同塔四回輸電系統(tǒng)可靠性分析

孫玉嬌，秦曉輝，周勤勇

(中國電力科學(xué)研究院，北京市100192)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和電力需求的不斷增加，電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。為提高電力傳輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性，采用高電壓、大容量輸電技術(shù)已成為一種必然趨勢，尤其在我國電力供應(yīng)緊張、資源分布不均勻的情況下，采用超高壓、大容量輸電技術(shù)已是大勢所趨勢。

超/特高壓、大容量輸電一般需要更高的設(shè)備投資和更先進(jìn)的技術(shù)水平，目前我國已建成750 kV超高壓交流線路、1 000 kV特高壓交流試驗工程及±800 kV特高壓直流輸電工程，并將在以后的幾十年內(nèi)繼續(xù)實(shí)施超高壓、特高壓輸電技術(shù)，逐漸形成以特高壓線路為主網(wǎng)架的全國堅強(qiáng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

超高壓、特高壓線路與一般的高壓線路相比，其占用的用電走廊面積大，需要的桿塔高度高，對線路的絕緣水平也有較高的要求，總體投資較大。國外的研究及運(yùn)行經(jīng)驗表明，采用同塔多回輸電技術(shù)［1］及緊湊型輸電技術(shù)，可有效節(jié)省用電走廊面積，減少土地資源的使用，提高電網(wǎng)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。

我國土地資源有限，尤其在山區(qū)等地理條件特殊地區(qū)，其可以提供的用電走廊面積有限，因此，為節(jié)省用電走廊，減少投資費(fèi)用，同時滿足大容量輸電要求，提出了采用同塔多回輸電技術(shù)和緊湊型輸電技術(shù)［2-8］。此外，在電網(wǎng)建設(shè)過程中，除了進(jìn)行新線路建設(shè)，也需要對某些現(xiàn)有線路進(jìn)行升級改造，這就可能導(dǎo)致相同電壓等級和不同電壓等級同塔多回線路同時存在。

同塔多回輸電技術(shù)的研究包括桿塔結(jié)構(gòu)、耐雷水平、線路保護(hù)故障判別、絕緣子型式選擇與環(huán)境影響、運(yùn)行與檢修特點(diǎn)［9］以及絕緣、防雷、電磁兼容［10］等很多方面。目前，我國在同塔多回輸電技術(shù)方面已開展了相關(guān)研究，包括對潛供電流和恢復(fù)電壓［11］、感應(yīng)電流與感應(yīng)電壓［12］、相序排列［13］、提高輸電能力的措施［14］、故障計算［15-16］、參數(shù)修正方法［17］、相模變換［18］、保護(hù)［19］、故障定位［20］及電磁環(huán)境仿真［21］等方面的相關(guān)研究內(nèi)容。但在同塔多回可靠性方面，相關(guān)研究文獻(xiàn)較少，文獻(xiàn)［22］采用結(jié)構(gòu)可靠度理論探討了可變荷載效應(yīng)與永久荷載效應(yīng)的比值對我國超/特高壓多回路桿塔結(jié)構(gòu)可靠性的影響，文獻(xiàn)［23］運(yùn)用馬爾可夫隨機(jī)過程理論導(dǎo)出了一種雙回平行輸電線路可靠性評估統(tǒng)一模型，文獻(xiàn)［24］提出了基于分離模型的考慮獨(dú)立停運(yùn)、共因停運(yùn)和相關(guān)停運(yùn)的雙回平行輸電線路可靠性評估模型。但以上研究尚未給出同塔多回輸電系統(tǒng)可靠性分析的方法。

國外的同塔多回輸電線路多用在500 kV及以下電壓等級，而我國已建設(shè)了750 kV的超高壓和1 000 kV的特高壓，在超高壓和特高壓情況下采用同塔多回輸電技術(shù)，若同塔多回線路發(fā)生故障可能對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此，研究超/特高壓情況下同塔多回輸電技術(shù)的可靠性對目前我國電網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)及安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

本文重點(diǎn)研究同塔四回輸電系統(tǒng)的可靠性，基于分離模型的可靠性評估方法［25］，給出同塔四回輸電系統(tǒng)及雙塔四回輸電系統(tǒng)中不同類型故障的概率計算公式，并結(jié)合實(shí)際工程統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對比分析同塔四回輸電系統(tǒng)及雙塔四回輸電系統(tǒng)中各不同類型故障的概率，得出相關(guān)結(jié)論，以供電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)借鑒之用。

1 同塔四回輸電系統(tǒng)停運(yùn)模型

同塔四回路輸電系統(tǒng)中各元件獨(dú)立停運(yùn)的模型如圖1所示。圖中:λi表示同塔四回輸電系統(tǒng)中第i個元件獨(dú)立停運(yùn)的停運(yùn)率;ui表示第i個元件獨(dú)立停運(yùn)的修復(fù)率;i=1，2，3，4。

