鐵路貫通線與城市配電網(wǎng)供電系統(tǒng)的可靠性分析

孫建明，丁堅(jiān)勇，高重暉，丁 偉

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 電氣化設(shè)計(jì)研究處，湖北 武漢 430072；2.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

隨著運(yùn)我營國的鐵重路要建保設(shè)證的，蓬其勃可發(fā)靠展性，受貫到通越線來作越為多鐵的路重安視全。鐵路貫通線大多采用 10 kV 供電，而 10 kV 電網(wǎng)也是城市配電網(wǎng)中重要的直供負(fù)荷電源。兩者不僅電壓等級相同，在各自結(jié)構(gòu)和功能上也有很多相似之處。因此，城市配電網(wǎng)的可靠性評價標(biāo)準(zhǔn)與方法也可以運(yùn)用到鐵路貫通線的可靠性評估中。但鐵路貫通線相對于城市配電網(wǎng)還有其自身特點(diǎn)，其可靠性分析評價亦有不同的特點(diǎn)與要求。以下從兩者的不同點(diǎn)出發(fā)，重點(diǎn)分析其對于可靠性評價所產(chǎn)生的影響，為我國的鐵路貫通線可靠性評估提供參考。

1 供電系統(tǒng)特征分析

1.1 地理位置

城市配電網(wǎng)中的 10 kV 供電系統(tǒng)位于網(wǎng)絡(luò)末端與用戶連接處，多處于市區(qū)等負(fù)荷中心處，輸電線分布相對集中，系統(tǒng)可靠性受自然環(huán)境影響較小。

鐵路貫通線的 10 kV 供電線路沿鐵路線分布，因此大部分線路位于氣候、地形條件較為復(fù)雜的野外，系統(tǒng)可靠性受自然環(huán)境因素的影響較大[1]。

1.2 線路結(jié)構(gòu)

城市配電網(wǎng)中的 10 kV 供電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般是輻射狀，線路多采用架空線與電纜混合的方式。對于不同等級的負(fù)荷采用不同線路供電，不同線路之間一般沒有電氣聯(lián)系，線路發(fā)生故障將導(dǎo)致該線路上的全部負(fù)荷失去電源。

鐵路貫通線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)同樣是輻射狀，干線鐵路區(qū)間供電線路采用雙貫通線，將架空線路沿鐵路兩側(cè)架設(shè)，或者電纜沿鐵路兩側(cè)隧道、橋梁、路基電纜槽敷設(shè)。鐵路的電力設(shè)計(jì)中根據(jù)負(fù)荷的不同重要程度，分別采用一級負(fù)荷與綜合負(fù)荷電力貫通線為不同負(fù)荷供電，其中綜合負(fù)荷電力貫通線可以作為一級負(fù)荷電力貫通線的備用電源。

1.3 負(fù)荷特征

城市配電網(wǎng)的負(fù)荷多為城市居民用電、商業(yè)及工廠生產(chǎn)用電，負(fù)荷波動比較大，而且地理位置相對集中，線路供電距離短，供電負(fù)荷較大和較集中。

鐵路貫通線的負(fù)荷相對較小，但負(fù)荷點(diǎn)很多呈線狀分布，而且線路長，供電臂長一般為 40～60 km，有的地方甚至長達(dá) 70～80 km，這對鐵路貫通線的整體可靠性造成不利影響。

2 可靠性評估分析

2.1 可靠性評估系統(tǒng)

鐵路貫通線的可靠性評估是指在組成主接線系統(tǒng)的元件 (開關(guān)器件、變壓器、線路、母線等) 可靠性指標(biāo)已知和可靠性準(zhǔn)則給定的條件下，評估整個鐵路貫通線系統(tǒng)滿足供電點(diǎn)電力需求能力的程度?？煽啃栽u價方法可以借鑒城市配電網(wǎng)的可靠性評價方法，但在算法中需要考慮鐵路貫通線區(qū)別于城市配電系統(tǒng)的若干特征。相對于相同電壓等級的配電網(wǎng)而言，鐵路貫通線的地理環(huán)境、負(fù)荷特征不利于其可靠性，這就要求干線鐵路貫通線采用全電纜線路，選擇高標(biāo)準(zhǔn)的配電設(shè)備，以提升鐵路貫通線系統(tǒng)的可靠性。

