毕业论文:10kV配电网供电可靠性分析
毕业设计（论文）
中文题目：10kV配电网供电可靠性分析
学 院：
专 业：电气工程及其自动化
姓 名：
学 号：
指导教师：
2014年2月15日
北京交通大学
毕业设计(论文)成绩评议
北京交通大学
毕业设计(论文)任务书
本任务书下达给： ** 级 研究生 电气工程及自动化 专业学生 *** 设计（论文）题目： 10kV配电网供电可靠性分析
一、设计（论述）内容：
针对10kV配电网作为电力系统的终端网络，其可靠性问题将会越来越重要的实际，重点进行了10kV配电线路停电原因的分析，指出影响配电网系统供电可靠性的因素，提出了从防止元件故障、加强维修管理、加强系统间联络提高配电系统裕度这三个方面着手提高配电系统可靠性。对提高配电网可靠性进行了探讨，给出了具体的提高配电系统可靠性的管理和技术措施。展望了采用新技术提高配电网供电可靠性的前景。
二、基本要求：
熟悉全段变电所中所运行的各种设备，对变电所的接线图进行了解，掌握典型的事故应急处理预案。
三、重点研究的问题：
1.可靠性分析在配电网运行中的应用。
2.提高配电网可靠性的技术及管理措施的讨论。根据前两项研究，找出影响配电网可靠性指标的因素，提出相应的解决措施，从而提高配电网的可靠性。
四、主要技术指标：
（ 无）
开 题 报 告
题 目：10kV配电网供电可靠性分析
报告人：**** 2014年2月2日
一、文献综述：
主要参考学习了如下文献：
[1]郭永基电力系统可靠性原理和应用(上、下)北京:清华大学出版社1986
[2]陈礼义，尚学军，配电网的发展和改造.电力系统及其自动化学报，1999.10
[3]吴敬儒.近期全国主要电网电力供需形势分析与预测.电网技术，1999.6
[4]苏畅,庄鸿棉,陈方. 多媒体技术在变电设备管理信息系统中的应用.电力系统自动化, 1997,(07).
[5]舒立春,孙才新,毛国志,顾乐观. 酸雾中染污绝缘子的交流闪络特性.高电压技术, 1995,(03).
[6]宋鹏涛，孟为群，蒋晓荣，荣燕. 北京地区“1．19”事故处理及分析.电网技术, 1996,(08).
[7]张明华，周浩. 合成绝缘子与瓷绝缘子的综合技术经济比较.电网技术, 1995,(10).
[8]王平洋. 电力系统自动化与智能技术.电力系统自动化, 1998,(01).
[9]曹世光，杨以涵，于尔铿. 缺电成本及其估计方法.电网技术, 1996,(11).
[10]根军,王磊,唐国庆. 基于蚁群最优的输电网络扩展规划.电网技术,
2001,(06).
[11]张焰. 电网规划中的可靠性成本-效益分析研究.电力系统自动化, 1999,(15).
[12]根军,李继洸,王磊,唐国庆. 基于Tabu搜索的配电网络规划.电力系统自动化, 2001,(07).
[13]蔡运清. 北美变电站自动化现状.电力系统自动化, 1997,(07)
[14]孙洪波.电力网络规划(第一版).重庆:重庆大学出版社1996:1,911
[15]于会萍，刘继宋，程浩忠等电网规划方案的成本效益分析与评价研究，电网技术2001.7，pp-32-35
二、选题的目的和意义
电力系统中，配电网直接面向用户，统计资料表明，用户的停电事故中有80%是由配电网故障引起的。随着城乡电气化程度的提高，人们对配电网可靠性提出了更高的要求。配电网可靠性正越来越受到电力部门的关注和重视。传统的配电网可靠性评估方法是故障模式与后果分析法(FMEA)，但这种方法当网络规模变大时各种故障后果分析将变得十分冗长。本论文主要对可靠性的算法进行了研究，提出了提高配电网可靠性的管理及技术措施。
针对10kV配电网作为电力系统的终端网络，其可靠性问题将会越来越重要的实际，重点进行了10kV配电线路停电原因的分析，指出影响配电网系统供电可靠性的因素，提出了从防止元件故障、加强维修管理、加强系统间联络提高配电系统裕度这三个方面着手提高配电系统可靠性。对提高配电网可靠性进行了探讨，给出了具体的提高配电系统可靠性的管理和技术措施。展望了采用新技术提高配电网供电可靠性的前景。
本研究的目的和意义就在于利用可靠性理论去分析电力系统配电网络的
可靠性，并根据所研究的可靠性计算方法分析影响可靠性的诸多因素，为电力系统网络方案的比较和寻优提供了理论依据。
三、研究方案：
第1章 绪 论
第2章 配电网元件概述及可靠性分析
第3章 配电网可靠性计算方法
第4章 10KV配电网供电可靠性分析
第5章 缩短非故障停电时间技术措施
第6章 缩短非故障停电时间管理措施
四、进度计划：
7月 15 日－8月 5 日
分析题目，查阅资料，学习与毕业设计相关的知识，作好前期准备工作。
8月 10 日－9月5 日
划分论点，进行方案论证，撰写论文。
9月8 日－10月20 日
划分论点，进行方案论证，撰写论文撰写毕业论文并征求导师意见，修改毕业论文，进行毕业论文的评议。
五、指导教师意见：
题目符合当前铁路供电的发展要求，研究方案可行，进度安排合理，可以进行下一步工作。
指导教师：*****
中期报告
题目：10kV配电网供电可靠性分析
报告人：电气工程及自动化 ****
一、总体设计
二、基本框架
第一章 绪论
第二章 配电网元件概述及可靠性分析
第三章 配电网可靠性计算方法
第四章 10KV配电网供电可靠性分析
三、进展情况
已完成该系统总体解决方案部分，技术实施方案还需进一步完善，还需进一步搜集资料，根据线路的实际情况考核使用效果进一步完善。
四、指导教师意见
论文按照进度计划进行，确定的整体思路符合任务书的要求，框架结构合理，可以进行论文的撰写工作。
指导教师：*****
结 题 验 收
一、完成日期
***年*月**日
二、完成质量
论文基本上符合要求，结构完整，层次清楚。能运用所学专业理论知识结合10KV架空线路的特点完成论文，具有一定的分析问题解决问题的能力。