圖1 同塔四回輸電系統(tǒng)中各元件獨(dú)立停運(yùn)模型Fig.1 Independent outage model of different elements in four-circuit-on-same-tower power transmission systems

同塔四回路輸電系統(tǒng)中各元件同時停運(yùn)的共因停運(yùn)模型如圖2所示。圖中:λ4C表示同塔四回輸電系統(tǒng)中各元件共因停運(yùn)的停運(yùn)率;u4C表示同塔四回輸電系統(tǒng)中各元件共因停運(yùn)的修復(fù)率。

圖2 同塔四回輸電系統(tǒng)中各元件同時停運(yùn)的共因停運(yùn)模型Fig.2 Common mode outage model of different elements in four-circuit-on-same-tower power transmission systems

同塔四回路輸電系統(tǒng)中2回路發(fā)生共因停運(yùn)時的停運(yùn)模型如圖3所示。圖中:λ2C12表示同塔四回路輸電系統(tǒng)中第1、2回線路共因停運(yùn)的停運(yùn)率;u2C12表示同塔四回路輸電系統(tǒng)中第1、2回線路共因停運(yùn)的修復(fù)率;λ2C34表示同塔四回路輸電系統(tǒng)中第3、4回線路共因停運(yùn)的停運(yùn)率;u2C34表示同塔四回路輸電系統(tǒng)中第3、4回線路共因停運(yùn)的修復(fù)率。

圖3 同塔四回輸電系統(tǒng)中2回線路同時停運(yùn)的共因停運(yùn)模型Fig.3 Common mode outage model of two lines four-circuit-on-same-tower power transmission systems

此外，同塔四回線路中還存在1、3回線路共因停運(yùn)及2、4回線路共因停運(yùn)的情況，其停運(yùn)模型與1、2回線路共因停運(yùn)及3、4回線路共因停運(yùn)模型相似。

計算中，令:

2 同塔四回輸電系統(tǒng)線路停運(yùn)概率

基于分離模型，對同塔四回輸電系統(tǒng)不同類型的線路停運(yùn)概率進(jìn)行了公式推導(dǎo)，具體結(jié)果見表1。

表1 同塔四回輸電系統(tǒng)中不同類型的線路停運(yùn)概率計算公式Tab.1 Probability formula of different types of lines’outage in four-circuit-on-same-tower power transmission systems

3 雙塔四回輸電系統(tǒng)線路停運(yùn)概率

基于分離模型，對雙塔四回輸電系統(tǒng)不同類型的線路停運(yùn)概率進(jìn)行了公式推導(dǎo)，具體結(jié)果見表2。

4 同塔四回與雙塔四回可靠性比較

假設(shè)單回線路的失效頻率為λi==1.5次 /a(i=1，2，3，4)，修復(fù)時間為20 h/次，則平均修復(fù)時間tMTTR1=30 h，因此可得單回線路的修復(fù)率為

進(jìn)一步，可得到:

假設(shè)雙回線路同時失效的頻率為λij==1.5次 /a(i，j=1，2，3，4)，修復(fù)時間為 200 h/ 次，則tMTTR2C=300 h，因此可得到雙回線路的修復(fù)率為

進(jìn)一步，可得到:

表2 雙塔四回輸電系統(tǒng)不同類型故障停運(yùn)概率計算公式Tab.2 Probability formula of different types of lines’outage in four-circuit-on-two-tower power transmission systems

根據(jù)式(1)、(2)可得

假設(shè)四回線路同時失效的頻率為0.15次 /a，修復(fù)時間為300 h/次，則tMTTR4C=45 h，因此可得到四回線路的修復(fù)率為

進(jìn)一步，可得到:

假設(shè)雙塔四回線路中四回線路同時失效的頻率為0.015 次 /a，修復(fù)時間為300 h/次，則=4.5 h，因此可得到四回線路的修復(fù)率為

進(jìn)一步，可得到:

根據(jù)以上假設(shè)條件，將各種類型故障的失效率及修復(fù)率代入，得到同塔四回與雙塔四回線路的可靠性比較結(jié)果見表3。

由計算結(jié)果可以看出，同塔四回輸電線路與雙塔四回輸電線路相比，其可靠性要低于雙塔四回輸電線路。由于目前實(shí)際運(yùn)行的同塔四回線路較少，故障頻率數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確獲取，因此，具體的假設(shè)條件可能存在偏差，對可靠性結(jié)果會產(chǎn)生一定的影響。

表3 同塔四回輸電系統(tǒng)與雙塔四回輸電系統(tǒng)不同類型故障概率比較Tab.3 Comparison of outage probability of different types of faults between four-circuit-on-same-tower power transmission systems and four-circuit-on-two-tower power transmission systems

