線路故障指示器和系統(tǒng)的可靠性

1、線路故障指示器和系統(tǒng)的可靠性David J.Krajnak,P.E.Non -MemberSenior Product Specialist, System ReliabilityCooper Power SystemsPewaukee, WI摘要：線路故障指示器(FCIs)是很有用的工 具對(duì)提高系統(tǒng)的可靠性。 雖然單獨(dú)一個(gè) FCIs 也許無(wú)法防止供應(yīng)中斷或與系統(tǒng)的可靠性 相關(guān)的其他問(wèn)題， FCI 應(yīng)用可以幫助識(shí)別配 電系統(tǒng)的故障區(qū)域 ,同時(shí)減少值班人員查找 定位故障電纜的時(shí)間 ,從而減少停機(jī)時(shí)間。 為 跟蹤減少停機(jī)時(shí)間， FCIs 的應(yīng)用可以聯(lián)系到 像系統(tǒng)平均中斷時(shí)間指數(shù) (SAIDI) 和

2、用戶平 均中斷時(shí)間指數(shù) (CAIDI) 的停機(jī)統(tǒng)計(jì)。通過(guò) 使用 FCIs 能夠花更少的時(shí)間識(shí)別并找出故 障電纜， 提高值班人員的生產(chǎn)效率，使有更 多的時(shí)間花在生產(chǎn)系統(tǒng)的操作、改進(jìn)上。 除 了真正地為公用設(shè)施節(jié)約成本和提高效率， 減少停機(jī)時(shí)間， 使用 FCI 還可以幫助提高客 戶滿意度。 對(duì)于那些可能由于供電中斷導(dǎo)致 重大生產(chǎn)事故的工商業(yè)用戶來(lái)說(shuō)， 減少停機(jī) 時(shí)間可以幫助他們降低因供電中斷而造成 的生產(chǎn)成本。 隨著在設(shè)計(jì)速度方面的創(chuàng)新產(chǎn) 生更多基于績(jī)效被保人， FCIs 通過(guò)保持在可 接受范圍內(nèi)的服務(wù)質(zhì)量可以幫助公用單位 避免為事故買單。隨著近年來(lái)的技術(shù)進(jìn)步， 故障指示器變得更加可靠， 其新穎獨(dú)

3、特的功 能保證了線路故障指示器在提高系統(tǒng)可靠 性上的有效應(yīng)用。關(guān)鍵詞 線路故障指示器， 配電系統(tǒng)可 靠性，減少持續(xù)停機(jī)時(shí)間， SAIDI ，CAIDI ， 可靠性成本 /效益分析 1 引言線路故障指示器(FCIs)可以作為很有用 的工具對(duì)提高系統(tǒng)的可靠性。 通過(guò)允許操作 人員在兩個(gè)交換點(diǎn)之間迅速查明故障的位 置，F(xiàn)CIs可以減少工作人員在電纜和架空線 路定位故障的時(shí)間， 讓操作人員隔離故障部 分，并開(kāi)始進(jìn)行必要的維修。 線路故障指示 器的優(yōu)勢(shì)不難實(shí)現(xiàn)： 通過(guò)減少查找故障時(shí)間 來(lái)減少總的停機(jī)時(shí)間。 雖然公用事業(yè)可能無(wú) 法都避免每個(gè)由電纜或架空線路故障引起 的永久性故障，但是 FCIs 可以幫助減

4、少發(fā) 生故障時(shí)的停機(jī)時(shí)間 ,讓用戶更加滿意 !通過(guò)減少電纜故障造成的永久性停機(jī) 時(shí)間，公用事業(yè)可以提高作業(yè)人員的生產(chǎn) 率，并節(jié)省營(yíng)運(yùn)成本。從用戶的角度，減少 停機(jī)時(shí)間意味著減少不便， 同時(shí)對(duì)于工商業(yè) 用戶來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)力損失是可以避免的。 故障 指示器的應(yīng)用使用戶和公用事業(yè)的利益能 以節(jié)約的成本和減少的停機(jī)時(shí)間的形式量 化。FCIs 可以用作段電響應(yīng)裝置， 也可以用 來(lái)幫助識(shí)別電力配電系統(tǒng)故障區(qū)域， 這時(shí)線 路故障指示器的效益就很容易顯示出來(lái)。 公 用事業(yè)單位可以應(yīng)用故障指示器在用戶投 訴出現(xiàn)短時(shí)斷電或者收到警報(bào)燈的地方。 發(fā) 生短時(shí)故障或者其他系統(tǒng)事件引起自動(dòng)重 合閘動(dòng)作或者電壓驟降的位置到時(shí)也