三、存在问题
理论较详实，如能继续深入现场进行细节的学习会更好。
四、结论
毕业论文进行过程中，态度积极认真，按照任务书的要求，广泛查找资料，总结现场存在的问题，并及时与老师联系、沟通。按时完成了开题报告、中期报告、初稿的写作，并对初稿进行了反复修改，基本上达到了论文的写作要求。经检查可以结题。
指导教师： ***
***年*月 **日
目 录
中文摘要··················································Ⅰ 第 1 章 绪 论···········································1
1.1 配电网供电可靠性分析和现状························1
1.2 本文研究的意义及所完成的主要工作··················2
第2章 配电网元件概述及可靠性分析·························4
2.1 元件可靠性的基本概念······························4
2.1.1 可修复元件的状态····························4
2.1.2 可修复元件的与失效有关的可靠性指标··········5
2.1.3 可修复元件的与维修有关的可靠性指标··········7
2.1.4 两种典型的元件寿命概率分布··················8
2.1.5 元件的可用度·······························10
2.2 配电网络元件的故障率分析·························11
2.2.1 元件的故障率计算···························11
2.2.2 元件组的故障率分析·························13
第3章 配电网可靠性计算方法······························15
第4章 10KV配电网供电可靠性分析···························18
4.1 故障停电原因及对策·······························18
4.1.1 外力破坏···································18
4.1.2 自然灾害···································19
4.l.3 高压用户影响·······························20
4.1.4 导线问题···································20
4.1.5 其他方面··································20
4.2 非故障停电原因及解决办法·························21
4.2.1 非故障停电原因·····························21
4.2.2 解决办法··································21
第5章 缩短非故障停电时间技术措施························23
5.1 设备检修方面的技术措施···························23
5.1.1 配电所旁路运行方式···························23
5.1.2 两路独立电源第三电源备用式··················24
5.1.3 两座变台供电方式····························25
5.1.4 贯通电力线路临时两端供电方式················26
5.1.5 一座变台供电································27
5.2 设备运行方面的技术措施···························28
5.3 运输效益·········································29
5.4 完善系统结构提高配网自动化水平··················30
第6章 缩短非故障停电时间管理措施·························31
6.1 合理安排计划检修·································31
6.2 开展带电作业·····································33
第7章 前景展望·········································34 致谢······················································35 参考文献·················································36
摘 要
电力系统中，配电网直接面向用户，统计资料表明，用户的停电事故中有80%是由配电网故障引起的。随着城乡电气化程度的提高，人们对配电网可靠性提出了更高的要求。配电网可靠性正越来越受到电力部门的关注和重视。传统的配电网可靠性评估方法是故障模式与后果分析法(FMEA)，但这种方法当网络规模变大时各种故障后果分析将变得十分冗长。本论文主要对可靠性的算法进行了研究，提出了提高配电网可靠性的管理及技术措施。
针对10kV配电网作为电力系统的终端网络，其可靠性问题将会越来越重要的实际，重点进行了10kV配电线路停电原因的分析，指出影响配电网系统供电可靠性的因素，提出了从防止元件故障、加强维修管理、加强系统间联络提高配电系统裕度这三个方面着手提高配电系统可靠性。对提高配电网可靠性进行了探讨，给出了具体的提高配电系统可靠性的管理和技术措施。展望了采用新技术提高配电网供电可靠性的前景。