5 結(jié)論

(1)采用基于分離模型的可靠性評估方法，對同塔四回輸電系統(tǒng)可靠性進(jìn)行了分析，給出同塔四回輸電系統(tǒng)中不同類型故障的停運(yùn)模型，推導(dǎo)了同塔四回輸電系統(tǒng)及雙塔四回輸電系統(tǒng)中不同類型故障的概率公式，結(jié)合工程實(shí)際中常見的線路失效頻率和修復(fù)時間，對同塔四回輸電系統(tǒng)及雙塔四回輸電系統(tǒng)可靠性進(jìn)行了分析和比較，可知同塔四回輸電系統(tǒng)可靠性低于雙塔四回輸電系統(tǒng)。

(2)本文所提供的方法可用于一般的同塔四回及雙塔四回輸電系統(tǒng)中不同類型故障概率的計算，也可用于指導(dǎo)電網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)及實(shí)際運(yùn)行。

［1］徐建國.對國外超高壓同塔多回送電線路技術(shù)的調(diào)研分析［J］.電力建設(shè)，2001，22(7):15-18.

［2］孟毓.220 kV同塔3回路架空線設(shè)計研究［J］.上海電力，2003(4):295-297.

［3］廖毅，李敏生.500 kV/220 kV同塔四回路輸電線路設(shè)計與實(shí)施［J］.南方電網(wǎng)技術(shù)研究，2006，2(6):34-53.

［4］趙全江，謝幫華，徐維毅.750 kV同塔雙回線路導(dǎo)線選擇研究［J］.電力建設(shè)，2007，28(2):11-15.

［5］趙全江.500 kV三回同塔輸電線路設(shè)計探討［J］.電力建設(shè)，2008，29(1):13-16.

［6］張勇.同塔多回高壓輸電線路在淮南礦區(qū)的應(yīng)用［J］.電力與能源，2010(17):192-194.

［7］郭瀚.500 kV獅洋至五邑同塔四回線路的設(shè)計情況［J］.沿海企業(yè)與科技，2010(7):121-122.

［8］施柳武，席曉麗.1 000 kV特高壓交流同塔雙回線路換位塔型式選擇［J］.電力建設(shè)，2012，33(1):38-41.

［9］張嘉昱，葛榮良.同塔多回輸電技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用分析［J］.華東電力，2005，33(7):23-26.

［10］黃愛華，鄭旭，錢廣忠.同桿并架多回路技術(shù)的應(yīng)用［J］.華東電力，2006，34(8):60-63.

［11］曹華珍，蔡廣林，汪晶毅，等.廣東500 kV同塔多回線路對潛供電流和恢復(fù)電壓的影響［J］.中國電力，2010，43(11):14-19.

［12］班連庚，王曉剛，白宏坤，等.同塔架設(shè)的220 kV/500 kV輸電線路感應(yīng)電流與感應(yīng)電壓仿真分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(6):45-49.

［13］王曉彤，林集明，班連庚，等.廣東500 kV同塔四回線路相序排列的選擇［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(19):87-91.

［14］周孝信，郭劍波，胡學(xué)浩，等.提高交流500 kV線路輸電能力的實(shí)用化技術(shù)和措施［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2001，25(3):1-6.

［15］劉玲，范春菊.基于六序分量法的跨電壓等級的同塔四回線的故障計算［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(9):6-11.

［16］索南，葛耀中，陶惠良.利用六序分量復(fù)合序網(wǎng)法分析同桿雙回線故障的新方法［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，1991，3(1):92-106.

［17］舒巧俊，范春菊.同桿2回和4回線路中序網(wǎng)參數(shù)修正方法研究［J］.現(xiàn)代電力，2010，27(1):45-48.

［18］張琦兵，邰能靈，袁成，等.同塔四回輸電線的相模變換［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2009，29(34):57-62.

［19］金紅核，任明珠，袁成，等.同塔四回線線問互感對接地距離保護(hù)的影響及對策［J］.華東電力，2009，37(8):1346-1350.

［20］余勝，許鋼，余瓊，等.不同電壓等級同桿并架多回線路的故障定位［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(6):44-47.

［21］張曉，賈振宏，吳鎖平，等.500/220 kV混壓同塔四回線路電磁環(huán)境的仿真分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(5):207-211.

［22］高雁，楊靖波，韓軍科.超－特高壓多回路桿塔結(jié)構(gòu)可靠性分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(9):181-184.

［23］王韶，周家啟.雙回平行輸電線路可靠性模型［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2003，23(9):53-56.

［24］林智敏，林韓，溫步瀛.基于分離模型的雙回平行輸電線路可靠性評估［J］.華東電力，2008，36(7):34-37.

［25］李文沅.電力系統(tǒng)風(fēng)險評估模型、方法和應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2006.