在可靠性指標(biāo)的要求上，由于鐵路貫通線發(fā)生故障后可能引發(fā)嚴(yán)重的運(yùn)輸安全事故，因此鐵路貫通線的可靠性標(biāo)準(zhǔn)要求明顯高于城市配電網(wǎng)的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 可靠性評估方法

根據(jù)鐵路貫通線的特點(diǎn)、可靠性評估的要求和城市配電網(wǎng)可靠性分析的基本方法，采用解析法中的網(wǎng)絡(luò)法作為鐵路貫通線可靠性分析的基本方法。

網(wǎng)絡(luò)法有基于最小路和基于最小割兩種形式。雖然最小路集法和最小割集法可以得到相同的結(jié)果，但前者主要從可靠性方面考慮，后者主要從故障率方面考慮。最小路集法適用于元件路徑長、數(shù)量少的系統(tǒng)；最小割集法適用于元件路徑短、數(shù)量多的系統(tǒng)。由于鐵路貫通線通常只有 1～2 條線路貫通整個系統(tǒng)，負(fù)荷一般只能得到 1～2 個電源供電，因此最小路集法更適合于鐵路貫通線的可靠性計(jì)算。

鐵路貫通線可靠性分析還應(yīng)特別考慮天氣影響因素，元件的故障率應(yīng)該是其所處天氣的連續(xù)函數(shù)，然而由于系統(tǒng)的建模、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)檢驗(yàn)等比較困難，在實(shí)際中不能將其處理為連續(xù)函數(shù)。為便于分析，必須將其處理為一個狀態(tài)足夠少但可以完全描述故障“聚集效應(yīng)”的有限個狀態(tài)的函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，通過參考 IEEE 346 標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)內(nèi)容，將天氣分為 3 類：正常天氣、惡劣天氣、極惡劣天氣。根據(jù)設(shè)備在不同天氣狀況下的故障率不同，利用不同天氣情況在全年中所占比例求取系統(tǒng)全年平均可靠性參數(shù)。以下是主要指標(biāo)的計(jì)算公式。

（1）平均無故障運(yùn)行時間 (MTBF)：

山林綠樹旁，幾十畝田地以籬笆隔成棋盤狀方格。每一格便是一壟精耕細(xì)作的熟地，依四季不同，大小不等的長方形、正方形田埂里長著應(yīng)季時令蔬菜。但凡爬藤的、掛果的、梗葉的、塊莖的，青紅白黃各色蔬果，綠油油長勢喜人。田疇外斜坡上，依次排列著鍬、鋤、鐮、耙、犁、瓢等十八般農(nóng)具。田間縱橫之小徑，統(tǒng)統(tǒng)通向圍在菜地中央的一口池塘。塘邊一頭等待套犁耕田的水牛漫不經(jīng)心地啃著青草，塘中一群麻鴨正在悠閑戲水。四五塊木跳板搭在塘沿四周，隨時供耕者擔(dān)水澆灌或洗濯。顫悠悠的跳板一端，備有木桶、扁擔(dān)和竹籃、篾箕……

式中：R 為統(tǒng)計(jì)的元件數(shù)；ri為統(tǒng)計(jì)的第 i 個元件發(fā)生故障的總次數(shù)；tij為第 i 個部件的第 j-1 次故障到第 j 次故障之間的工作時間。

（2）平均修復(fù)時間 (MTTR)：

式中：twi為第 i 次故障發(fā)生的時刻；tai為第 i 次重新恢復(fù)運(yùn)行的時刻；K 為故障修復(fù)次數(shù)。

（3）可用率 (A)：

（4）用戶平均故障停電時間 (AFHC)：

式中：N 為負(fù)荷點(diǎn)總數(shù)；Usk為第 k 個負(fù)荷點(diǎn)的故障平均持續(xù)時間。AFHC 的單位是 h/(a.戶)。

（5）用戶平均故障停電次數(shù) (AFTC)：

式中：N 是負(fù)荷點(diǎn)總數(shù)，即用戶總數(shù)；λsk是第 k 個負(fù)荷點(diǎn)的故障次數(shù)。AFTC 的單位是次/(a.戶)。