关键词： 配电网；可靠性；元件故障；技术措施；组织措施
第 1 章 绪 论
1.1 配电网供电可靠性分析和现状
配电网供电可靠性研究工作开始于20世纪60年代, 50多年来此项研究一直受到了同行专家的关注。目前可靠性评估己成为国外配电系统规划决策中的一项常规性工作。国内于20世纪80年代初期开始对配电系统进行可靠性研究，到目前为止这方面己有较大的进展。可靠性评估已经成为与供电质量有关的一项基本指标。由于供电可靠性问题而给用户造成的经济损失，将会成为今后电力市场电价机制完善中所要考虑的重要因素。统计资料表明，用户的停电事故中有80%是由配电网故障引起的，提高配电网的可靠性对提高电力系统供电质量具有重要意义。
近几年来电源建设有很大发展，与此同时用电量也有相应增加，用户对电能质量(包括频率、电压和谐波问题等)提出了更高要求，对供电可靠性、电量计算和电价更为关切。电力法实施以后，用户在应用法律保护自己的权益以及要求电力部门提高供电服务水平等方面的意识均有明显增强。目前我国电力工业正在进行公司化改组，向商业化运营和法制化管理发展，即全面推行“两个根本性转变”，构筑与社会主义市场经济相适应的，以资本和电网调度为纽带的新的管理体制。电力市场的完善和电力体制改革的目的是促进市场竞争，提高效率，降低成本和电价。如何适应和促进这种新形势式发展是配电网可靠性应着重考虑的新问题。
随着电网改造工作大规模的开展，国内配电网在近几年有了很大发展，新的高压变电站建成投运，老的变电站升压、增容，配电线路
得以更新，电网结构趋向合理，安全性有了一定提高但是，目前的电网也存在一些突出的问题：国民经济的发展促进了负荷的迅猛增长，出现了拉闸限电现象；负荷的构成比例发生变化，居民、商业用电明显增加，使有些线路和变压器负荷加大，甚至因超负荷而造成局部停电;因电力系统自身的缺陷造成的局部故障扩大，出现大面积长时间停电事故的现象：由于无功电源配置和调节手段不适应负荷发展，电网电压水平不能满足电能质量要求，造成电气设备损坏甚至出现电压崩溃造成的停电事故;在配电网的运行中存在网损过高的问题;电力自动化设备本身部分性能和功能不适应系统要求，没有正常发挥作用等等。
鉴于以上问题，加强对电力系统可靠性的研究，逐步提高电能质量，保证设备安全经济运行，提高供电可靠性就变得尤为重要了。在电力市场逐步形成和发展的今天，配电网供电可靠性的研究更具现实意义。
1.2 本文研究的意义及所完成的主要工作
随着经济的迅速发展和城网改造的开展，迫切要求对配电网进行科学、合理的规划。同时，随着电力企业管理工作的发展和深化，以及《电力法》的实施和电力服务承诺制的开展，供电可靠性在生产管理工作中所占的位置也越来越重要。在1995年出版的《电力工业事故调查规程》中，10KV用户供电可靠率己经被列入供电安全考核项目中，这些都大大提高人们对配电网可靠性的重视程度。
本研究的目的和意义就在于利用可靠性理论去分析电力系统配电网络的可靠性，并根据所研究的可靠性计算方法分析影响可靠性的诸多因素，为电力系统网络方案的比较和寻优提供了理论依据。
本论文所作的主要工作包括：
（1）可靠性分析在配电网运行中的应用。
（2）提高配电网可靠性的技术及管理措施的讨论。根据前两项研究，找出影响配电网可靠性指标的因素，提出相应的解决措施，从而提高配电网的可靠性。
第2章 配电网元件概述及可靠性分析 在研究电力系统可靠性时，一般把研究对象划分为元件和系统两个层次。元件是构成系统的基本单位，在系统中它不可再分割。系统是由元件组成的，是元件组成的整体。
配电系统主要指配电网络。它由许多特有的元件所组成，例如，架空线、地埋电缆、空气开关、调压器、配电变压器、电缆、隔离开关、熔断器等等。为了能够准确地分析配电系统的可靠性，必须了解这些元件的可靠性参数和一些相关特性，包括元件的可修复性和元件可靠性参数的分布函数。
2.1 元件可靠性的基本概念
从可靠性观点来看，元件可分为不可修复元件和可修复元件两大类。不可修复元件是指元件投入使用后，一旦损坏，在技术上就无法修复，或者即便可以修复，在经济上也很不划算;可修复元件是指元件投入使用后，如果损坏，仍能修复并且能够恢复到原有的功能而得以再投入使用，因此可修复元件的寿命流程是由交替着的工作和修复周期所组成的。电力系统中，绝大部分元件是可修复元件，因此，本文主要考虑可修复元件的可靠性。
2.1.1 可修复元件的状态
配电系统的主要元件如配电变压器、断路器、架空线路等都属于可修复元件。对一个正在使用中的可修复元件来说主要有可用状态和不可用状态。对配电元件来说，除了计划停运外，其处在可用状态或不可用状态是随机的。
可用状态，又称工作状态，是指元件处于可执行它的规定功能的
状态。工作状态持续的时间称为连续工作时间。
不可用状态又称停运状态，是指元件由于故障处于不能执行它的规定功能的状态;停运状态持续的时间称为连续停运时间。一个可修复的配电系统元件的寿命过程如下图所示。整个过程处在不断交替的工作状态和停运状态，记TTF为连续工作时间，TTR为连续停运时间。
图2-1 可修复元件的寿命流程图
2.1.2 可修复元件的与失效有关的可靠性指标
(l)元件可靠度R（t）:是指元件在起始时刻正常的条件下在时刻t前不发生故的概率。
R(t)=P(T>t) （2-1）
R(t)是t的函数。当元件开始使用时完全可靠，故t=0，R（t）=
1。当元件工作无穷时间后，完全损坏，故t=∞，R（t）=0。
(2)元件不可靠度F(t):是指可修复元件在起始时刻完好的条件下，在时间区间(0，t]发生首次故障的概率，因为元件在时刻t处于首次故障或处于完好状态，故有
R(t)+F(t)=1（2-2）
(3)故障密度f(t):指元件在(t，t+△t]期间发生第一次故障的概率。元件故障密度与元件不可靠度有如下关系:
f(t)=
tdF(t) （2-3） dtF(t)=⎰f(u)du （2-4） 0
f(t)△t为元件在(t，t+△t)时间内出现故障的概率。
(4)故障率λ(t):这是一个条件概率，指元件从起始时刻直至时刻t完好条件下，在时刻t以后单位时间里发生故障的概率。元件故障率与元件故障密度和元件可靠度之间的关系如下:
λ(t)=lim∆t→01P[tt] （2-5） ∆t
根据条件概率的公式，可得式(2.6)，将其代入式(2.4)可得式(2.7):
P[tt]=
=P[(tt)] PT>tP[ttRtλ(t)=f(t)（2-7） Rt将F(t)与R(t)和f(t)的关系代入式(4.7)可得可靠率R(t)与故障率λ(t)的关系如下:
tR(t)=exp⎡-⎰λ(t)dt⎤（2-8） ⎢⎥⎣0⎦
元件的典型故障率曲线下图所示为浴盆曲线。故障率曲线通常按它的变化趋势划分为三个时期:首先是元件投入运行的初期，由于设计、制造、装配上的缺陷很快暴露出来，元件故障率较高，经过一段时间的磨合，故障率由高到低，趋于稳定;接着进入恒定故障阶段，元件在这段时间里的故障率接近为常数;经过长时间的运行，元件由于老
化、疲劳和磨损等原因进入衰老期，故障率上升。
图2-2 典型故障率曲线
(5)平均无故障工作时间MTBF:是指无故障工作时间的数学期望值。
MTBF=⎰tf(t)dt（2-9） 0∞
2.1.3 可修复元件的与维修有关的可靠性指标
(1)修复概率试G(t):是指元件在起始时刻故障的条件下，在时间区间(0，t)修复的概率。修复分布函数G(t)在性质上与故障分布函数F(t)相似。对可修复元件，G(t)是一个单调递增函数:
limG(t)=0（2-10）
t→0
limG(t)=1（2-11）
t→∞
(2)修复密度以g(t):是指元件在(t，t+△t]期间首次修复的概率。修复密度g(t)与修复概率G(t)的关系如下:
g(t)=dG(t)（2-12） dt
g(t)dt=G(t+dt)-G(t)（2-13）
试g(t)是元件在起始时刻故障，在(t，t+dt)期间修复的概率。
G(t)=⎰g(u)du（2-14） 0t
G(t2)-G(t1)=⎰g(u)du（2-15） t1t2
其中G(t2)—G(t1)是元件在起始时刻故障条件下，在(t1，t2)期间完成首次修复的概率。
(3)修复率声(t):是元件在起始时刻直至时刻t故障的条件下，在时刻t以后每单位时间里修复的概率。
μ(t)=limP[t
∆t→0
其中:TD是元件的修复时间，是一个随机变量。
仿照故障率λ(t)的推导过程可得:
μ(t)=g(t)（2-17） 1-GttG(t)=1-exp⎡-⎰μ(u)du⎤（2-18） ⎢⎥⎣0⎦
(4)平均修复时间MTTR:是修复时间的数学期望值。
MTTR=⎰tg(t)dt（2-19） 0∞
2.1.4 两种典型的元件寿命概率分布
元件的寿命分布模型(元件寿命的概率分布)是一个统计模型，是通过对大量元件失效数据的统计、分析、抽象后建立的，一个反映元件主要特征，忽略次要成分的理性化的描述。最常见的元件寿命分布模型有6种，分别为指数分布、正态分布、伽马分布、对数正态分布、
威布尔分布和极值分布。本文主要讨论指数分布和威布尔分布。前者只有一个参数，数字处理容易，而且所获得结果基本满足要求，常常被用于完成复杂的系统的可靠性分析，本文中元件的可靠性参数就采取了这种模型;后者由于随着其曲线形状可以随形状参数的不同而改变，使得它在数据拟合上极富于弹性，因此近年来也被广泛应用。
(1)指数分布
指数分布用来表示偶然发生的事件，偶然失效的时间特征极为重要。当产品处在寿命期的使用阶段，其失效率函数为常数，故障率λ(t)= λ
F(t)=1-e-λt（2-20）
R(t)=e-λt（2-21）
f(t)=λe-λt（2-22）
MTBF=⎰tλe-λtdt=0∞1λ（2-23）
若令元件的修复率μ(t)=μ，则有
G(t)=1-e-μt（2-24）
g(t)=μe-μt（2-25）
MTTR=⎰tμe-μtdt=0∞1μ（2-26）
根据国外的一些统计数据可知，架空线路的修复时间可以近似的看成指数分布，但是地埋电缆的修复时间则更接近于正态分布。其他元件也有类似的情况。如果计及这些不同类型的分布，将使计算大大复杂化。但是考虑到由统计方法求得的可靠性参数本身的误差可能更大，因此在本文的讨论中认为所有元件的寿命分布呈指数分布。
(2)威布尔分布
是由瑞士科学家W.Weibull独立提出的，就其表达形式而言，可以被看作经对指数分布的一般化而产生的模型。
m⎛t-r⎫⎪f(t)= η⎝η⎪⎭m-1⎡⎛t-r⎫m⎤exp⎢- η⎪⎪⎥（2-27）
⎢⎭⎥⎣⎝⎦
m-1m⎛t-r⎫⎪λ(t)= ⎪η η⎝⎭（2-28）
式中m ——开关参数；η——尺度参数；r ——位置参数
形状参数m决定了f(t)的形状，当m1时，可用于描述产品磨损阶段的寿命分布。由于威布尔分布能描写产品处在寿命期各个阶段的失效分布，因此人们用它来拟合产品实验数据，从而求出m，并用m的大小来判断产品的情况。
2.1.5 元件的可用度
(1)可用率A(t):是指元件在起始时刻正常工作的条件下，时刻t正常工作的概率对于寿命分布呈指数分布的元件，时刻t的可用率A(t)可表达为:
A(t)=μ
μ+λ+λ
λ+μe-(λ+μ)t（2-29）
(2)不可用率Q(t): :指可修复元件在起始时刻处于正常状态下，时刻t处在故障状态的概率。显然有A(t)+Q(t)=1。
时刻t的不可用率Q(t)可表达为:
Q(t)=(1-e(
λ+μλ-λ+μ)t)（2-30）
如果定义A(∞)称为平稳状态可用率，Q(∞)称为平稳状态的不可
用率，对于可修复元件有:
A(∞)=
Q(∞)=MTBF（2-31） MTBF+MTTRMTTR（2-32） MTBF+MTTR
