本文摘要：摘要：本文研究了隔离断路器取代母线侧隔离开关、断路器及线路侧隔离开关对供电可靠性的影响。文中以110kV单母线一进四出的接线方式为例，应用泊松分布表征设备故障分布，建立了常规开关出线和隔离断路器出线的供电可靠性分析模型，模型考虑了母线停电对全站供电可靠性
摘要：本文研究了隔离断路器取代母线侧隔离开关、断路器及线路侧隔离开关对供电可靠性的影响。文中以110kV单母线一进四出的接线方式为例，应用泊松分布表征设备故障分布，建立了常规开关出线和隔离断路器出线的供电可靠性分析模型，模型考虑了母线停电对全站供电可靠性的影响，模型参数通过调研获得，应用该模型计算了不同检修方式和不同计划检修周期下，常规开关出线和隔离断路器出线的总停电检修时间，结果显示，如应用全站同步检修的方式，则采用隔离断路器出线的供电可靠性明显优用隔离断路器出线的供电可靠性明显优于常规开关出线，不会因为母线受累停电导致供电可靠性下降。隔离断路器可以推广应用。
关键词：隔离断路器;可靠性;泊松分布
0引言
AIS变电站中的敞开式隔离开关，由于触头及机械部件裸露于空气中，易受大气环境影响，经常发生触头电接触不良及机械卡涩等故障，成为影响供电可靠性的突出因素[1,2]。隔离断路器是一种集成式高压开关设备[3,4]，兼有断路器及隔离开关的功能，原则上可代替母线侧隔离开关、断路器及线路侧隔离开关三台设备。因为老旧隔离开关故障率高，瑞典电网与ABB合作对开关间隔进行了大范围改造，应用隔离断路器，取消了隔离开关，取得了十分良好的效果[5]。事实上，隔离断路器的优点不仅如此，采用隔离断路器后变电站的占地面积大幅减少，若采用电子式电流互感器，并集成于隔离断路器，可进一步实现了4合1的效果，这对于AIS变电站选址、节约投资及减少运维工作量等具有重要意义，因此成为变电工程设计的重要选项之一[6，7]。
我国于2011年就颁布了隔离断路器的国家标准[3]，但仅有少量应用，原因在于，采用隔离断路器在国内一直存在较大争议，主要有两点，争议之一是采用隔离断路器后少了可视化的断口，担心影响检修人员的安全，为此，隔离断路器专门增加接地开关的机械锁装置，并由国家标准予以规范，同时，考虑到GIS也看不到断口，故此，这个争议不是很大。必要时，可增加简易图像传感器，通过无线方式将断口状态传下来。
争议之二是母线“陪停”问题，这是争议的焦点。反方认为，隔离断路器停电检修时，由于缺少母线侧隔离开关的安全隔离，需要母线停电，进而影响到该母线其他出线的正常运行，导致整段母线上的全部出线受累停电，这必然导致供电可靠性的下降;正方则以瑞典电网经验为例，认为断路器可靠性比隔离开关高很多，采用隔离断路器并取消隔离开关，可免除隔离开关故障率高的困扰，可大幅延长检修周期，实际上有利于供电可靠性的提升。在国家电网建设新一代智能变电站时，这一争议广泛存在于设计、运行和管理决策等部门。
由于事关AIS站主接线的重大改变，在隔离断路器推广应用前，极有必要对此进行专门的论证，得出科学结论。为了回答这一争议，文[8]进行了专门研究，应用割集法分析了隔离断路器故障的影响，并给出采用隔离断路器有利于提升供电可靠性的结论。但是，这一方法没有考虑设备故障检修、计划检修、检修时发现故障等复杂的运维过程，因而未能从根本上化解争议。本文以110kV变电站、主接线为单母线1进4出的标准设计为场景，其中进线接电源，4条出线接用户。
文中以4条出线年度总停电检修时间来表征可靠性水平，采用泊松分布表征设备故障次数分布，建立了供电可靠性模型，计算了常规开关出线和隔离断路器出线在不同运维策略下的供电可靠性水平，并在此基础上对比了电子式电流互感器集成安装与独立安装对供电可靠性的影响。研究表明，如计划检修采用整段母线所有出线设备同步检修的作业方式，并大幅延长计划检修周期，则应用隔离断路器代替常规开关可以明显提升供电可靠性水平，其收益远大于母线“陪停”造成的不利影响，隔离断路器具有推广应用的重要价值。
1基于泊松过程的设备故障模型
为了聚焦本文关注的问题，模型仅考虑故障停电检修和例行计划检修两类停电事件。其中，运行中的设备故障及在计划检修过程中发现设备缺陷均属于随机性事件，需要通过建模来分析。泊松过程常用来分析工程实践中的可靠性问题[9]。实践证明，对于已有成熟制造经验的电网设备，其无故障运行时间大致服从指数分布[10-13]，任意时段内的故障次数服从泊松分布。
2供电可靠性定义及建模要素分析
2.1供电可靠性定义
本文旨在分析设备故障检修及计划检修对供电可靠性的影响，为聚焦这一主题，将不必关注的其他因素略去。通常，供电可靠性用“停电时户数”表示，基于本文研究的主题，可用“出线”代替“户数”，即由全部4条出线累加起来的总停电检修小时数(简称“总的停电时线数”)来表征其供电可靠性水平。
2.2建模要素分析
