鐵路電力配電系統(tǒng)可靠性分析

于 洋

(神華新準鐵路有限責任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

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鐵路工程

鐵路電力配電系統(tǒng)可靠性分析

于 洋

(神華新準鐵路有限責任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

針對鐵路電力配電系統(tǒng)的可靠性分析研究，闡述了影響電力配電系統(tǒng)可靠性的影響因素，詳細的介紹了可靠性分析方法在鐵路電力配電系統(tǒng)可靠性分析中的應用。

鐵路配電系統(tǒng)；可靠性分析

1 引 言

近年來，我國鐵路事業(yè)蓬勃發(fā)展，尤其是高速鐵路，基本上實現(xiàn)了“四縱四橫”的快速鐵路網(wǎng)。隨著快速鐵路網(wǎng)的建成通車，鐵路線路更加復雜，行車速度大幅提高，對鐵路電氣化系統(tǒng)提出了更高的要求。此外，鐵路電氣化系統(tǒng)自身結(jié)構十分復雜，包含很多電氣設備，一旦發(fā)生事故，所波及的范圍很大并會造成重大損失。因此，研究鐵路的供電系統(tǒng)可靠性，確保鐵路的正常運行具有十分重要的意義。

針對鐵路電力配電系統(tǒng)，對其進行可靠性評估分析，確保可靠性指標達到期望的水平，從而保證鐵路安全運行。鐵路電力配電系統(tǒng)可靠性評估，是指外部電源到鐵路電力用戶，包括鐵路變配電所、鐵路電力貫通線、分支線、自閉線等在內(nèi)的整個鐵路配電系統(tǒng)按可以接受的供電標準以及期望的供電數(shù)量來滿足鐵路電力負荷及其供電電能需求的量度。

2 鐵路電力配電系統(tǒng)

鐵路供電系統(tǒng)分為兩部分：電力供電和牽引供電，前者為調(diào)度指揮、通信信號和旅客服務等業(yè)務提供必要的電力保障；而后者為電氣化鐵路的機車提供必要的電能。

目前，我國鐵路電力供電線路一般由沿鐵路全線設置一條一級負荷電力貫通線和一條綜合電力貫通線構成，通常采用10 kV電力貫通線，大約每隔50～70 km設置一個配電所或開閉所，沿線與行車有關的通信、信號、綜調(diào)系統(tǒng)等由一級負荷電力貫通線主供，綜合電力貫通線備供。

鐵路電力配電系統(tǒng)由于其應用的特殊性，有其自身特點：(1)電壓等級低，鐵路供電系統(tǒng)中大部分采用10 kV配電所和35 kV變電所，且鐵路變、配電所的結(jié)構功能、配置基本相同；(2)供電半徑較長，鐵路電力配電系統(tǒng)的供電半徑通常在50～70 km之內(nèi)；(3)供電可靠性要求高，需要確保配電系統(tǒng)的供電可靠性，以便配合鐵路的正常運行。

3 配電系統(tǒng)可靠性影響因素

3.1 設備因素

作為鐵路供電系統(tǒng)的重要組成部分，鐵路電力配電系統(tǒng)主要包括變壓器、貫通線路、斷路器、電流互感器、熔斷器等設備。這些電力設備的生產(chǎn)質(zhì)量，服役年齡，檢修狀況等都會影響配電系統(tǒng)正常的運行。例如針對變壓器，剛剛開始運行工作，由于設備制造初始缺陷、加工工藝等問題，因此故障率較高，但是隨著時間的增長，經(jīng)過較短的磨合期，故障率逐漸降低，經(jīng)過磨合期后，設備開始正常平穩(wěn)運行，但是隨著時間的推移，長時間使用，構件疲勞老化，使得變壓器的故障率再次升高。

3.2 自然環(huán)境因素

鐵路電力配電系統(tǒng)的部分設備與外界自然環(huán)境直接接觸，很容易受到外界自然環(huán)境的影響，從而影響配電系統(tǒng)的可靠性。例如電力貫通線沿鐵全線線路鋪設，由于鐵路跨越地域較廣，在不同地區(qū)往往存在較大的氣候差異，對電力貫通線產(chǎn)生了不利的影響。此外，地震、海嘯、洪水、雷電、暴雪、冰凍、火災等都會對電力貫通線造成破壞，從而影響整個電力配電系統(tǒng)。