从上两式可看出，平稳状态下元件的可用率可以表示为平均可用时间与平均周期时间之比;平稳状态下的元件不可用率可以表示为平均不可用时间与周期时间之比。
2.2 配电网络元件的故障率分析
对于配电装置来说，元件之间的连接比较复杂，各元件的操作、计划检修与故障对可靠性的影响较大。因此，须采用一些适合这种特点的分析方法来进行可靠性分析，既保证元件的可靠性分析既有足够的准确度，又要尽可能简单可行。
2.2.1 元件的故障率计算
首先分析几个基本参数。设元件的故障率为λ(l/a)、平均运行时间MTBF=m(h)、平均修复时间MTTR=r(h)、平均事故间隔时间=m+r(h)，则该元件的强迫停运率为:
Q=r（2-33） m+r
设单位时间为1年，m=8760/λ，当r
Q=rλrλ（2-34） ≈8760+rλ8760
同样，当元件的计划维修率为β(l/a)，平均计划维修时间=tP(h)，则该元件的计划维修停运率为:
KP=βtP
8760（2-35）
(l)断路器的故障率:断路器为配电装置的主要元件之一，它的断开率与需要切断的断路次数有关，也与线路的长度有关，所以
λd=λ1+λ21（2-36） 100
式中:l—线路长度(km); λd—该断路器的100km的计算断开率。
λ1—与分合短路次数无关的断开率；λ2—与分合短路有关次数的断开
率。
根据断路器的运行特征，考虑配电装置的可靠性指标时，应考虑两种情况:
①由于断路器突然故障而引起保护装置的动作和相应的断路器断开。
②由于计划检修而断开断路器。
(2)线路的故障率:线路的故障率λ1与线路长度有关
λ1=λ1（2-37） 100
式中:l—线路长度(km);λ1—线路故障率；λ—线路每100km的
故障率。
在断路器、线路、变压器串联的系统中，线路的故障率比其他元件高得多，但其它元件的修复时间比线路长。因此，这3个元件的强迫停运率具有相同的数量级，它们对网络供电可靠性的影响相仿，但是当故障的断路器可以通过配电装置的切换而用别的断路器替换时，情况就大不相同。为了完成这类操作，配电装置的切换时间一般约为1h左右。此时，强迫停运率Q完全可以忽略不计(Q为统计数字)。故此，当断路器可以通过配电装置的切换予以替换时，分析网络的可靠
性时可以只计及变压器的故障。
2.2.2 元件组的故障率分析
2.2.2.1 串联元件的故障率
串联系统是指系统中任何一个元件的失效均构成系统失效的这样一种系统。记x，为一个事件，表示元件i工作，xi表示元件i失效;S为一个事件，表示系统工作，S为一个事件表示系统失效。由n个独立元件构成的串联系统有:
S=x1 x2 xm（2-38）
S=x1 x2 xn（2-39）
系统可靠工作的概率P(S)为:
P(S)=P(x1 x2 xn)=P(x1)P(x2) P(xn)（2-40）
P(S)又叫系统可靠度，记作RS，P(xi)称为元件可靠度，记为Ri 若p(xi)=Ri(t)，则系统可靠度Ri(t)为
Rs(t)=∏Ri(t)（2-41）
i=1n
若元件的故障率函数为λ(t)，那么系统的故障率函数λ(t):
dd⎡n⎤nλs(t)=-lnRs(t)=-⎢∑lnRi(t)⎥=∑λi(t)（2-42） dtdt⎣i=1⎦i=1
如果寿命服从指数分布，故障率为常数，则式(2.41)可变为
λs=∑λi（2-43）
i=1n
2.2.2.2 并联元件的故障率
并联系统是指所有元件失效才构成系统失效的有冗余的系统。一组并联元件中任意一个元件完好，系统便算完好。由n个独立元件构
成的并联系统有:
S=x1 x2 xn（2-44）
S=x1 x2 xn（2-45）
系统失效概率，即不可靠度为:
PS=Px1 x2 xn（2-46） ))
所以系统可靠度为:
Rs(t)=1-∏[1-Ri(t)]（2-47）
i=1n
式(2-44)—(2-47)中各符号的含义同式(2-38)—(2-43)。
第3章 配电网可靠性计算方法
城市经济的迅速发展和城网改造的开展，迫切要求对配电系统进行科学、合理的规划。同时，随着电力企业管理工作的发展和深化及《电力法》的实施和电力服务承诺制的开展，供电可靠性在生产管理工作中所占的位置也越来越重要。在1995年《电业生产事故调查规程》中，10kV用户供电可靠率己被列入供电安全考核项目之中。这些，都大大提高了人们对配电系统可靠性的重视程度，也对配电系统可靠性的评估方法提出了新的要求。
传统的配电网可靠性评估方法为故障模式与后果分析法，即FMEA法(FailureMode and Effect Analysis Method)，这种方法通过对系统中的所有状态的搜索，列出全部可能的系统状态，然后根据所规定的可靠性判据对系统的所有状态进行检验分析，找出系统的故障模式集合，最后在此状态集合的基础上，求得系统的可靠性指标。
FMEA法的基本实施步骤如下：
1．确定被分析对象的功能和结构，确定产品或装置对可靠性的要求，掌握部件的构成及组合方法。因此，直接参加设计者必须对分析对象的设计说明书、图纸、设计资料等有充分的了解。
2．确定作为分析对象的产品、装置的范围，并预先确定分析的等级。如果分析对象的范围过大，内容过细，工作量必然大为增加，结果也很复杂，实施起来将是很困难的，这一点必须注意。
3．绘制可靠性框图。
4．列举故障模式，即对每个框图列出预计发生的潜在的或明显的故障模式。
5．选定分析用故障模式。从列举的故障模式中，慎重地选出供分
析用的故障模式。为此，把类似的不合格产品或部件的资料拿来作为参考将是很有益的。
6．故障模式推测原因列举。根据提出的推断原因拟订采取的对策。此时，可参照产品、部件的不合格报告书及以前进行的FTA分析结果，这里应强调不要漏掉重要的推测原因。对难于推断原因的故障模式，必须通过FTA把原因分析清楚。