計(jì)算中所需的元件RAMS參數(shù)如表1所示。表中數(shù)據(jù)來源于國家電力監(jiān)管委員會電力可靠性中心發(fā)布的可靠性指標(biāo)，并參照部分鐵路統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

表 1 元件RAMS參數(shù)表

3 可靠性指標(biāo)計(jì)算及分析

由于鐵路貫通線可以采用不同的設(shè)計(jì)方案，如電纜線路與架空線路的不同，變配電所接線方式的不同等。因此，對各種不同設(shè)計(jì)方案下的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果及其與我國城市配電網(wǎng)10 kV用戶供電統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的對比如表2所示。

（1）在無橋、外橋、內(nèi)橋 3 種典型的變配電所接線方式中，內(nèi)橋接線的供電可靠性最高且符合鐵路電力供電系統(tǒng)的實(shí)際情況。建議鐵路電力供電系統(tǒng)中35 kV及以上變配電所使用內(nèi)橋加單母線分段的接線方式。

（2）鐵路雙貫通供電方式的可靠性要優(yōu)于單貫通供電方式。對于供電可用率要求高的鐵路供電設(shè)計(jì)方案，應(yīng)采用雙貫通方式供電。

（3）在雙貫通的負(fù)荷接入方式中，環(huán)網(wǎng)接入方式的可靠性略優(yōu)于 T 接方式，但其經(jīng)濟(jì)性不如 T接方式，綜合考慮后建議使用 T 接方式，但需要每隔一段距離設(shè)置一分段開關(guān)，以便故障的隔離和查找。在單貫通線中，環(huán)網(wǎng)接入方式的可靠性指標(biāo)明顯優(yōu)于 T 接方式，在經(jīng)濟(jì)條件允許下建議使用環(huán)網(wǎng)接入方式。

（4）由于鐵路貫通線電纜線路敷設(shè)于隔離帶內(nèi)，不易受外界施工、人為破壞等影響，所以鐵路貫通線的電纜故障率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于架空線的故障率，采用電纜線大大提高了鐵路電力供電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。

表2 鐵路貫通線與城市10 kV配電網(wǎng)供電可用率對比表

（5）負(fù)荷點(diǎn)位置會對其可靠性指標(biāo)產(chǎn)生影響。單貫通較雙貫通供電方式更易受負(fù)荷點(diǎn)位置的影響。遠(yuǎn)離電源、貫通線路較長的負(fù)荷點(diǎn)，其可靠性指標(biāo)相對于靠近電源、供電線路較短的負(fù)荷點(diǎn)要差。

（6）供電可用率更易受元件故障率的影響，利用靈敏度分析可以找到制約可靠性指標(biāo)的瓶頸。不同接線方式下，靈敏度排序不一樣，單貫通方式下制約供電可靠性的瓶頸是輸電線路的故障率，雙貫通方式下則為負(fù)荷母線的故障率，單貫通方式對元件的依賴程度要高于雙貫通方式。

4 結(jié)束語

針對鐵路貫通線與城市配電網(wǎng) 10 kV 供電系統(tǒng)的不同特點(diǎn)，及其對鐵路貫通線系統(tǒng)整體可靠性造成的影響，利用基于最小路的網(wǎng)絡(luò)法對鐵路貫通線的可靠性進(jìn)行評估，提出鐵路貫通線的設(shè)計(jì)方案的參考意見。從計(jì)算結(jié)果可以看出，雖然干線鐵路貫通線與城市配電網(wǎng) 10 kV 供電系統(tǒng)的電壓等級相同，但由于兩個系統(tǒng)的不同特征，相同電壓等級的鐵路貫通線的可靠性要高于城市配電網(wǎng)的可靠性，這符合鐵路貫通線供電高可靠性的客觀要求。

[1]孫建明，顏秋容. 高速鐵路10 kV電力系統(tǒng)RAMS定量評估研究[J]. 鐵道工程學(xué)報，2008，10(12)：40-44.

[2] 蘇小倩，吳重民，林曉東. 配電系統(tǒng)可靠性的評估和分析[J]. 廣東電力，2002，15(4)：22-25.

[3] 賈曉楠，吳俊勇，劉海軍. 高速鐵路牽引變電所電氣主接線的可靠性評估[J]. 電氣化鐵道，2007(6)：1-5.