于 洋

(神華新準(zhǔn)鐵路有限責(zé)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(zhǔn)鐵路有限責(zé)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(yīng)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(fù)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(gòu)十分復(fù)雜，包含很多電氣設(shè)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(wù)等業(yè)務(wù)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(shè)置一條一級負荷電力貫通線和一條綜合電力貫通線構(gòu)成，通常采用10 kV電力貫通線，大約每隔50～70 km設(shè)置一個配電所或開閉所，沿線與行車有關(guān)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(yīng)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(gòu)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(shè)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(shè)備。這些電力設(shè)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(shè)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(shè)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(gòu)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(shè)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(shè)，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(zāi)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(shè)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(shè)備中的各類故障以及事故隱患問題，例如設(shè)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(shè)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(shè)備因素和自然環(huán)境因素是主要原因，需要重點分析設(shè)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(luò)法，網(wǎng)絡(luò)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(biāo)，建立可靠性數(shù)學(xué)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(zhǔn)確，但是同時也十分復(fù)雜，對建立準(zhǔn)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(yù)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(shù)人員理解和掌握，且應(yīng)用該方法時，能夠發(fā)現(xiàn)一些工程技術(shù)人員難以預(yù)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(guān)，容易處理各種實際運行控制策略，故適用于復(fù)雜系統(tǒng)，尤其是難以用解析法進行求解的大型復(fù)雜電力系統(tǒng)。蒙特卡洛法應(yīng)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(dǎo)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(chǔ)。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(guān)的特性，即狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率與系統(tǒng)之前的歷史無關(guān)。

應(yīng)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(yīng)用馬爾可夫鏈建立鐵路電力設(shè)備的模型，并確定各個設(shè)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(yù)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(biāo)，對系統(tǒng)運行中有可能發(fā)生的故障進行預(yù)報，或者提出相應(yīng)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(dāng)復(fù)雜，由于原件只有兩種工作狀態(tài)，通常情況下，原件的修復(fù)時間必須服從指數(shù)分布，當(dāng)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(shè)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(biāo)，將遴選出的故障狀態(tài)作為一種事件構(gòu)造一個故障樹，依據(jù)最不希望發(fā)生的概率構(gòu)建的邏輯關(guān)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(gòu)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(fù)。

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(biāo)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(yīng)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(fù)雜，元件種類和數(shù)量較多，為了簡化計算，故首先采用應(yīng)用最小路、最小割集法和等值網(wǎng)絡(luò)法對系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型進行等效處理，等效為相對簡單的輻射狀網(wǎng)絡(luò)，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(zhǔn)則，當(dāng)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(biāo)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(biāo)。

5 總 結(jié)

隨著我國鐵路建設(shè)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(yīng)用。

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