7．FMEA记录表格
8．危险项目列表。(FMEA)用表格记录并在研究改变设计或采用其他相应措施之后，可以很容易地作出危险项目表，如表18—13。根据此表研究对策，对危险度高的部件还要通过试验加以确认。
FMEA法原理简单、清晰、模型准确，已广泛用于发、输电系统的可靠性评估。但是，它的计算量随着元件数目的增加呈指数增长，所以，当配电网结构比较复杂，元件数目增多时，系统故障模式急剧增加，计算将变得冗长繁琐。因此，用FMEA法直接对一个复杂的辐射形配电网进行评估是很困难的。
最小路法是近几年提出的一种配电网可靠性评估新方法，该算法同时考虑了最小路上的元件和非最小路上的元件故障对负荷点可靠性指标的影响，并能指出网络的最薄弱环节，计算效率与FMEA法相比有较大的提高。该算法先求各负荷点的最小路,再分别考虑最小路上的元件和非最小路上的元件对负荷点可靠性的贡献.算法针对城市配电网的特点,考虑了分支线保护、隔离开关、负荷开关、计划检修、备用电源的影响.根据算法编写的可靠性计算软件用于实际配网规划中的可靠性评估,取得了满意的结果,为配电网络的规划设计和改造提供了依据。但是对于由主馈线和副馈线组成的相对复杂的配电系统，最小路法虽然能够准确的计算，但它对我们并不需要着重关心的负荷点指标
也做了大量的计算，耗费了不必要的时间。因此，本文针对配电网辐射性的特点，采用广度优先搜索策略得到整个配电网的负荷点可靠性指标，进而得到系统可靠性指标。
第4章 10kV配电网供电可靠性分析
10kV配电线路是供电企业电力设施的重要组成部分，它们担负着向城乡供电的重要任务。当前，随着电力系统优质服务水平的逐步提高，用户对供电可靠性的要求越来越高，创一流供电企业要求三项硬性指标，即线损、电压合格率、供电可靠性。其中，对考核线路的供电可靠率要求为99.98%，即平均一条线路一年仅允许停电1.75h。因此，必须对影响供电可靠性的因素进行分析，妥善地解决，以便大幅度地提高供电可靠性。
由于配电网长期处于露天运行，又具有点多、线长、面广等特点。配电线路在运行中经常发生跳闸事故，严重影响配电网供电可靠性，不但给供电企业造成经济损失，而且还影响了广大城乡居民的正常生产和生活用电。影响供电可靠性的因素可分为故障停电和非故障停电两大类。
4.1 故障停电原因及对策
2008年7-8月份哈尔滨铁路局齐齐哈尔供电段配电设备共发生线路跳闸停电27次，严重影响了供电可靠性。表4-1列出了故障停电原因的统计数据。
表4-1 故障停电原因统计表
从表l可见，线路外力破坏故障占故障总数的48.15%。因此，要保证线路安全运行，首先要控制外力事故，采取措施如下:
a.在临近交叉路口及主要繁华街道等的电杆上，喷涂反光漆，在拉线上挂反光标志。
b.对影响交通的电杆尽快移设，防止被车撞断。
C.加强社会舆论监督和宣传教育，减少撞杆事故
d.对暂时无法移设的电杆应加设防撞车档，确保电杆安全
e.对基建临时施工单位(市政工程等)，应讲明电缆通道所在位置，签定防护协议，必要地段设专人监督施。
故障设备分类统计结果见表4-2。
表4-2 故障设备分类统计表
在10kV配电网事故中，自然灾害所占的比例也很大、在表1中风害所占比例为18.52%;
另外，雨雪天气很容易发生闪络爬弧现象，引发跳闸事故，采取整治措施如下:
a加强沿线防护通道的治理，对影响线路安全运行的树木要按其自然生长速度进行有效修剪，及时拆除影响线路运行的房屋、栅栏。
b对脏污地段加强监控，定期清扫绝缘瓷件，防止雨雪大气发生爬弧闪络。
c对多雷区要定期检查，及时更换与补充避雷器，保证避雷器运行良好。
4.l.3 高压用户影响
表1中，由于高压用户设备故障，引起跳闸事故占总数的18.52%。要减少此类事故可采取措施如下：
a 与用户签定设备防护协议，明确产权分界点
b 在高压用户设备进户杆上安装过流开关及过流指示器
c 对高压用户进行定期检查，防止设备带病运行
4.1.4 导线问题
导线引起故障的因素很多，引线与熔丝具、避雷器、开关、刀闸及电缆的搭头天长日久容易松动，引起发热。引线与其他设备搭接时，未使用铜铝过渡没备或使用镀锌螺丝来连接，以至于接头发生电化腐蚀，发热，引起断线，断线与邻相对线碰接，最后引起相间短路。另外，由于导线裸露老化，刮大风时，容易引起搭挂物短路为此，可以采取以下方法:
a.更换导线。哈尔滨铁路局齐齐哈尔供电段今年更换35km10kV绝缘导线，在停电期间对老型号的导线进行更换。
b.严格按照施工工艺标准监督，保证施工质量
4.1.5 其他方面
a.加强设备运行管理，严格按周期巡视.认真执行缺陷消除流程制度，防止设备带病运行、
b.由于针式瓷瓶的铁柄距瓷瓶顶部距离较小，一旦有裂缝，在下
雨天就会造成单相接地建议采用棒式瓷瓶，以减少瓷瓶故障的发生。
c目前使用的FS-10型避雷器由于表面脏污和阀片受潮等因素的影响，容易发生击穿甚至爆炸事故。建议更换为性能相对稳定的氧化锌避雷器，提高设备的运行稳定性。
4.2 非故障停电原因及解决办法
4.2.1 非故障停电原因
非故障停电原因包括35kV及以上的输变电线路或变电所改造、检修、预防性试验以及10kV配电网检修、改造等35kV及以上输变电线路架设跨越时，要求10kV配网配合停电变电所主变过载或设备检修、改造等，都会引起10kV配电网停电。特别是夏季电力设备的检修次数增多，10kV线路停电频繁，影响了哈尔滨铁路局齐齐哈尔供电段10kV配网供电可靠性。
4.2.2 解决办法
a.加紧对l0kV配电网的规划和改造工作，使10kV配电网布局更加合理，线路之间互通互联，构成完整的网络系统，优化组合配电网的没备资源，以实现线路之间负荷互代，减少停电时间和范围。最终使10kV配电网的供电可靠性和运行经济指标从根本上得到提高。
