110kV單母接線方式下隔離斷路器運行故障對停電時間影響分析

中國電力科學研究院 肖 燕、劉有為、許 婧；國網河南省電力公司電力科學研究院 董曼玲；國網江蘇省電力公司電力科學研究院 楊景剛/文

前 言

智能變電站是智能電網的重要基礎[1]，其中的斷路器是執行智能化功能的最重要設備之一[2][3]。我國從2013年開始大力推廣新一代智能變電站[4][5]，其中一項重大創新是應用隔離式斷路器間隔（隔離斷路器集成電子式互感器）代替常規開關間隔（母線側隔離開關、斷路器、電流互感器和線路側隔離開關）[6]。

由于近年來高壓斷路器的設計、制造、工藝不斷提高，其運行可靠性水平顯著增加[7]，而隔離開關的運行可靠性卻沒有明顯改善，由此造成隔離開關故障比斷路器更頻繁的情況。而隔離式斷路器為具有隔離開關功能的斷路器，本質上就是一臺斷路器，因此，隔離斷路器間隔的故障幾率相比之下大大降低，并且節省占地面積，因此得到了推廣使用。但是從檢修、運維的角度考慮，當隔離斷路器檢修時，會影響到母線的正常帶電運行，造成母線陪停，從而導致母線上所有出線停電。

從以上分析可以看出，隔離斷路器的使用有利有弊，具體對母線可靠性造成的影響有多大，本文從定量的角度進行了詳細的分析和闡述。

工程實踐中，隔離斷路器與電子式電流互感器有兩種結合方式，第一種是分離式，即電子式電流互感器為一臺獨立設備，與隔離斷路器一起串接在出線回路；第二種是集成式，即將電子式電流互感器與隔離斷路器集成為一臺設備。本文著重分析目前應用最多的集成式電子互感器對母線可靠性的影響。

1 隨機點過程與復合泊松過程介紹

隨機點過程實質上就是一類特殊的隨機過程,是解決工程實踐中的可靠性問題的有效方法[8]。在隨機點過程研究中，用點過程的隨機強度來描述模型是一種重要方法，齊次泊松過程可以用它的常數來表征[9]。

定義1：計數過程{N(t),t≥0}如果滿足條件：

（1）P(N(0)=0)=1;

（2）任意t＞s≥0，增量N(s,t)=Nt-Ns有參數為λ(t-s)的泊松分布：

（3）具有獨立增量，則稱計數過程{N(t),t≥0}為齊次泊松過程。

設M={M(t),t≥0}和N={N(t),t≥0}是強度分別為λ和μ的齊次泊松過程，而且這兩個過程相互獨立。對于每一ω∈Ω和任意 t≥0 ，令

則上式定義的過程 K={K(t), t≥0}稱作過程M和N的疊加。

引理1：（齊次泊松過程的可加性）上面定義的過程K是具有強度v=λ+μ的齊次泊松過程。

定義2：設{N(t),t≥0} 是帶有強度為λ的泊松過程，{Y(n),n=1,2,…}是相互獨立同分布的隨機變量序列[10]，且假設過程{N(t),t≥0}和序列{Y(n),n=1,2,…}是相互獨立的。如果隨機過程{X(t),t≥0}可以表為如下形式：

引理2：設隨機過程{X(t),t≥0}為一復合泊松過程，則它的一階矩：

其中u是標值隨機變量。這樣，由（2）式我們得到了復合泊松過程{x(t),t≥0}的期望。

2 常規開關間隔的供電可靠性模型

本文以單母線接線帶4條出線為例，建立可靠性模型，模型以計算4條出線總的停電時間為目標。為了對比，分別對隔離斷路器間隔和常規開關間隔分別建模。圖1所示為常規站出線間隔的示意圖。

