CN109521309B - 一种集成式隔离断路器及其可靠性优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成式隔离断路器及其可靠性优化方法，建立集成式隔离断路器可靠性模型，计算隔离断路器的等效故障率、修复率与可靠度；通过对隔离断路器的可靠度进行灵敏度分析，判断隔离断路器中的薄弱子系统；计算集成式隔离断路器接入电网后的主接线系统可靠性指标，确定集成式隔离断路器可靠性优化目标；分别从拓扑结构优化、可靠性配置优化、系统冗余设计三个方面，对集成式隔离断路器进行可靠性优化；将优化改造后的隔离断路器接入电网，重新评估主接线系统可靠性。本发明对提升设备可靠性水平，分析系统薄弱环节，继而指导电网的后期升级改造，具有重要意义，可应用于电网规划及运行阶段。

Description

一种集成式隔离断路器及其可靠性优化方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统可靠性评估与电网规划领域，特别是关于一种集成式隔离断路器及其可靠性优化方法。

背景技术

在电力系统中，断路器和隔离开关等关键装备的使用非常频繁，起着开关隔离的重要作用。近些年，随着电气设备的不断更新和发展，SF6断路器取代了传统的油断路器，并且其可靠性也得到了显著提升。相比而言，隔离开关却没有什么明显的改变。有统计数据显示，隔离开关的平均检修时间约为六年，而断路器的平均检修时间可达15年以上。由于隔离开关长期暴露于空气中，使得隔离开关的维护亟需进一步提升。最近研制的断路器断口达到了较高的绝缘水平，具备了有隔离开关的功能。近年来，国家电网智能化的要求规划，也大大地推进了电力智能设备的研发。于是，具有控制、保护、隔离、测量、状态监测等功能于一身的集成式隔离断路器(Disconnecting Isolating Circuit Breaker，DCB)成为了一种新的电气研制设备。此设备具有集成化、智能化、一体化等技术特点，对于提高变电站运行可靠性、降低运行费用、简化接线、提高建设效率、节约土地资源、方便运行维护等方面具有重要意义。

然而，由于集成式隔离断路器组成结构相对复杂，为满足可靠性指标的要求，其成本相对非常高。因此，提出了集成式隔离断路器可靠性优化方法的研究。通过可靠性的设计与优化，使产品达到可靠性与经济性相协调的目标。

国内外对于集成式隔离断路器可靠性的研究相对较少。目前主要是从产品制造质量方面进行集成式隔离断路器的可靠性提升，没有从理论高度对集成式隔离断路器的可靠性进行突破，因此，设备总的可靠性提升幅度不大。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种集成式隔离断路器及其可靠性优化方法，其能确定隔离断路器的可靠性模型及其接入对电网可靠性影响，通过灵敏度分析，进而指导电网后期的升级改造。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种集成式隔离断路器可靠性优化方法，其包括以下步骤：1)建立集成式隔离断路器可靠性模型，计算隔离断路器的等效故障率、修复率与可靠度；2)通过对隔离断路器的可靠度进行灵敏度分析，判断隔离断路器中的薄弱子系统，薄弱子系统是对隔离断路器可靠度影响最大的模块；3)计算集成式隔离断路器接入电网后的主接线系统可靠性指标，包括停电次数、停电时间，对比集成式隔离断路器接入前后主接线系统可靠性水平变化，或直接与常规设备可靠性相比，确定集成式隔离断路器可靠性优化目标；4)分别从拓扑结构优化、可靠性配置优化、系统冗余设计三个方面，对集成式隔离断路器进行可靠性优化；5)将优化改造后的隔离断路器接入电网，重新评估主接线系统可靠性。

进一步，所述步骤1)中，通过串并联方法计算隔离断路器整体可靠性参数：对于含有n个单元的串联系统，串联系统可靠性计算方法：串联系统的故障率λ_s为：

串联系统的平均故障修复时间r_s为：

串联系统的平均修复率μ_s为：

其中，λ_i为单元的故障率，μ_i为单元的修复率、r_i为单元的平均故障修复时间；

对于含有n个单元的并联系统，并联系统可靠性计算方法：

并联系统的修复率μ_p为：

并联系统的平均故障修复时间r_p为：

并联系统的故障率λ_p：

进一步，所述步骤2)中，对薄弱子系统进行可靠度灵敏度分析时，将子系统间的逻辑关系划分为串联关系与并联关系，并计算子系统中对整体可靠度影响最大的部件：具有n个构成子系统的串联系统，若第i个子系统的可靠度为R_i，1≤i≤n，那么隔离断路器的可靠度R_s为：