5、可以 確定。公用事業(yè)便可以應(yīng)用確定故障點(diǎn)的方 法防止同類型的事件發(fā)生。 減少停機(jī)時(shí)間或 者基本上防止短暫斷電， 都能夠使工商業(yè)用 戶節(jié)省數(shù)千美元。2 系統(tǒng)可靠性指標(biāo)像 SAIDI 和 CAIDI 那樣，故障指示器 使用優(yōu)勢(shì)的測(cè)試和測(cè)量值使用可靠性的分 析有助于量化電纜故障指示器的優(yōu)勢(shì)。 越來(lái) 越多的公用事業(yè)為提高系統(tǒng)可靠性而實(shí)行 進(jìn)程跟蹤測(cè)量， 無(wú)論是為自己使用或是作為 監(jiān)管機(jī)構(gòu)的授權(quán)， 通過(guò)使用故障指示器而產(chǎn) 生的停電時(shí)間減少， 會(huì)因此改善衡量停電持 續(xù)時(shí)間的指標(biāo)。此外，對(duì)于使用故障指示器的好處，其 背后的原因不難看出來(lái)。 巡查時(shí)間減少導(dǎo)致 停電時(shí)間減少， 這可以通過(guò)檢查系統(tǒng)平均停 電時(shí)間指

6、數(shù)( SAIDI )，為每一個(gè)客戶提供 每年平均停電時(shí)間定量測(cè)量， 或客戶平均停電時(shí)間指數(shù)（CAIDI ）的測(cè)量，為在一年期 間中斷的客戶提供平均停電時(shí)間測(cè)量來(lái)進(jìn) 行量化。這些測(cè)量可以分析之前和之后的故 障指示器在配電網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。 SAIDI和 CIAIDI指標(biāo)改善后，相應(yīng)地停電時(shí)間也減 少如SAIFI和MAIFI，可靠性測(cè)試，顯示 的是斷續(xù)頻率而不是停電時(shí)間，通過(guò)故障指示器的使用可能會(huì)被間接地改善。FCIs是一種查找故障線路的工具，通過(guò)使用FCIs可以優(yōu)先做到防止斷電，以此來(lái)改善這些指 標(biāo)。因此，盡管線路故障指示器的使用可能 會(huì)被認(rèn)為是一種工具用來(lái)防止斷電，但是線路故障指示器是一種協(xié)助電力

7、設(shè)備提高反 應(yīng)斷電故障的主要的工具。3案例分析為了進(jìn)一步量化指標(biāo)的故障使用的好 處，并確定故障指示器怎樣提高系統(tǒng)可靠性 參數(shù)，其 中使用 Cooper Power Systems Distrely軟件來(lái)檢測(cè)一個(gè)研究案例。一個(gè) 由簡(jiǎn)化的實(shí)用反饋線組成的基本案例使用 下列關(guān)于系統(tǒng)可靠性和實(shí)用響應(yīng)中斷的數(shù) 據(jù)來(lái)建模：電路故障0.261每年每英里電路的總長(zhǎng)度141.7公里25%的永久性故障平均修復(fù)時(shí)間 =3小時(shí)除了在反饋線上的一點(diǎn)的單重合閘 和 二次線路上的熔絲開(kāi)關(guān)外，沒(méi)有其他系統(tǒng)保 護(hù)裝置存在。若主反饋線上發(fā)生故障時(shí)變電 站斷路器可以提供保護(hù)。因此，反饋線上任 何一點(diǎn)的故障條件都可能會(huì)影響到所有用