圖1 常規開關出線間隔示意圖

為了合理簡化計算模型，做如下假設：(1)兩個相互獨立的設備同時發生故障的概率為0；(2)因為系統內發生故障的維修時間遠遠小于系統運行時間，所以故障維修時間不計入研究時間區間內，僅作為點事件的取值；(3)設備故障符合齊次泊松分布；(4)隔離斷路器與斷路器具有相同的故障分布。本文在時間區間(0,t]內，記錄斷路器和隔離開關的故障維修停電的時間長度L，并按其先后順序點繪在時間軸上，就得到值為L的復合泊松過程。

令NA(t)、NCB(t)、NDC1(t)、NCT(t)和NDC2(t)分別表示在時段(0,t]內單條出線總的故障次數及斷路器、母線側隔離開關、電流互感器和線路側隔離開關的故障次數。基于上述假設，NA(t)、NCB(t)、NDC1(t)、NCT(t)和NDC2(t)分別符合強度為λ、λCB、λDC1、λCT和λDC2的齊次泊松過程。顯然，在時段(0,t]內，單條出線總的故障次數NA(t)可以表達為：

由引理1可以得到：

在該泊松過程的基礎上，由LA(n)來表示第n次故障的停電時間長度，則單條出線在時段(0,t]內的總停電時間TA(t)為：

其中，各元件單獨引起的停電總時間如下：

上式中，TCB(t)、TDC1(t)、TCT(t)和TDC2(t)分別表示由斷路器、母線側隔離開關、電流互感器及線路側隔離開關單獨故障時引起的出線停電時間；LCB(i)、LDC1(i)、LCT(i)和LDC2(i)分別表示斷路器、母線側隔離開關、電流互感器、線路側隔離開關第i次故障時的出線停電時間。由于忽略了兩個元件同時故障的可能性，顯然，有下式成立：

對上式兩端取期望則有：

式(11)可進一步表達為：

上式化簡可得到：

這樣，直接由所在出線元件故障引起的平均停電時間可表達為：

式(13)中，λCB、λDC1、λCT和λDC2，以及E(LCB)、E(LDC1)、E(LCT)和E(LDC2)分別表示斷路器、母線側隔離開關、電流互感器、線路側隔離開關的年平均故障次數和單次故障的平均停電時間。上式表明，出線單次故障時間的期望可以分解成出線內各元件故障時間的期望的線性組合。實際上，式(13)中與斷路器故障停電時間相關的系數λCB/λ就是斷路器故障占系統故障的比例，也可以理解為在系統中斷路器故障引起出線間隔故障的概率。

需要指出的是，若母線側隔離開關故障，除了導致出線停電之外，還可能導致母線陪停。這里，定義強度為λB的齊次泊松過程{NB(t),t≥0}，NB(t)表示時段(0,t]內母線側隔離開關故障導致母線陪停的次數。本文考慮了兩種情形，一是母線側隔離開關運行故障導致的陪停，二是由于其它元件故障檢修需要操作引起的故障。母線側隔離開關運行故障的泊松過程強度為λDC1，而操作故障的泊松過程強度可以由斷路器、電流互感器和線路側隔離開關故障的泊松過程強度以某一概率px稀疏得到，即px(λCB+λCT+λDC2)。另外，部分故障，如某些機構故障，并不需要母線陪停。所以母線陪停的泊松過程強度可以通過以某一概率pB稀疏得到，即下式：

上式中，px和pB可以根據專家經驗確定。

我們變換（15）得到：

式中，p1=pB，p2=pBpx。

設LB(n)表示第n次故障導致母線停電時間，在{NB(t),t≥0}的基本點過程基礎上，附加母線側隔離開關故障停電時間的標值LB，這樣得到一個復合泊松過程：

母線平均陪停時間長度：

其中E(LB)為：

對于主變間隔，任何一個元件的故障都會造成母線停電，其計算方法與出線間隔相同。

綜上所述，4條出線總的停電時間為：

3 隔離斷路器間隔的供電可靠性模型

使用隔離斷路器的出線間隔，其等效設備示意圖如圖2所示：

圖2 隔離斷路器出線間隔等效示意圖

由于目前隔離斷路器在國內的使用時間只有短短的幾年，已經投入運行的隔離斷路器的故障數據極少。另一方面，隔離斷路器的物理結構和工作原理，與常規斷路器基本一致，因此從理論上分析其故障率應該一致，故本文中使用常規斷路器的運行故障和檢修故障數據代替隔離斷路器相關數據。