如果或/>那么/>最大；

在n个并联子系统的系统中，隔离断路器的可靠度R_s为：

如果或/>那么/>最大。

进一步，所述步骤3)中，隔离断路器可靠度优化目标时，采用最小割集算法计算隔离断路器接入电网可靠性指标，比较隔离断路器接入前后系统可靠性指标变化，确定隔离断路器可靠度优化目标；首先确定改进后隔离断路器的可靠度已知改进前的隔离断路器可靠度为R_s，保证其他子系统的可靠度不变，计算得到改进后的子系统可靠度为/>改进量Δ_io为：

进一步，所述步骤4)中，可靠性优化方法中的拓扑结构优化方法：采用两种拓扑优化方法：一种是：电子式电流互感器的一次传感器采用Rogowski线圈，而电子采集单元集成于低压侧，不需要高压侧进行供电；另一种是：将光纤电流互感器传感环安装于DCB底部法兰中，将传输光纤集成于隔离断路器支柱套管的绝缘层中；可靠性优化方法中的隔离断路器系统冗余设计方法：为系统或系统的某个子系统构建一个储备系统，A为主元件，B为储备元件，当主元件A发生故障时，储备元件B立即通过切换投入运行；只有当主元件A故障然后储备元件B故障时，系统才发生故障；假设主元件A、储备元件B完全相同，故障率均为λ，利用泊松分布计算无故障时的概率P₀(t)和一个元件故障时的概率P₁(t)：

则系统可靠度R(t)为：

R(t)＝e^-λt(1+λt)。

一种实现如上述优化方法的集成式隔离断路器，其包括隔离断路器支柱、第一电子式电流互感器、隔离断路器灭弧室和断路器机构；所述隔离断路器支柱顶部通过所述第一电子式电流互感器与所述隔离断路器灭弧室底部连接，且所述断路器机构与所述第一电子式电流互感器连接；所述隔离断路器灭弧室的顶部通过一次电流接头与电网连接。

进一步，所述断路器机构包括采集器、光端绝缘子、光纤和合并器；所述采集器一端经连接线与所述第一电子式电流互感器连接，另一端与所述光端绝缘子一端连接；所述光端绝缘子另一端通过所述光纤与所述合并器连接。

进一步，所述集成式隔离断路器还包括第二电子式电流互感器；所述隔离断路器支柱底部设置有所述第二电子式电流互感器。

进一步，所述断路器机构包括第三电子式电流互感器、采集器、光端绝缘子、光纤和合并器；所述第三电子式电流互感器与所述第一电子式电流互感器连接，且所述光端绝缘子一端与所述第三电子式电流互感器连接；所述光端绝缘子另一端分别经所述光纤与所述合并器连接、经连接线与所述采集器一端连接，所述采集器另一端与所述第二电子式电流互感器连接。

进一步，所述断路器机构包括采集器、光纤和合并器；所述采集器一端与所述第二电子式电流互感器连接，所述采集器另一端经所述光纤与所述合并器连接。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明结合集成隔离断路器的物理结构与工作模式，建立设备的可靠性框图，并针对不同的子功能模块工作模式与组成结构，分别建立可靠性模型，最终通过系统串并联方法得到集成式隔离断路器可靠性模型，计算得到可靠性参数。2、本发明根据隔离断路器接入电网的不同位置，计算设备接入前后系统的可靠性变化值，并依此设定集成式隔离断路器可靠度优化目标。3、本发明通过可靠度灵敏度分析，判断设备中的薄弱子系统，通过拓扑结构优化、可靠性配置优化、系统冗余设计三个方面，确定提升隔离断路器可靠度应改进的构成部件。4、本发明解决了目前电网可靠性评估中缺少针对集成式隔离断路器可靠性的研究，及缺乏集成式隔离断路器可靠性优化设计理论方法的问题，通过元件可靠性建模与系统级可靠性评估的两级迭代，由系统评估提出对设备可靠度优化目标，而后由设备级的可靠度灵敏度分析，确定薄弱环节。该方法对设备的研制与改进，分析系统薄弱环节，提升可靠性水平，继而指导电网的后期升级改造，具有重要意义。综上，本发明可应用于电网规划及运行阶段。