8、戶使用的支線。將故障指示器放置在軟件模型系統(tǒng)的六個(gè)地點(diǎn)，在這些點(diǎn)上支線分為兩支（見(jiàn)圖1）。然后檢查這兩種操作方案。第一種方 案假設(shè)系統(tǒng)在變電所開(kāi)始查找。在支路分岔 點(diǎn)的故障指示器指示故障電流朝哪個(gè)方向 走，哪條支路的系統(tǒng)查找就應(yīng)該繼續(xù)。圖1線路故障指示器的理論布點(diǎn)第二種情況假設(shè)作業(yè)人員可以得到一 些有關(guān)的故障定位的信息，這些信息是從收 到用戶斷電投訴中得到的。因此，從斷電報(bào) 道點(diǎn)開(kāi)始查找會(huì)進(jìn)一步減少查找里程。對(duì)于兩種實(shí)施方案，從故障指示器翻牌 反映的信息減少了定位電纜故障區(qū)域的查 找總支路長(zhǎng)度。該分析表明，對(duì)于方案1 ,支路故障定位巡邏總里程，查找時(shí)間，相對(duì) 于基本情況減少了 46%。對(duì)于方案

9、二，巡邏 里程減少了 80%由于巡邏時(shí)間是總停機(jī)時(shí)間的一部分， 所以巡邏時(shí)間的減少將導(dǎo)致停電時(shí)間減少。 假設(shè)一小時(shí)的停機(jī)時(shí)間，在應(yīng)用故障指示器 之前是用于故障定位，而仿真結(jié)果表明方案 1減少15%的停機(jī)時(shí)間，方案2減少26%停 機(jī)時(shí)間。這些結(jié)果推斷到系統(tǒng)廣泛使用的故 障指示器，以及全年停電類似，停電持續(xù)時(shí) 間在每次停電的平均減少可能使系統(tǒng)可靠 性的停電時(shí)間指數(shù)類似比例地減少（見(jiàn)表 1）。從本示例的結(jié)果看出，僅作為提高系 統(tǒng)的可靠性的一步，簡(jiǎn)化實(shí)用饋線模型的故 障指示器應(yīng)用，或許不能使用電單位達(dá)到表1基本案例系統(tǒng)和故障指示器使用的可 靠性指數(shù)比較Mea&iircBa注 Cas«

10、Scenario 12UtilityGodSAID)1.6873 12215% rEductiDri2.70426滋 reductionLQtoL5CAIDI29S2.5365% rcductiuh2.197'2D% reduction1.0 id1.5SAIDI和CAIDI指數(shù)的目標(biāo)。但是，仿真結(jié) 果表明，在巡邏時(shí)間和停電持續(xù)時(shí)間的大大 減少，可以實(shí)現(xiàn)使用故障指示器的目的。根據(jù)系統(tǒng)類型，操作方式和巡邏時(shí)的實(shí) 際地形，巡邏時(shí)間的實(shí)際減少可能會(huì)介于兩 個(gè)提出的方案之間。 但在整個(gè)配電系統(tǒng)應(yīng)用 故障指示器將會(huì)對(duì)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)產(chǎn)生 重大影響。此外，系統(tǒng)模型是一個(gè)架空配電 系統(tǒng)，其中對(duì)電纜和

11、設(shè)備損壞的跡象，或者保險(xiǎn)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，展現(xiàn)得更為明顯。當(dāng)應(yīng)用到地下系統(tǒng)，其中地下系統(tǒng)的故障較難查找， 并且巡邏和恢復(fù)時(shí)間都大大延長(zhǎng)，故障指示器的使用可以有更大效果，總停電時(shí)間減少 高達(dá) 60% 3。4故障線路指示器的經(jīng)濟(jì)性對(duì)于系統(tǒng)可靠性的經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)故障指 示器的使用減少了停電時(shí)間， 可真正地為用 電單位和用戶節(jié)約成本。停電時(shí)間的減少意 味著為工傷用戶節(jié)省了幾千美元，其中主要 通過(guò)避免停電造成的生產(chǎn)損失。表2工商業(yè)用戶平均停電費(fèi)用1 Omjge DurmioiiGj計(jì) 4wilh No霽去g站I Hoik with No Notice 豹94劉_10”20%¥0陽(yáng)刖£昭$7.碼

