铁路贯通线与城市配电网供电系统的可靠性分析

孙建明，丁坚勇，高重晖，丁 伟

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司 电气化设计研究处，湖北 武汉 430072；2.武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 430072)

随着运我营国的铁重路要建保设证的，蓬其勃可发靠展性，受贯到通越线来作越为多铁的路重安视全。铁路贯通线大多采用 10 kV 供电，而 10 kV 电网也是城市配电网中重要的直供负荷电源。两者不仅电压等级相同，在各自结构和功能上也有很多相似之处。因此，城市配电网的可靠性评价标准与方法也可以运用到铁路贯通线的可靠性评估中。但铁路贯通线相对于城市配电网还有其自身特点，其可靠性分析评价亦有不同的特点与要求。以下从两者的不同点出发，重点分析其对于可靠性评价所产生的影响，为我国的铁路贯通线可靠性评估提供参考。

1 供电系统特征分析

1.1 地理位置

城市配电网中的 10 kV 供电系统位于网络末端与用户连接处，多处于市区等负荷中心处，输电线分布相对集中，系统可靠性受自然环境影响较小。

铁路贯通线的 10 kV 供电线路沿铁路线分布，因此大部分线路位于气候、地形条件较为复杂的野外，系统可靠性受自然环境因素的影响较大[1]。

1.2 线路结构

城市配电网中的 10 kV 供电系统的网络结构一般是辐射状，线路多采用架空线与电缆混合的方式。对于不同等级的负荷采用不同线路供电，不同线路之间一般没有电气联系，线路发生故障将导致该线路上的全部负荷失去电源。

铁路贯通线的网络结构同样是辐射状，干线铁路区间供电线路采用双贯通线，将架空线路沿铁路两侧架设，或者电缆沿铁路两侧隧道、桥梁、路基电缆槽敷设。铁路的电力设计中根据负荷的不同重要程度，分别采用一级负荷与综合负荷电力贯通线为不同负荷供电，其中综合负荷电力贯通线可以作为一级负荷电力贯通线的备用电源。

1.3 负荷特征

城市配电网的负荷多为城市居民用电、商业及工厂生产用电，负荷波动比较大，而且地理位置相对集中，线路供电距离短，供电负荷较大和较集中。

铁路贯通线的负荷相对较小，但负荷点很多呈线状分布，而且线路长，供电臂长一般为 40～60 km，有的地方甚至长达 70～80 km，这对铁路贯通线的整体可靠性造成不利影响。

2 可靠性评估分析

2.1 可靠性评估系统

铁路贯通线的可靠性评估是指在组成主接线系统的元件 (开关器件、变压器、线路、母线等) 可靠性指标已知和可靠性准则给定的条件下，评估整个铁路贯通线系统满足供电点电力需求能力的程度。可靠性评价方法可以借鉴城市配电网的可靠性评价方法，但在算法中需要考虑铁路贯通线区别于城市配电系统的若干特征。相对于相同电压等级的配电网而言，铁路贯通线的地理环境、负荷特征不利于其可靠性，这就要求干线铁路贯通线采用全电缆线路，选择高标准的配电设备，以提升铁路贯通线系统的可靠性。

在可靠性指标的要求上，由于铁路贯通线发生故障后可能引发严重的运输安全事故，因此铁路贯通线的可靠性标准要求明显高于城市配电网的可靠性标准。

2.2 可靠性评估方法

根据铁路贯通线的特点、可靠性评估的要求和城市配电网可靠性分析的基本方法，采用解析法中的网络法作为铁路贯通线可靠性分析的基本方法。

网络法有基于最小路和基于最小割两种形式。虽然最小路集法和最小割集法可以得到相同的结果，但前者主要从可靠性方面考虑，后者主要从故障率方面考虑。最小路集法适用于元件路径长、数量少的系统；最小割集法适用于元件路径短、数量多的系统。由于铁路贯通线通常只有 1～2 条线路贯通整个系统，负荷一般只能得到 1～2 个电源供电，因此最小路集法更适合于铁路贯通线的可靠性计算。

铁路贯通线可靠性分析还应特别考虑天气影响因素，元件的故障率应该是其所处天气的连续函数，然而由于系统的建模、数据收集、数据检验等比较困难，在实际中不能将其处理为连续函数。为便于分析，必须将其处理为一个状态足够少但可以完全描述故障“聚集效应”的有限个状态的函数。在此基础上，通过参考 IEEE 346 标准中相关内容，将天气分为 3 类：正常天气、恶劣天气、极恶劣天气。根据设备在不同天气状况下的故障率不同，利用不同天气情况在全年中所占比例求取系统全年平均可靠性参数。以下是主要指标的计算公式。