附图说明

图1为隔离断路器可靠性优化流程示意图；

图2为隔离断路器可靠性框图；

图3为隔离断路器拓扑结构示意图；

图4为隔离断路器可靠性优化拓扑结构之一示意图；

图5为隔离断路器可靠性优化拓扑结构之二示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。

如图1所示，本发明提供一种集成式隔离断路器可靠性优化方法，其包括以下步骤：

1)建立集成式隔离断路器可靠性模型，计算隔离断路器的等效故障率、修复率与可靠度；

根据物理结构及工作模式，建立隔离断路器可靠性框图，将隔离断路器划分为隔离断路器灭弧室、断路器机构、电子式电流互感器和隔离断路器支柱四个子系统，并计算各子系统可靠性参数，最终将各子系统通过串并联方法得到集成式隔离断路器可靠性模型；

2)通过对隔离断路器的可靠度进行灵敏度分析，判断隔离断路器中的薄弱子系统，即对隔离断路器可靠度影响最大的模块；

可靠度灵敏度分析公式为：

式中，S_i为第i个子功能模块的可靠度灵敏度，R_s为隔离断路器可靠度，R_i为子功能模块i的可靠度；

3)计算集成式隔离断路器接入电网后的主接线系统可靠性指标，包括停电次数、停电时间等，对比集成式隔离断路器接入前后主接线系统可靠性水平变化，或直接与常规设备可靠性相比，确定集成式隔离断路器可靠性优化目标；

4)分别从拓扑结构优化、可靠性配置优化、系统冗余设计三个方面，对集成式隔离断路器进行可靠性优化，并比较不同优化方法的提升效果。

5)将优化改造后的隔离断路器接入电网，重新评估主接线系统可靠性。

上述步骤1)中，可靠性模型是根据不同子系统的工作模式与组成结构，可以分别建立子系统的无备用可靠性模型、带冷备用可靠性模型、带热备用可靠性模型(k/n(G))、切换系统可靠性模型，并通过串并联方法，计算隔离断路器整体可靠性参数。

其中，串联系统可靠性计算方法：对于含有n个单元的串联系统，如图3所示，若单元的故障率、修复率、平均故障修复时间分别为λ_i、μ_i、r_i，则该串联系统可以等效为一个单一元件，其故障率、修复率、平均故障修复时间分别为λ_s、μ_s、r_s。

串联系统中，任一元件失效即导致系统整体失效。因此有故障率计算公式：

如果平均故障修复时间为r_s，则系统整体平均故障修复时间r_s为：

平均修复率μ_s和平均故障修复时间关系如下式：

并联系统可靠性计算方法：对于含有n个单元的并联系统，若每个单元的故障率、修复率、平均故障修复时间分别为λ_i、μ_i、r_s，则该并联系统仍可以等效为一个单一元件，其故障率、修复率、平均故障修复时间分别为λ_p、μ_p、r_p。

并联系统中，所有元件失效时，系统整体才会失效，任意元件修复完好，系统即完好，所以，可得系统的修复率μ_p为：

由系统的修复率，可以求出平均故障修复时间r_p为：

进一步得到系统的故障率λ_p：

上述步骤2)中，针对薄弱子系统进行可靠度灵敏度分析时，主要将子系统间的逻辑关系划分为串联关系与并联关系两类，并计算子系统中对整体可靠度影响最大的部件。具体过程如下：

具有n个构成子系统的串联系统，若第i个子系统的可靠度为R_i(1≤i≤n)，那么隔离断路器可靠度R_s为：

如果或/>那么/>最大。

这表明，如果第i₀个子系统可靠度R_io最小，那么要提高系统的可靠度，首先要提高R_io，因为这样才是最有效。

在n个并联子系统的系统中，隔离断路器可靠度R_s为：

如果或/>那么/>对隔离断路器的可靠度影响最大。

这表明，如果第i₀个子系统可靠度R_io最小，那么要提高系统的可靠度，首先要提高R_io，因为这样才是最有效。

上述步骤3)中，隔离断路器可靠度优化目标时，可采用最小割集算法计算隔离断路器接入电网可靠性指标，比较隔离断路器接入前后系统可靠性指标变化，确定隔离断路器可靠度优化目标，首先确定改进后隔离断路器的可靠度已知改进前的隔离断路器可靠度为R_s，保证其他子系统的可靠度不变，计算得到改进后的子系统可靠度为/>改进量Δ_io通过下式计算：