12、 42 Second Nfomentary Qutagt創(chuàng) I 血了從實(shí)用角度來(lái)看，如果作業(yè)人員花更少 的時(shí)間巡邏斷電故障，則可以有更多的時(shí)間在實(shí)際修理或生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和配電系統(tǒng)的完善， 用電單位可以提高生產(chǎn)效率，降低成本。例如，使用由個(gè)案研究提出的額外數(shù)據(jù)，運(yùn)用案例研究結(jié)果，并假定每小時(shí)花費(fèi) 250美元 船員和卡車成本：（0.261故障/電路英里/年）（141.7公里線路 長(zhǎng)度）=37中斷每年（3小時(shí)修復(fù)時(shí)間）（0.26減少停機(jī)時(shí)間） =0.78小時(shí)節(jié)省每停運(yùn)（2）（0.78小時(shí)保存）（37停機(jī)/年） =28.86小時(shí) 保存/年（28.86每小時(shí)保存）（$250 / h線路船員成 本）=7215美

13、元每年可節(jié)?。?）在實(shí)用工具的具體成本， 作業(yè)流程，以 及關(guān)于斷電的具體情況的變化， 意味著實(shí)際 成本儲(chǔ)蓄也將有所不同， 但是，這個(gè)例子表 明，節(jié)省是可以量化的。 從生產(chǎn)力的角度檢查，而不是節(jié)省成本，這意味著近29小時(shí)在線工作人員每年可用于生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行和 改進(jìn)，而不是查找故障。故障指示器使用的其他益處呵呵停電 持續(xù)時(shí)間的減少可能更難以量化，但仍可予以考慮。努力提高配電系統(tǒng)的可靠性可以幫 助用電單位維持甚至提高客戶滿意度，提高客戶信心和用電單位的公眾形象。而且，隨著越來(lái)越多的單位面臨解除管制，并開(kāi)始爭(zhēng)奪客戶，系統(tǒng)的可靠性將可能發(fā)揮作用在保 留老客戶和吸引新客戶。故障指示器可能是改善斷電響應(yīng)和系統(tǒng)

14、可靠性總體規(guī)劃的重 要組成部分。女口 SAIFI, SAIDI, CAIDI和 MAIFI 可靠性和測(cè)量，在實(shí)用性能控制指數(shù)和基于性 能的費(fèi)率制定的使用中變得越來(lái)越流行。改善系統(tǒng)的可靠性，如故障指示器的應(yīng)用，使 這些可靠性措施得到改善，可以幫助公用事業(yè)單位維持服務(wù)質(zhì)量，避免對(duì)性能基率繳納 罰款，或在服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)削減向監(jiān)管機(jī)構(gòu)申 請(qǐng)。從經(jīng)營(yíng)的角度來(lái)看，故障指示器的使用 可減少系統(tǒng)的損耗，并可能有助于避免由 式錯(cuò)故障查找的系統(tǒng)反復(fù)壓力造成的潛 在故障。如果沒(méi)有故障指示器的使用，經(jīng)營(yíng) 者無(wú)法隔離電纜正常區(qū)域。截止到故障狀態(tài) 保護(hù)裝置會(huì)對(duì)電纜和其他設(shè)備造成額外的 壓力。與用故障指示器查找故障，這種故障

15、需要更多的時(shí)間查找， 并會(huì)造成相應(yīng)的安全 問(wèn)題。故障指示器可以第一時(shí)間將工作人員 引向正確的故障位置。維修和電源就可以開(kāi) 始恢復(fù)得更快。5故障指示器的可靠性在過(guò)去，事業(yè)單位應(yīng)用故障指示器觀察過(guò) 許多問(wèn)題，但是對(duì)它們的性能并不滿意，通 過(guò)故障指示器設(shè)計(jì)先進(jìn)技術(shù)的使用，這已經(jīng)被克服了。大多數(shù)故障指示器制造商都用故障指示器測(cè)試向?qū)?II ANSVIEEE49&1986 測(cè)試自己的產(chǎn)品，以確保得到運(yùn)行可靠和持 久的產(chǎn)品。在今天的電子故障指示器產(chǎn)品， 那些由于鄰近電路的情況，自動(dòng)合閘操作所引起的浪涌電流，或其他系統(tǒng)瞬變引起的誤 動(dòng)作，可以很容易地消除。例如，在故障指示器中， 使用電流互感 器來(lái)檢