3.3 管理因素

鐵路電力配電系統(tǒng)包含各種電力設備和線路，在運行過程中，由于人為因素造成的配電系統(tǒng)故障，可以歸納為管理不善。例如在日常巡視檢查工作中，并未及時發(fā)現(xiàn)電力設備中的各類故障以及事故隱患問題，例如設備發(fā)出異常的響聲，室內(nèi)有異味出現(xiàn)，部分儀表顯示異常，斷路器的指示燈顯示異常，室內(nèi)存在積水等等，未能及時消除電力設備的安全隱患，從而造成了系統(tǒng)故障。

3.4 其他因素

除了上述因素意外，而造成了鐵路電力配電系統(tǒng)發(fā)生故障的因素，例如發(fā)電站發(fā)生故障不能夠供電，鐵路供電系統(tǒng)遭到人為破壞等因素。這類造成電力配電系統(tǒng)發(fā)生故障的概率通常很小，屬于偶然事件。

上述四種造成鐵路電力配電系統(tǒng)故障的因素中，設備因素和自然環(huán)境因素是主要原因，需要重點分析設備自身特性與環(huán)境因素所造成的故障率，分析二者對電力配電系統(tǒng)可靠性的影響。而管理因素與其他因素造成故障的概率較小。

4 配電系統(tǒng)可靠性研究方法

目前，常用的電力配電系統(tǒng)可靠性分析方法主要有兩種：第一種是解析法；第二種是模擬法。解析法又可以分為狀態(tài)空間法和網(wǎng)絡法，網(wǎng)絡法又包含故障樹分析法(FTA)和故障模式后果分析法(FMEA)。解析法首先需要依據(jù)電力配電系統(tǒng)的特點，確定各類參數(shù)以及可靠性評價指標，建立可靠性數(shù)學模型，對模型求解獲得所需計算結(jié)果。解析法的特點是物理概念清晰，模型精度高，所得結(jié)果準確，但是同時也十分復雜，對建立準確的模型有較高的要求。模擬法又稱為蒙特卡羅法(MCS)，屬于近似的計算方法，是一種依據(jù)積累足夠樣本后對每次狀態(tài)估計的結(jié)果進行統(tǒng)計計算的方法。

4.1 蒙特卡羅法

蒙特卡羅模擬法是一種用數(shù)值計算的方法來模擬系統(tǒng)過程的方法。模擬法首先對系統(tǒng)進行劃分，各部分稱為元素，通過概率分布可以預測出每一個元素的特性，然后將這些元素的特性進行不同組合，來確定系統(tǒng)的可靠性。蒙特卡洛法屬于統(tǒng)計試驗方法，所獲得的結(jié)果也直觀易懂，很容易被工程技術人員理解和掌握，且應用該方法時，能夠發(fā)現(xiàn)一些工程技術人員難以預料的事故。此外，蒙特卡洛法的采樣次數(shù)與系統(tǒng)規(guī)模無關，容易處理各種實際運行控制策略，故適用于復雜系統(tǒng)，尤其是難以用解析法進行求解的大型復雜電力系統(tǒng)。蒙特卡洛法應用性很強，并且計算結(jié)果的計算精度較高，但是由于需要多種元素進行組合，往往造成計算時間增長。同時，鐵路電力配電系統(tǒng)中元件的故障率往往是由統(tǒng)計數(shù)據(jù)測得，由于統(tǒng)計數(shù)據(jù)不足或者測量誤差等原因，導致引用這些元件的故障率對配電系統(tǒng)進行可靠性分析時會產(chǎn)生一定的誤差。

4.2 狀態(tài)空間法

狀態(tài)空間法以馬爾可夫過程為理論基礎。馬爾科夫過程表示一個過程在時刻所處的狀態(tài)為已知的條件下，過程在時刻所處狀態(tài)的條件分布于過程在時刻之前所處的狀態(tài)無關的特性，即狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率與系統(tǒng)之前的歷史無關。

