基于铁路电力配电系统的可靠性分析

基于铁路电力配电系统的可靠性分析

薛锐

内蒙古集通铁路（集团）有限责任公司锡林浩特综合维修段

内蒙古锡林浩特市 026000

摘要：近年来，我国铁路事业蓬勃发展，尤其是高速铁路，基本上实现了“四纵四横”的快速铁路网。随着快速铁路网的建成通车，铁路线路更加复杂，行车速度大幅提高，对铁路电气化系统提出了更高的要求。此外，铁路电气化系统自身结构十分复杂，包含很多电气设备，一旦发生事故，所波及的范围很大并会造成重大损失。因此，研究铁路的供电系统可靠性，确保铁路的正常运行具有十分重要的意义。

关键词：铁路电力；配电系统；可靠性

随着我国铁路网的完善，配电系统可靠性逐渐成为业内主要研究的课题，以期能够保证可靠性水平达到期望值，让铁路得到安全运行。因此，需要了解影响系统可靠性的因素，掌握判断方法，让系统可靠性得到保障。

一、铁路电力配电系统

铁路供电系统分为两部分：电力供电和牵引供电，前者为调度指挥、通信信号和旅客服务等业务提供必要的电力保障；而后者为电气化铁路的机车提供必要的电能。

目前，我国铁路电力供电线路一般由沿铁路全线设置一条一级负荷电力贯通线和一条综合电力贯通线构成，通常采用10kV电力贯通线，大约每隔50~70km设置一个配电所或开闭所，沿线与行车有关的通信、信号、综调系统等由一级负荷电力贯通线主供，综合电力贯通线备供。

铁路电力配电系统由于其应用的特殊性，有其自身特点：（1）电压等级低，铁路供电系统中大部分采用10kV配电所和35kV变电所，且铁路变、配电所的结构功能、配置基本相同；（2）供电半径较长，铁路电力配电系统的供电半径通常在50~70km之内；（3）供电可靠性要求高，需要确保配电系统的供电可靠性，以便配合铁路的正常运行。

二、影响系统可靠性的因素

2.1自然环境因素

配电系统中一部分设备直接和外界环境接触，由于外界环境的影响，让配电系统可靠性受到影响。例如：铁路线路的铺设需要跨越广泛的地域。在很多地区都存在气候上的差异，电力贯通线也必然受到外界环境的影响，从而影响到系统的可靠性。另外，外界环境的雷电、火灾、暴雪等天气都会影响到电力贯通线，让贯通线受到破坏，让配电系统受到影响。

2.2设备因素

在电力配电系统中，包含变压器设备、电流互感器设备、断路器设备、熔断器设备以及贯通线路等，这些设备都是供电系统十分重要的构成部分。设备的检修、质量以及使用年限都在一定程度上影响到系统的运行。例如：变压器在开始运行的时候，设备制造存在缺陷，设备的故障率比较高，但是随着时间的推移，设备经过了磨合期，设备故障率将会逐渐降低。在磨合期之后，设备逐渐开始稳定运行。再经过一段时间的使用，设备构件开始出现老化故障，变压器设备的故障率又再一次升高。

2.3管理因素

配电系统中含有各种线路和设备，在系统运行的时候，人为因素引发配电系统的故障，属于管理不善的原因。例如：在巡视检查系统的过程中，工作人员未及时发现系统故障以及隐患。例如：系统出现异常声响，室内出现异味，或者指示灯显示异常，这些异常状况未得到工作人员的重视，安全隐患未得到及时的消除，影响到系统可靠性。

三、配电系统可靠性研究方法

3.1蒙特卡罗法

蒙特卡罗模拟法是一种用数值计算的方法来模拟系统过程的方法。模拟法首先对系统进行划分，各部分称为元素，通过概率分布可以预测出每一个元素的特性，然后将这些元素的特性进行不同组合，来确定系统的可靠性。蒙特卡洛法属于统计试验方法，所获得的结果也直观易懂，很容易被工程技术人员理解和掌握，且应用该方法时，能够发现一些工程技术人员难以预料的事故。此外，蒙特卡洛法的采样次数与系统规模无关，容易处理各种实际运行控制策略，故适用于复杂系统，尤其是难以用解析法进行求解的大型复杂电力系统。蒙特卡洛法应用性很强，并且计算结果的计算精度较高，但是由于需要多种元素进行组合，往往造成计算时间增长。