为了使模型能够真实反映停电检修的实际过程，模型应充分考虑停电检修的每一个细节。故障检修和计划检修属于完全不同的检修类别，模型应分别予以考虑。首先，故障检修由设备故障引起，检修只针对故障设备。为了合理简化模型，略去2台及以上设备同时发生故障的极小概率事件，因此，模型中仅考虑故障停电检修一次只面向1条出线中的1台故障设备。 其次，为了分析母线受累停电，可将出线设备分为两类，一类是直连母线的设备，这部分设备检修前会通过DC1或DCB断开与母线的电气联系，故此，只需所属出线停电，母线不必停电。
第三，计划检修主要目的是开展预防性试验，具体实施时，可以一次或分次进行。检修时需要操作与母线直连的设备，以便与带电母线实现电气隔离。例如，检修其中的CB、DC2及CT时，需打开DC1，检修结束后再合上DC1。检修其中的隔离断路器时，因无隔离开关，需要母线停电(通常也非要求全程停电)。此外，还须指出，试验及配合试验的操作中会有一定几率发现设备故障，这会额外增加检修时间，如涉及母线直连设备的故障，还会因母线受累而扩大停电范围，对此建模时应予以考虑。
第四，计划检修策略的影响，主要考虑三个因素，①计划检修周期。②检修作业方式，包括一次检修1条出线，分四次完成全部检修，即在检修其中1条出线时，其它3条出线正常运行;或是一次同步检修2条出线，分两次完成全部检修，检修时另外2条出线正常运行;或是一次同步检修全部4条出线等。③对与母线直连的隔离开关(DC1)，除发现有严重危及供电安全的缺陷，通常不进行停电检修，等待计划检修时一并处理。
3常规开关出线的可靠性建模
根据前述建模要素分析，对总的停电时线数的计算采用先分解、再合成的方法：第一步，计算故障停电检修时间
4隔离断路器出线的可靠性建模
在新一代智能变电站中，还有一种方案，即将电子式电流互感器与隔离断路器集成在一起，组成一个新型设备[14-17]，电子式电流互感器采集单元安装在隔离断路器的高压端，此种情形下，采集单元故障也需要母线停电。
5供电可靠性对比分析
为了应用上述模型获得总的停电时线数的量化结果，组织河南、江苏两省十余位变电检修专家，对110kV断路器、隔离开关、电流互感器等设备的年故障次数、单次故障的平均停电检修时间等进行了研讨，各地经验数据的统计;同时，获得了计划检修时所有设备无异常时的停电检修时间、以及检修期间发现各设备缺陷的几率和对应的停电检修时间;此外，常规开关出线中DC1涉及母线停电的模型参数。特别指出，其中DC1和DC2数据不一致的原因是为了避免母线停电，DC1仅在发生严重缺陷时才安排故障停电检修。
究其原因，不难发现，隔离断路器的母线“陪停”主要源于计划检修，而不是故障检修。计划检修时，断路器要进行多项预防性试验，持续时间远大于隔离开关，故此，避免计划检修造成母线“陪停”的最有效方法是采用整段母线所有出线同步检修的作业方式，此种情形下，仅有故障检修时才需要母线“陪停”，这样，不利影响被极大消减，而断路器可靠性高的有利影响开始真正发挥作用，此种情况下，采用隔离断路器的供电可靠性不降反升，而且十分显著，这与瑞典电网的运行经验是一致的[5]。
基于上述分析可知，只要计划检修适宜整段母线同步进行的场景，由隔离断路器引起的母线“陪停”就不会成为问题，其可靠性高的优势却非常显著，应用隔离断路器是极为有益的。本文还计算分析了220kV双母线应用隔离断路器的效果，采用相同的建模方法，计算得到了相近的结果。
6结论
(1)建立了基于泊松分布的变电站出线可靠性分析模型，可定量分析设备故障及计划检修对供电可靠性的影响，也可用于设备检修策略的优化。(2)若采取多条出线同步检修的作业方式，则隔离断路器不仅不会降低反而会增加供电可靠性，这与瑞典电网的经验是一致的。(3)如AIS站采用了隔离断路器，为更好地发挥其可靠性高的优势，应延长计划检修周期。
参考文献
[1]邱志斌，阮江军等.基于电机电流检测的高压隔离开关机械故障诊断[J]，中国电机工程学报，2015,35(13)：3459-3466.QIUZhibin,RUANJiangjun,etal.MechanicalFaultDiagnosisofHighVoltageDisconnectorBasedonMotorCurrentDetection[J].ProceedingsoftheCSEE,2015,35(13)：3459-3466(inChinese).
[2]钟振蛟.户外隔离开关机械故障的起因及预防[J]，高压电器，2006,42(6)：464-467.ZHONGZhen-jiao.TheCauseandPreventionofOutdoorDisconnector'sMechanicalFaults[J],HighVoltageApparatus,2006,42(6)：464-467(inChinese).
[3]GB/T27747额定电压72.5kV及以上交流隔离断路器[S]，2011，北京：中国标准出版社.
作者：刘有为1，肖燕1，方燕虹2
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