應用狀態(tài)空間法進行鐵路電力配電系統(tǒng)可靠性分析時，首先，應用馬爾可夫鏈建立鐵路電力設備的模型，并確定各個設備可能的狀態(tài)，以及狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程和轉(zhuǎn)換概率；對系統(tǒng)的狀態(tài)進行分析，確定系統(tǒng)在監(jiān)測過程中的狀態(tài)；隨后，對發(fā)生故障進行判斷，從而確定在預測的時間內(nèi)，故障發(fā)生概率最大的系統(tǒng)狀態(tài)，該狀態(tài)即作為評估狀態(tài)；最后，所遴選出的系統(tǒng)狀態(tài)作為概率指標，對系統(tǒng)運行中有可能發(fā)生的故障進行預報，或者提出相應的改善措施。

狀態(tài)空間法可以解決的范圍很廣，且便于計算機編程計算。但是建立模型相當復雜，由于原件只有兩種工作狀態(tài)，通常情況下，原件的修復時間必須服從指數(shù)分布，當系統(tǒng)包含了多個元件時，計算量將成倍增長，且由于近似計算，往往會造成計算精度相對較低。且采用狀態(tài)空間法進行計算時，要求系統(tǒng)設備的故障是獨立的，故該方法具有一定的局限性。

4.3 故障樹分析法

故障樹就是建立一個以系統(tǒng)故障狀態(tài)為頂端，以最不希望發(fā)生的故障狀態(tài)作為目標，將遴選出的故障狀態(tài)作為一種事件構造一個故障樹，依據(jù)最不希望發(fā)生的概率構建的邏輯關系圖就稱為故障樹。故障樹分析法簡單明確，但是僅僅適用于規(guī)模較小的電力系統(tǒng)，面對規(guī)模較大的電力系統(tǒng)，故障樹的構造就會變得十分繁瑣，且需要將大量時間花費在計算上，且不能夠考慮到系統(tǒng)元件的修復。

4.4 故障模式后果分析法

故障模式后果分析法通過查找系統(tǒng)中元件的所有狀態(tài)，獲得所有可能的系統(tǒng)狀態(tài)，然后依據(jù)可靠性評判指標對系統(tǒng)的所有狀態(tài)進行檢驗分析，找出系統(tǒng)出現(xiàn)故障時的元件組合模式，獲得系統(tǒng)的可靠性。該方法思路清晰，原理簡單，已經(jīng)在電力配電系統(tǒng)中得到廣泛的應用。

采用故障模式后果分析法進行配電系統(tǒng)可靠性分析時，由于實際配電系統(tǒng)十分復雜，元件種類和數(shù)量較多，為了簡化計算，故首先采用應用最小路、最小割集法和等值網(wǎng)絡法對系統(tǒng)的網(wǎng)絡模型進行等效處理，等效為相對簡單的輻射狀網(wǎng)絡，并建立鐵路配電系統(tǒng)的模型；隨后，由于配電系統(tǒng)可以視為完好和故障兩種狀態(tài)，通常狀況下，采用連續(xù)性作為配電系統(tǒng)評估的故障準則，當供電系統(tǒng)的連續(xù)性遭到破壞被視為故障狀態(tài)，而保持連續(xù)性被視為完好狀態(tài)，依據(jù)所定義的可靠性評判指標對配電系統(tǒng)的所有狀態(tài)進行檢驗分析，搜尋系統(tǒng)的故障模式集合，查清其對系統(tǒng)的影響。最后，計算系統(tǒng)的可靠性指標。

5 總 結(jié)

隨著我國鐵路建設的蓬勃發(fā)展，為了切實保障鐵路運輸?shù)恼＿\行，本文針對鐵路電力配電系統(tǒng)的可靠性進行了分析研究。闡述了影響電力配電系統(tǒng)可靠性的影響因素，詳細的介紹了包括蒙特卡羅模擬法，狀態(tài)空間法，故障樹分析法和故障模式后果分析法在內(nèi)的四種可靠性分析方法在鐵路電力配電系統(tǒng)可靠性分析中的應用。

[1] 郭永基.電力系統(tǒng)可靠性分析[M].北京：清華大學出版社，2003.

[2] 侯曉娜.鐵路配電系統(tǒng)的可靠性評估研究[D].武漢：華中科技大學，2008.

2016-03-11

于洋(1988-)，男，內(nèi)蒙古包頭市人，助理工程師，研究方向：鐵路配電系統(tǒng)可靠性分析。

U223

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1008-3383(2016)07-0160-02