上述步骤4)中，可靠性优化方法包括拓扑结构优化方法、可靠性配置优化方法和系统冗余设计方法；其中：

(1)拓扑结构优化方法：

采用两种拓扑优化方法：

一种是：电子式电流互感器的一次传感器采用Rogowski线圈，而电子采集单元集成于低压侧，这样就不需要高压侧进行供电，当电子回路发生故障时可以快速进行更换，可以近似忽略电子式互感器对于设备整体可靠性的影响。

另一种是：将光纤电流互感器传感环安装于DCB底部法兰中，将传输光纤集成于隔离断路器支柱套管的绝缘层中，此集成方式不需要高压侧对采集器供电和额外增加光纤绝缘子，因此可以达到缩小设备体积，提高设备性能的目的。

(2)可靠性配置优化方法：该方法是保持现有集成方式不变，通过提升设备各个单元的可靠度来达到优化目标。

(3)隔离断路器系统冗余设计方法：为隔离断路器系统或系统的某个子系统构建一个储备系统，A为主元件，B为储备元件，当主元件A发生故障时，储备元件B立即通过切换投入运行。只有当主元件A故障然后储备元件B故障时，系统才发生故障，因此储备系统可以大大提高系统的可靠性；

假设主元件A、储备元件B完全相同，故障率均为λ，利用泊松分布计算无故障时的概率P₀(t)和一个元件故障时的概率P₁(t)：

则系统可靠度R(t)为：

R(t)＝e^-λt(1+λt)。

如图3～图5所示，本发明还提供一种集成式隔离断路器，其包括隔离断路器支柱1、第一电子式电流互感器2、隔离断路器灭弧室3和断路器机构4。隔离断路器支柱1顶部通过第一电子式电流互感器2与隔离断路器灭弧室3底部连接，且断路器机构4与第一电子式电流互感器2连接；隔离断路器灭弧室3的顶部通过一次电流接头与电网连接。

在一个优选的实施例中，如图3所示，断路器机构4包括采集器5、光端绝缘子6、光纤7和合并器8。采集器5一端经连接线与第一电子式电流互感器2连接，另一端与光端绝缘子6一端连接；光端绝缘子6另一端通过光纤7与合并器8连接。

在一个优选的实施例中，如图4所示，集成式隔离断路器还包括第二电子式电流互感器2；隔离断路器支柱1底部设置有第二电子式电流互感器2。第二电子式电流互感器2顶部通过隔离断路器支柱1依次与第一电子式电流互感器2、隔离断路器灭弧室3连接。

上述实施例中，断路器机构4包括第三电子式电流互感器2、采集器5、光端绝缘子6、光纤7和合并器8。第三电子式电流互感器2与第一电子式电流互感器2连接，且光端绝缘子6一端与第三电子式电流互感器2连接。光端绝缘子6另一端分别经光纤7与合并器8连接、经连接线与采集器5一端连接，采集器5另一端与第二电子式电流互感器2连接。

在一个优选的实施例中，如图5所示，集成式隔离断路器还包括第二电子式电流互感器2；隔离断路器支柱1底部设置有第二电子式电流互感器2。

上述实施例中，断路器机构4包括采集器5、光纤7和合并器8。采集器5一端与第二电子式电流互感器2连接，采集器5另一端经光纤7与合并器8连接。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种集成式隔离断路器可靠性优化方法，其特征在于包括以下步骤：

1)建立集成式隔离断路器可靠性模型，计算隔离断路器的等效故障率、修复率与可靠度；

2)通过对隔离断路器的可靠度进行灵敏度分析，判断隔离断路器中的薄弱子系统，薄弱子系统是对隔离断路器可靠度影响最大的模块；

3)计算集成式隔离断路器接入电网后的主接线系统可靠性指标，包括停电次数、停电时间，对比集成式隔离断路器接入前后主接线系统可靠性水平变化，或直接与常规设备可靠性相比，确定集成式隔离断路器可靠性优化目标；