b.采用新技术和新设备，对10kV配电网线路现有设备进行改造和更新，为提高配电网供电可靠性提供充分的物质基础，如将负荷开关更换为过流开关，增加线路开关数量，尽可能在每条分支线的人口处加装过流开关等，使得当事故发生时，将停电范围减少到最小。
c.狠抓配电网生产运行管理，强化线路及设备的技术管理工作，确保线路中的所有设备均在合理的正常工况下运行。当用户负荷发生变化时，供电线路的运行方式和运行参数能够得到及时调整，杜绝事
故隐患。严格配电设备停电计划的管理和审批，合理安排停电时间，最大限度地减少人为计划性停电。
第5章 缩短非故障停电时间技术措施 保证不间断供电，在铁路运输生产中处于举足轻重的位置。造成电力网对车站停电的因素很多，除部分不可抗拒的原因外，主要是电力设备的检修、运行的停电，下面着重对检修和运行因素进行分析。下面主要通过对铁路供电程度与运输生产安全之间关系的分析，提出了缩短非故障停电时间的八项有效途径。当逐步实施这些技术措施后，可大幅度缩减对火车站的停电时间，从而减少对行车的干扰，为安全运输提供了有利条件
5.1 设备检修方面的技术措施
为了保证电力设备的正常供电，必须执行设备检修制度，严格按《铁路电力管理规则》（以下简称《管则》）规定的修程和工艺标准进行检修。正常检修的停电列入运输方案施工计划，对行车组织做必要的统筹、调整和安排。但终究是由于停电，使车站改变基本闭塞方式，对正常行车造成干扰，对运输安全构成威胁。所以，在保证设备检修质量的前提下，可通过采取少量设备改造措施来减少检修停电时间是十分必要的。
5.1.1 配电所旁路运行方式
这种运行方式适用于配电所内配电装置检修、试验等全部停电作业。按《管则》规定：配电装置小修、预防性试验和定期试验每年各一次。这三次停电时间因设备数量和繁简程度而异，少则几小时，多则几十小时，对运输生产干扰很大，在边远地区对职工生活也有影响。为避免这种干扰和影响，在配电装置检修和试验期间，通过室外旁路装置供电，结线如图5-1。
受
电 馈出回路
干
’
旁
路
母
线 6 7 8 9 10
6’’
图5-1 配电所旁路运行结线
首先进行室外倒闸操作，使旁路母线接受来自受电干的电源，闭合旁路隔离开关1—10，然后进行室内操作。断开各回路油开关、隔离开关，再断开室外隔离开关1—10。在旁路时间内，暂以上一级继电保护作为本级保护是可行的。使室内配电装置在彻底脱离电源状态下进行检修和试验，而对运输生产和职工生活供电则正常进行。 5.1.2 两路独立电源第三电源备用式
这是属于一级用电负荷的大站电气集中联锁供电装置的，由于一
级负荷对电源要求的不可间断性，当两路独立电源中的一路停电检修期间，可利用附近其他供电回路作为后备电源，结线如图5-2。 1
3
信号楼
2
图5-2 两路独立电源第三电源备用式
一般两路独立电源集中供电至信号楼。车站的其他用电负荷，如站场照明、室内照明均不由两路独立电源供电。在运行的一路独立电源发生暂时不能消除故障时，另一路在检修，此时可接通后备电源，能起到不使运输秩序混乱的不扩大事态的作用。
5.1.3 两座变台供电方式
这种方式适用于由贯通电力线路供电、属于二级用电负荷非自动闭塞区段小站电气集中联锁和8505型色灯电锁器联锁的车站用电。在这些车站设置两座变台供电，其中一台为冷备用，结线如图5-3。
图5-3 两座变台供电方式
当变台、配变和引入线检修时，投入备用配变，使车站不停电。当运行变压器及
附属低压设备故障停电时，可由站人员投入备用配变供电，等候电力人员处理，减少车站停电时间。两座变台间的隔离开关3，可利用列车间隔“天窗”时间停电进行检修，不对正常行车用电构成干扰。
5.1.4 贯通电力线路临时两端供电方式
按《管则》规定，贯通电力线路的小修为每年一次。由于区间距离不等，所以停电检修时间也不等，它是电力设备检修停电时间最长的一项设备。在线路检修期间，由于对相关车站均要停电，使车站在无联锁条件下办理接发列车，对运输安全威胁最大。为了使车站在不停电条件下检修线路，采用如图5-4的结线方式运行。
图5-4 贯通电力线路临时两端供电
首先完善贯通电力线路上的隔离开关，使线路末端能获得电源。当无法获得电源时，在线路检修期间以备用发电车在线路末端供电。
当检修图中1—14供电臂贯通电力线路时，首先检修1—2间，正常倒闸后，断开隔离开关1、2，闭合隔离开关3，使电源B向区间各站供电。检修3—4间则a站由电源A供电，其他各站由电源B供电。这样逐段检修直至13—14间，整段1—14间的贯通电力线路检修对沿线各站均不停电。
5.1.5 一座变台供电
这种供电方式用于一座变台供电的8505型色灯电锁器联锁车站，当站内低压电力设备和配变检修时采用的一种供电方式，结线如图5-5。
在车站室内配电箱接入转换开关或电磁转换装置，使行车用仅能接受一种电源。电力设备检修停电时，启动微型发电机组供电，行车用电不受干扰。
图5-5 一座变台供电
5.2 设备运行方面的技术措施
在电力设备运行中，通过采取严密的技术组织措施，可减少对车站的停电时间。
图5-6 贯通电力线路合相倒闸结线
（1）当贯通电力线路的电源因工作需要从A配电所转由B供电，且A、B均从系统同一母线获得电源，为使转换电源的倒闸作业不间断对A—B间各车站的供电，采用在B配电所设置检相、合相装置，先合相后倒闸，最后断开隔离开关1。
（2）贯通电力线路闭合运行方式
在图6中。当A、B、C、D配（变）电所接受的电源来自系统同一母线，在贯通电力线路指定位置安装适当的电抗器，进行必要的电力计算和重新调整继电保护整定值后，可变为闭式电网运行。当A—D任一配（变）电所故障跳闸停电时，都能保证各中间车站不停电。
5.3 运输效益
铁路电力网是铁路运输生产用电的唯一电源。尤其是在贯通电力线路与年俱增的情况下，减少电力网对运输生产和职工生活的停电，保证运输生产的安全是铁路供电部门的重要职责。随着运输生产的发