（1）平均无故障运行时间 (MTBF)：

山林绿树旁，几十亩田地以篱笆隔成棋盘状方格。每一格便是一垄精耕细作的熟地，依四季不同，大小不等的长方形、正方形田埂里长着应季时令蔬菜。但凡爬藤的、挂果的、梗叶的、块茎的，青红白黄各色蔬果，绿油油长势喜人。田畴外斜坡上，依次排列着锹、锄、镰、耙、犁、瓢等十八般农具。田间纵横之小径，统统通向围在菜地中央的一口池塘。塘边一头等待套犁耕田的水牛漫不经心地啃着青草，塘中一群麻鸭正在悠闲戏水。四五块木跳板搭在塘沿四周，随时供耕者担水浇灌或洗濯。颤悠悠的跳板一端，备有木桶、扁担和竹篮、篾箕……

式中：R 为统计的元件数；ri为统计的第 i 个元件发生故障的总次数；tij为第 i 个部件的第 j-1 次故障到第 j 次故障之间的工作时间。

（2）平均修复时间 (MTTR)：

式中：twi为第 i 次故障发生的时刻；tai为第 i 次重新恢复运行的时刻；K 为故障修复次数。

（3）可用率 (A)：

（4）用户平均故障停电时间 (AFHC)：

式中：N 为负荷点总数；Usk为第 k 个负荷点的故障平均持续时间。AFHC 的单位是 h/(a.户)。

（5）用户平均故障停电次数 (AFTC)：

式中：N 是负荷点总数，即用户总数；λsk是第 k 个负荷点的故障次数。AFTC 的单位是次/(a.户)。

计算中所需的元件RAMS参数如表1所示。表中数据来源于国家电力监管委员会电力可靠性中心发布的可靠性指标，并参照部分铁路统计数据。

表 1 元件RAMS参数表

3 可靠性指标计算及分析

由于铁路贯通线可以采用不同的设计方案，如电缆线路与架空线路的不同，变配电所接线方式的不同等。因此，对各种不同设计方案下的系统可靠性指标进行了计算，计算结果及其与我国城市配电网10 kV用户供电统计指标的对比如表2所示。

（1）在无桥、外桥、内桥 3 种典型的变配电所接线方式中，内桥接线的供电可靠性最高且符合铁路电力供电系统的实际情况。建议铁路电力供电系统中35 kV及以上变配电所使用内桥加单母线分段的接线方式。

（2）铁路双贯通供电方式的可靠性要优于单贯通供电方式。对于供电可用率要求高的铁路供电设计方案，应采用双贯通方式供电。

（3）在双贯通的负荷接入方式中，环网接入方式的可靠性略优于 T 接方式，但其经济性不如 T接方式，综合考虑后建议使用 T 接方式，但需要每隔一段距离设置一分段开关，以便故障的隔离和查找。在单贯通线中，环网接入方式的可靠性指标明显优于 T 接方式，在经济条件允许下建议使用环网接入方式。

（4）由于铁路贯通线电缆线路敷设于隔离带内，不易受外界施工、人为破坏等影响，所以铁路贯通线的电缆故障率远远低于架空线的故障率，采用电缆线大大提高了铁路电力供电系统的可靠性指标。

表2 铁路贯通线与城市10 kV配电网供电可用率对比表

（5）负荷点位置会对其可靠性指标产生影响。单贯通较双贯通供电方式更易受负荷点位置的影响。远离电源、贯通线路较长的负荷点，其可靠性指标相对于靠近电源、供电线路较短的负荷点要差。

（6）供电可用率更易受元件故障率的影响，利用灵敏度分析可以找到制约可靠性指标的瓶颈。不同接线方式下，灵敏度排序不一样，单贯通方式下制约供电可靠性的瓶颈是输电线路的故障率，双贯通方式下则为负荷母线的故障率，单贯通方式对元件的依赖程度要高于双贯通方式。

4 结束语

针对铁路贯通线与城市配电网 10 kV 供电系统的不同特点，及其对铁路贯通线系统整体可靠性造成的影响，利用基于最小路的网络法对铁路贯通线的可靠性进行评估，提出铁路贯通线的设计方案的参考意见。从计算结果可以看出，虽然干线铁路贯通线与城市配电网 10 kV 供电系统的电压等级相同，但由于两个系统的不同特征，相同电压等级的铁路贯通线的可靠性要高于城市配电网的可靠性，这符合铁路贯通线供电高可靠性的客观要求。

[1]孙建明，颜秋容. 高速铁路10 kV电力系统RAMS定量评估研究[J]. 铁道工程学报，2008，10(12)：40-44.

[2] 苏小倩，吴重民，林晓东. 配电系统可靠性的评估和分析[J]. 广东电力，2002，15(4)：22-25.

[3] 贾晓楠，吴俊勇，刘海军. 高速铁路牵引变电所电气主接线的可靠性评估[J]. 电气化铁道，2007(6)：1-5.