4)分别从拓扑结构优化、可靠性配置优化、系统冗余设计三个方面，对集成式隔离断路器进行可靠性优化；

5)将优化改造后的隔离断路器接入电网，重新评估主接线系统可靠性；

所述步骤4)中，可靠性优化方法中的拓扑结构优化方法：采用两种拓扑优化方法：

一种是：电子式电流互感器的一次传感器采用Rogowski线圈，而电子采集单元集成于低压侧，不需要高压侧进行供电；

另一种是：将光纤电流互感器传感环安装于DCB底部法兰中，将传输光纤集成于隔离断路器支柱套管的绝缘层中；

可靠性优化方法中的隔离断路器系统冗余设计方法：为系统或系统的某个子系统构建一个储备系统，A为主元件，B为储备元件，当主元件A发生故障时，储备元件B立即通过切换投入运行；只有当主元件A故障然后储备元件B故障时，系统才发生故障；

假设主元件A、储备元件B完全相同，故障率均为λ，利用泊松分布计算无故障时的概率P₀(t)和一个元件故障时的概率P₁(t)：

则系统可靠度R(t)为：

R(t)＝e^-λt(1+λt)。

2.如权利要求1所述优化方法，其特征在于：所述步骤1)中，通过串并联方法计算隔离断路器整体可靠性参数：

对于含有n个单元的串联系统，串联系统可靠性计算方法：

串联系统的故障率λ_s为：

串联系统的平均故障修复时间r_s为：

串联系统的平均修复率μ_s为：

其中，λ_i为单元的故障率，μ_i为单元的修复率、r_i为单元的平均故障修复时间；

对于含有n个单元的并联系统，并联系统可靠性计算方法：

并联系统的修复率μ_p为：

并联系统的平均故障修复时间r_p为：

并联系统的故障率λ_p：

3.如权利要求1所述优化方法，其特征在于：所述步骤2)中，对薄弱子系统进行可靠度灵敏度分析时，将子系统间的逻辑关系划分为串联关系与并联关系，并计算子系统中对整体可靠度影响最大的部件：

具有n个构成子系统的串联系统，若第i个子系统的可靠度为R_i，1≤i≤n，那么隔离断路器的可靠度R_s为：

如果或/>那么/>最大；

在n个并联子系统的系统中，隔离断路器的可靠度R_s为：

如果或/>那么/>最大。

4.如权利要求1所述优化方法，其特征在于：所述步骤3)中，隔离断路器可靠度优化目标时，采用最小割集算法计算隔离断路器接入电网可靠性指标，比较隔离断路器接入前后系统可靠性指标变化，确定隔离断路器可靠度优化目标；首先确定改进后隔离断路器的可靠度已知改进前的隔离断路器可靠度为R_s，保证其他子系统的可靠度不变，计算得到改进后的子系统可靠度为/>改进量Δ_io为：

5.一种实现如权利要求1至4任一项所述优化方法的集成式隔离断路器，其特征在于：包括隔离断路器支柱、第一电子式电流互感器、隔离断路器灭弧室和断路器机构；所述隔离断路器支柱顶部通过所述第一电子式电流互感器与所述隔离断路器灭弧室底部连接，且所述断路器机构与所述第一电子式电流互感器连接；所述隔离断路器灭弧室的顶部通过一次电流接头与电网连接。

6.如权利要求5所述隔离断路器，其特征在于：所述断路器机构包括采集器、光端绝缘子、光纤和合并器；所述采集器一端经连接线与所述第一电子式电流互感器连接，另一端与所述光端绝缘子一端连接；所述光端绝缘子另一端通过所述光纤与所述合并器连接。

7.如权利要求5所述隔离断路器，其特征在于：所述集成式隔离断路器还包括第二电子式电流互感器；所述隔离断路器支柱底部设置有所述第二电子式电流互感器。

8.如权利要求7所述隔离断路器，其特征在于：所述断路器机构包括第三电子式电流互感器、采集器、光端绝缘子、光纤和合并器；所述第三电子式电流互感器与所述第一电子式电流互感器连接，且所述光端绝缘子一端与所述第三电子式电流互感器连接；所述光端绝缘子另一端分别经所述光纤与所述合并器连接、经连接线与所述采集器一端连接，所述采集器另一端与所述第二电子式电流互感器连接。

9.如权利要求7所述隔离断路器，其特征在于：所述断路器机构包括采集器、光纤和合并器；所述采集器一端与所述第二电子式电流互感器连接，所述采集器另一端经所述光纤与所述合并器连接。