展，对电力的要求量增大，相应对电力的依靠程度也逐渐增大。反映运输生产对电力依靠程度的数学量以依附系数K表示，其值约为0.1—0.4。减少K值较大的电力网停电时间对运输生产的安全效益尤为显著。
5.4 完善系统结构提高配网自动化水平
对可靠性较差的配电网络可以采取以下措施来提高系统可靠性。
(1)改善电网结构、确保设备裕度。采用双回路供电、环形回路供电，使用备用电源，备用配变等措施增强系统的冗余度
(2)采用合理的配电方式、增强系统运行灵活性等。可采用节点网络方式、备用线路自动切换方式等配电方式。采取配电自动化技术，实现运行操作、情报信息等的综合自动化。
(3)在配网规划阶段采用以可靠性作为规划目标函数的一项的数学模型
(4)采用配网自动化，实现配网重构，在重构中建立以可靠性指标为最优目标函数的数学模型，这种方法只对系统原有设备进行优化组合，不需增加投资，因而可带来较大的效益。
第6章 缩短非故障停电时间管理措施 维修是针对着设备在各种状态下即将发生故障或者已经发生了故障所采取的预防与补救措施。配电系统的维修主要分为两大类:事后维修与预防性维修。与可靠性相比，系统的维修更依赖于人员的素质与管理水平，为了减少维修时间、提高系统的可用性，制定合理的维修策略采取合理的维修手段是维修中不能忽视的关键问题。
6.1 合理安排计划检修
计划检修对配电网可靠性的影响大于故障的影响。事实上我国大部分地区存在着因计划检修安排不合理而造成系统可靠性指标偏低的情况。计划检修是为了保证系统的可靠性对系统或设备中危害较大的故障模式采取的维修方式。主要针对系统中参数退化不易监测的损耗型部件进行。计划检修进行时多数情况下该部件并未损坏，因此被定期更换的部件通常不能充分利用，在维修上的花费比事后检修要大。如何合理的安排计划检修也就是最佳维修周期的确定需要对系统总效益进行综合权衡。下面就从可用率最大的角度分析最佳维修周期的确定。假定设备每正常工作13时间后维修一次，维修周期为T3。若在工作中已出现故障，应立即修复;从修好开始工作算作下一维修周期的起点;设备修复后完好如新。设T1与T2各为故障维修与预防维修的平均时间，则系统的区间可用度为:
A(T)=Tμ/T (6-1)
TM为系统正常工作时间，T为区间长度：
Tμ=T3 (6-2)
T=T3+T2+T1⎰λ(t)dt (6-3) 0T3
T3⎡A(T3)=T3/T3+T2+T1⎰λ(t)dt⎤ (6-4) ⎢⎥0⎣⎦
使A(T3)最大的T3值，即为最佳维修周期T3`，则
dA(T3)/dT3=0 (6-5)
当可靠性参数服从威布尔分布时，
m⎛t-r⎫⎪λ(t)= η⎝η⎪⎭m-1 (6-6)
式中m—形状参数
η—尺度参数
r—位置参数
为简化计算设r=0，则：
A(T3)=T3/T3+T2+T1(T3/η) (6-7) m[]
dA(T3)/dT3=T1*(T3/η)+T2+T3-T3*T1*m/ηm*T3m-1+1m
(T/η)3(m+T2+T32)=0 (6-8)
⎛T21⎫T3=η* * Tm-1⎪⎪ (6-9) ⎝1⎭1m
当元件的寿命分布为威布尔分布时，根据形状参数可知:
m
m=1时，预防维修进行的时间T3=∞。，此时威布尔分布呈指数分
布，也就是说对于故障率为常数的元件不需进行预防维修。
m>1时，可以进行预防维修，此时主要针对元件耗损期。
由上面的分析可知，预防性维修适合于处于耗损失效期的元件。因此在实际生产中应加强对元件状况的监测，根据不同元件、线路的
实际情况确定其预防维修周期。
6.2 开展带电作业
带电作业能够实现对线路的不停电检修、减少事故处理停电时间。对用户不停电和少停电，提高供电可靠性，其社会效益和经济效益是非常明显的。因此在有条件的地区要开展10KV配电系统的带电作业。减少停电时间，增加系统可靠性。
第7章 前景展望
随着国民经济快速发展和人民日常生活水平不断提高，10kV配电网作为电力系统的终端网络，其可靠性问题将会越来越重要。为满足经济发展的需求，对10kV配电网线路和设备将进行更大规模和更深层次的改造。在线路规划上将更趋于网络化，供电线路能够进行广泛的互联互通和冗余互代;在设备上，将广泛采用具有遥控、遥信、遥测“三遥”功能的自动化设备，采用通信技术与控制站相联结;同时，与调度管理自动化系统SCADA互联，实现配网高度自动化和一体化;在计量管理方面将建成集中抄表或远程抄表计量系统，实现计量管理自动化;在生产运行管理方面，将建成功能更加完善的MIS系统和功能强大更加人性化的地理信息GIS系统。随着技术的发展和成熟，以上这些系统将在同一个系统上运行，配电网自动化系统和计量自动化系统在MIS系统的统一调度管理下，通过GIS系统的人性化界面向生产管理人员提供完善的全局化的配网生产信息，真正实现设备服务于人、网络为社会服务的目标。通过技术改进和管理提升，提高10kV配电网的供电可靠性和运行经济性以满足人们日益增长的用电需求，为铁路运输作出更大的贡献。
致 谢
本文是在导师高波教授的悉心指导下完成的。在论文的各个阶段，高波老师都给予了具体的指导。在此特向高老师表示崇高的敬意和衷心的感谢!高老师广博的知识，丰富的工作经验和无私忘我的工作精神以及对学生发自内心的关爱都深深的感动着我，教育着我。
这次设计对我来说收获很大，加深了我对专业知识的理解和认识，提高了我计算机制图的能力，更提高了我全面考虑和深入分析问题的能力。同时，还让我学到了，无论做什么事，都要积极主动，迎难而上。这次设计给我提供了一次很好的学习和锻炼自己身心意志的机会，也使函授学习阶段能够划上一个圆满的句号。
三年的时间是短暂的，而在这期间能受教于严师、得益于良友，确实令人难以忘怀，谨以此文表达我最诚挚的谢意。
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