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 具對提高系統(tǒng)的可靠性。 雖然單獨一個 FCIs 也許無法防止供應中斷或與系統(tǒng)的可靠性 相關的其他問題， FCI 應用可以幫助識別配 電系統(tǒng)的故障區(qū)域 ,同時減少值班人員查找 定位故障電纜的時間 ,從而減少停機時間。 為 跟蹤減少停機時間， FCIs 的應用可以聯(lián)系到 像系統(tǒng)平均中斷時間指數(shù) (SAIDI) 和

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

3、特的功 能保證了線路故障指示器在提高系統(tǒng)可靠 性上的有效應用。關鍵詞 線路故障指示器， 配電系統(tǒng)可 靠性，減少持續(xù)停機時間， 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 的工具對提高系統(tǒng)的可靠性。 通過允許操作 人員在兩個交換點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 路定位故障的時間， 讓操作人員隔離故障部 分，并開始進行必要的維修。 線路故障指示 器的優(yōu)勢不難實現(xiàn)： 通過減少查找故障時間 來減少總的停機時間。 雖然公用事業(yè)可能無 法都避免每個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) 生故障時的停機時間 ,讓用戶更加滿意 !通過減少電纜故障造成的永久性停機 時間，公用事業(yè)可以提高作業(yè)人員的生產(chǎn) 率，并節(jié)省營運成本。從用戶的角度，減少 停機時間意味著減少不便， 同時對于工商業(yè) 用戶來說，生產(chǎn)力損失是可以避免的。 故障 指示器的應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時間的形式量 化。FCIs 可以用作段電響應裝置， 也可以用 來幫助識別電力配電系統(tǒng)故障區(qū)域， 這時線 路故障指示器的效益就很容易顯示出來。 公 用事業(yè)單位可以應用故障指示器在用戶投 訴出現(xiàn)短時斷電或者收到警報燈的地方。 發(fā) 生短時故障或者其他系統(tǒng)事件引起自動重 合閘動作或者電壓驟降的位置到時也

5、可以 確定。公用事業(yè)便可以應用確定故障點的方 法防止同類型的事件發(fā)生。 減少停機時間或 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)可靠性指標像 SAIDI 和 CAIDI 那樣，故障指示器 使用優(yōu)勢的測試和測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。 越來 越多的公用事業(yè)為提高系統(tǒng)可靠性而實行 進程跟蹤測量， 無論是為自己使用或是作為 監(jiān)管機構的授權， 通過使用故障指示器而產(chǎn) 生的停電時間減少， 會因此改善衡量停電持 續(xù)時間的指標。此外，對于使用故障指示器的好處，其 背后的原因不難看出來。 巡查時間減少導致 停電時間減少， 這可以通過檢查系統(tǒng)平均停 電時間指

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

7、設備提高反 應斷電故障的主要的工具。3案例分析為了進一步量化指標的故障使用的好 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軟件來檢測一個研究案例。一個 由簡化的實用反饋線組成的基本案例使用 下列關于系統(tǒng)可靠性和實用響應中斷的數(shù) 據(jù)來建模：電路故障0.261每年每英里電路的總長度141.7公里25%的永久性故障平均修復時間 =3小時除了在反饋線上的一點的單重合閘 和 二次線路上的熔絲開關外，沒有其他系統(tǒng)保 護裝置存在。若主反饋線上發(fā)生故障時變電 站斷路器可以提供保護。因此，反饋線上任 何一點的故障條件都可能會影響到所有用

8、戶使用的支線。將故障指示器放置在軟件模型系統(tǒng)的六個地點，在這些點上支線分為兩支（見圖1）。然后檢查這兩種操作方案。第一種方 案假設系統(tǒng)在變電所開始查找。在支路分岔 點的故障指示器指示故障電流朝哪個方向 走，哪條支路的系統(tǒng)查找就應該繼續(xù)。圖1線路故障指示器的理論布點第二種情況假設作業(yè)人員可以得到一 些有關的故障定位的信息，這些信息是從收 到用戶斷電投訴中得到的。因此，從斷電報 道點開始查找會進一步減少查找里程。對于兩種實施方案，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 找總支路長度。該分析表明，對于方案1 ,支路故障定位巡邏總里程，查找時間，相對 于基本情況減少了 46%。對于方案