3.2状态空间法

状态空间法以马尔可夫过程为理论基础。马尔科夫过程表示一个过程在时刻所处的状态为已知的条件下，过程在时刻所处状态的条件分布于过程在时刻之前所处的状态无关的特性，即状态的转移概率与系统之前的历史无关。

应用状态空间法进行铁路电力配电系统可靠性分析时，首先，应用马尔可夫链建立铁路电力设备的模型，并确定各个设备可能的状态，以及状态之间的转换过程和转换概率；对系统的状态进行分析，确定系统在监测过程中的状态；随后，对发生故障进行判断，从而确定在预测的时间内，故障发生概率最大的系统状态，该状态即作为评估状态；最后，所遴选出的系统状态作为概率指标，对系统运行中有可能发生的故障进行预报，或者提出相应的改善措施。

状态空间法可以解决的范围很广，且便于计算机编程计算。但是建立模型相当复杂，由于原件只有两种工作状态，通常情况下，原件的修复时间必须服从指数分布，当系统包含了多个元件时，计算量将成倍增长，且由于近似计算，往往会造成计算精度相对较低。且采用状态空间法进行计算时，要求系统设备的故障是独立的，故该方法具有一定的局限性。

3.3故障树分析法

故障树就是建立一个以系统故障状态为顶端，以最不希望发生的故障状态作为目标，将遴选出的故障状态作为一种事件构造一个故障树，依据最不希望发生的概率构建的逻辑关系图就称为故障树。故障树分析法简单明确，但是仅仅适用于规模较小的电力系统，面对规模较大的电力系统，故障树的构造就会变得十分繁琐，且需要将大量时间花费在计算上，且不能够考虑到系统元件的修复。

3.4故障模式后果分析法

故障模式后果分析法通过查找系统中元件的所有状态，获得所有可能的系统状态，然后依据可靠性评判指标对系统的所有状态进行检验分析，找出系统出现故障时的元件组合模式，获得系统的可靠性。该方法思路清晰，原理简单，已经在电力配电系统中得到广泛的应用。

采用故障模式后果分析法进行配电系统可靠性分析时，由于实际配电系统十分复杂，元件种类和数量较多，为了简化计算，故首先采用应用最小路、最小割集法和等值网络法对系统的网络模型进行等效处理，等效为相对简单的辐射状网络，并建立铁路配电系统的模型；随后，由于配电系统可以视为完好和故障两种状态，通常状况下，采用连续性作为配电系统评估的故障准则，当供电系统的连续性遭到破坏被视为故障状态，而保持连续性被视为完好状态，依据所定义的可靠性评判指标对配电系统的所有状态进行检验分析，搜寻系统的故障模式集合，查清其对系统的影响。最后，计算系统的可靠性指标。

结论：

综上所述，本文先是对铁路电力配电系统特点进行了分析，影响到系统可靠性的因素主要包括自然环境因素、设备因素以及管理因素。要想保障系统可靠性，掌握判断配电系统可靠性的方法尤为重要，目前最常使用的判断方法就是解析法和模拟法，其中状态空间法能够获得更加准确的结果，但是建立模型比较困难；故障树分析法适合使用在在小规模的系统中；故障模式分析具有清晰的思路，得到广泛应用；蒙特卡罗法更加适合使用在复杂的电力系统中。 参考文献：

[1]李阳，苏小班，朱鹏.提高高速铁路牵引供电系统可靠性的探讨[J].科技视界,2016(27):453-453

[2]陈车.大型铁路客站供配电系统设计及其可靠性分析[J].智能建筑电气技术,2017,11(3):50-57

[3]梁金珠关于电气化铁路牵引供电系统可靠性分析[J].中国科技投资,2017(2)

[4]唐志渊.光伏发电技术在铁路区间配电系统的应用[J].城市建设理论研究:电子版,2016(12)