16、測(cè)故障電流，幾乎消除了電纜附近安 裝的指示器因虛假跳閘上可能會(huì)出現(xiàn)故障。 感應(yīng)電流互感器的設(shè)計(jì)也允許添加低通濾 波器到故障指示器，消除電纜上浪涌電流的 假脫扣現(xiàn)象，即在電纜儲(chǔ)存的電能釋放到故 障位置。隨著故障產(chǎn)生的電纜涌出電流能引 起故障位置外的故障指示器動(dòng)作。 低通濾波 器消除了這個(gè)問(wèn)題，防止故障指示器因這種 更高頻率電流而跳閘。涌流制動(dòng)功能將防止 故障指示器因重合閘操作產(chǎn)生的涌入電流 而誤動(dòng)作。此外，在故障指示器的設(shè)計(jì)創(chuàng)新， 使故 障指示器，更可靠和更容易應(yīng)用。 指示器感 應(yīng)當(dāng)前和其他系統(tǒng)的變化率而非具體的動(dòng) 作設(shè)置條件，以-一刀切勺方式運(yùn)用故障指 示器表明這一趨勢(shì)。這進(jìn)一步保證了通過(guò)使

17、用故障指示器獲得勺信息是可靠勺， 而故障 指示器勺應(yīng)用可以有效地幫助減少停機(jī)時(shí) 間。6 結(jié)論對(duì) FCIs 使用可減少停電時(shí)間， 提高營(yíng)運(yùn) 效率，提高可靠性指數(shù)。 故障指示器是一種 廉價(jià)勺提高系統(tǒng)可靠性勺方法。 作為邁向提 高了系統(tǒng)勺可靠性勺第一步， 或作為一個(gè)整 體系統(tǒng)勺可靠性改進(jìn)計(jì)劃勺一部分， 其中包 括保險(xiǎn)絲，重合閘或其他過(guò)電流保護(hù)， 線路 故障指示器作為提高配電系統(tǒng)可靠性勺工 具有很大勺益處。這些好處是可以通過(guò)減少 運(yùn)營(yíng)成本和提高可靠性指數(shù)勺形式實(shí)現(xiàn)。 電 力用戶也通過(guò)避免生產(chǎn)損失和長(zhǎng)時(shí)間斷電 相應(yīng)勺不便之處縮短停機(jī)持續(xù)時(shí)間有好處。 不管是否是為提高系統(tǒng)勺可靠性， 故障線路 指示器可以成

18、為解決系統(tǒng)可靠性問(wèn)題勺重 要組成部分。額外勺探索和案例研究有助于進(jìn)一步 量化指標(biāo)勺故障使用勺好處。 通過(guò)使用故障 指示器，檢查地下以及架空系統(tǒng)將提供一個(gè) 可能在全系統(tǒng)勺基礎(chǔ)上對(duì)減少停電時(shí)間勺 更真實(shí)勺分析。此外，故障指示器在與重合 閘，或系統(tǒng)其他過(guò)流保護(hù)一起使用時(shí)， 作為 整體系統(tǒng)勺可靠性改進(jìn)計(jì)劃勺一部分， 可以 進(jìn)行檢測(cè)。這也可能有助于確定一個(gè)設(shè)備勺 最佳組合，以提高系統(tǒng)可靠性和斷電響應(yīng)勺 性價(jià)比最高勺方法。7 參考文獻(xiàn)1 Sullivan, M., T. Vardell and M. Johnson, Power Interruption Costs to Industrial and C

19、ommercial Consumers of Electricity, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 33, Nov./Dec. 97.2 Bishop, Martin T. and Chris A. McCarthy, Distribution System Reliability, II Pennsylvania Electric Association, Distribution Committee, Matamoras, PA, April 6, 1999.3 Iverson, Jon S. and Nangyalai Gul, ReducingURD Outage Time Using Faulted Circuit Indicators, IIEEEPES T&D Conference, April 1994.8 感謝Chris A. McCarthy, Systems Engineering