NECT(t),t≥0}表示电流互感器在时段(0,t]内发生运行故障的次数。设{ND(t),t≥0}为强度为λD的齐次泊松过程，ND(t)表示系统在时段(0,t]内发生故障的次数。则由齐次泊松过程的叠加定理可以得到：

因此出线间隔平均停电时间长度：

表1 110kV单母线常规断路器间隔运行故障的停电情况表

其中出线间隔单次故障维修平均时间长度为：

下面我们计算此时母线平均陪停时间。此种情况下，当电流互感器的低压单元故障时不需要母线陪停维修，但高压单元故障时可能需要母线陪停。类似于（15），通过概率p4和p5将隔离断路器和电流互感器故障次数的泊松过程稀疏为导致母线陪停次数的泊松过程，显然该泊松过程的强度为λBD=p4λDCB+p5λECT。设LD(n)表示第n次故障导致母线停电时间，则同前面类似，得到母线平均陪停总时间：