內嵌式電子互感器的隔離斷路器用強度為λDCB的齊次泊松過程{NDCB(t),t≥0}表示隔離斷路器在時段(0,t]內發生運行故障的次數，用強度為λECT的齊次泊松過程{NECT(t),t≥0}表示電流互感器在時段(0,t]內發生運行故障的次數。設{ND(t),t≥0}為強度為λD的齊次泊松過程，ND(t)表示系統在時段(0,t]內發生故障的次數。則由齊次泊松過程的疊加定理可以得到：

因此出線間隔平均停電時間長度：

表1 110kV單母線常規斷路器間隔運行故障的停電情況表

其中出線間隔單次故障維修平均時間長度為：

下面我們計算此時母線平均陪停時間。此種情況下，當電流互感器的低壓單元故障時不需要母線陪停維修，但高壓單元故障時可能需要母線陪停。類似于（15），通過概率p4和p5將隔離斷路器和電流互感器故障次數的泊松過程稀疏為導致母線陪停次數的泊松過程，顯然該泊松過程的強度為λBD=p4λDCB+p5λECT。設LD(n)表示第n次故障導致母線停電時間，則同前面類似，得到母線平均陪停總時間：

這里：

類似地，主變間隔的母線陪停時間長度：

因此，隔斷站的單母線系統出線的停電總時間：

4 兩種方式停電時間比較

本文調研了某省的斷路器、隔離開關的運行故障、檢修故障和正常檢修三種情況下的停電數據（包括故障幾率和停電時間），得到的調研數據如表1。

將以上數據帶入上述模型中，可以得到：在常規開關間隔形式下，一條母線帶4條出線間隔，其停電時間為37.34小時；在隔離斷路器間隔（內嵌式電子互感器）形式下，一條母線帶4條出線間隔，其停電時間為40小時。

5 結 論

5.1 基于齊次泊松方程，提出了單母線常規開關間隔及隔離斷路器間隔的可靠性模型。

5.2 調研了斷路器、隔離開關等主要元件的故障率及故障維修時間，應用可靠性模型，分析了兩種主接線的可靠性。

5.3 對兩種主接線的優缺點進行了初步分析。

[1]GB/T 30155，智能變電站技術導則[S]，2013，中國標準出版社

[2]GB/T 11022高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求[S]，1999，中國標準出版社

[3]GB/T 27747 額定電壓72.5kV及以上交流隔離斷路器[S]，2011，中國標準出版社

[4]DL/T 1411，智能高壓設備技術導則[S]，2014

[5]DL/T 1454，智能高壓設備通信技術規范[S]，2014

[6]2014年新一代智能變電站擴大示范工程技術要求[R]，國家電網公司文件，[2014]867號文件

[7]劉有為，鄧彥國等，高壓設備智能化方案及技術特征[J].電網技術，2010, 34(7):1-4

[8]盛驟，謝式千，潘承毅.概率論與數理統計[M]，第四版，高等教育出版社，2008年

[9]鄧永錄，梁之舜.隨機點過程及其應用[M].北京：科學出版社，1992

[10]高鵬，輸電系統中的一個泊松點過程模型及其可靠性研究[J]，華北電力大學碩士畢業論文，2016.

[11]DL/T 5103 35kV～220kV無人值班變電站設計技術規程[S]，2012，中國計劃出版社

[12]DL/T 393-2010，輸變電設備狀態檢修試驗規程[S]，2010，中國標準出版社