9、二，巡邏 里程減少了 80%由于巡邏時間是總停機時間的一部分， 所以巡邏時間的減少將導致停電時間減少。 假設一小時的停機時間，在應用故障指示器 之前是用于故障定位，而仿真結果表明方案 1減少15%的停機時間，方案2減少26%停 機時間。這些結果推斷到系統(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 間在每次停電的平均減少可能使系統(tǒng)可靠 性的停電時間指數(shù)類似比例地減少（見表 1）。從本示例的結果看出，僅作為提高系 統(tǒng)的可靠性的一步，簡化實用饋線模型的故 障指示器應用，或許不能使用電單位達到表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。但是，仿真結 果表明，在巡邏時間和停電持續(xù)時間的大大 減少，可以實現(xiàn)使用故障指示器的目的。根據(jù)系統(tǒng)類型，操作方式和巡邏時的實 際地形，巡邏時間的實際減少可能會介于兩 個提出的方案之間。 但在整個配電系統(tǒng)應用 故障指示器將會對系統(tǒng)的可靠性指標產(chǎn)生 重大影響。此外，系統(tǒng)模型是一個架空配電 系統(tǒng)，其中對電纜和

11、設備損壞的跡象，或者保險開關動作，展現(xiàn)得更為明顯。當應用到地下系統(tǒng)，其中地下系統(tǒng)的故障較難查找， 并且巡邏和恢復時間都大大延長，故障指示器的使用可以有更大效果，總停電時間減少 高達 60% 3。4故障線路指示器的經(jīng)濟性對于系統(tǒng)可靠性的經(jīng)濟性，通過故障指 示器的使用減少了停電時間， 可真正地為用 電單位和用戶節(jié)約成本。停電時間的減少意 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)用戶平均停電費用1 Omjge DurmioiiGj計 4wilh No霽去g站I Hoik with No Notice 豹94劉_10”20%¥0陽刖£昭$7.碼

12、 42 Second Nfomentary Qutagt創(chuàng) I 血了從實用角度來看，如果作業(yè)人員花更少 的時間巡邏斷電故障，則可以有更多的時間在實際修理或生產(chǎn)經(jīng)營和配電系統(tǒng)的完善， 用電單位可以提高生產(chǎn)效率，降低成本。例如，使用由個案研究提出的額外數(shù)據(jù)，運用案例研究結果，并假定每小時花費 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 長度）=37中斷每年（3小時修復時間）（0.26減少停機時間） =0.78小時節(jié)省每停運（2）（0.78小時保存）（37停機/年） =28.86小時 保存/年（28.86每小時保存）（$250 / h線路船員成 本）=7215美

13、元每年可節(jié)?。?）在實用工具的具體成本， 作業(yè)流程，以 及關于斷電的具體情況的變化， 意味著實際 成本儲蓄也將有所不同， 但是，這個例子表 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小時在線工作人員每年可用于生產(chǎn)系統(tǒng)運行和 改進，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，隨著越來越多的單位面臨解除管制，并開始爭奪客戶，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 可靠性和測量，在實用性能控制指數(shù)和基于性 能的費率制定的使用中變得越來越流行。改善系統(tǒng)的可靠性，如故障指示器的應用，使 這些可靠性措施得到改善，可以幫助公用事業(yè)單位維持服務質(zhì)量，避免對性能基率繳納 罰款，或在服務質(zhì)量指標削減向監(jiān)管機構申 請。從經(jīng)營的角度來看，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 式錯故障查找的系統(tǒng)反復壓力造成的潛 在故障。如果沒有故障指示器的使用，經(jīng)營 者無法隔離電纜正常區(qū)域。截止到故障狀態(tài) 保護裝置會對電纜和其他設備造成額外的 壓力。與用故障指示器查找故障，這種故障

15、需要更多的時間查找， 并會造成相應的安全 問題。故障指示器可以第一時間將工作人員 引向正確的故障位置。維修和電源就可以開 始恢復得更快。5故障指示器的可靠性在過去，事業(yè)單位應用故障指示器觀察過 許多問題，但是對它們的性能并不滿意，通 過故障指示器設計先進技術的使用，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試向?qū)?II ANSVIEEE49&1986 測試自己的產(chǎn)品，以確保得到運行可靠和持 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 器來檢

16、測故障電流，幾乎消除了電纜附近安 裝的指示器因虛假跳閘上可能會出現(xiàn)故障。 感應電流互感器的設計也允許添加低通濾 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作。 低通濾波 器消除了這個問題，防止故障指示器因這種 更高頻率電流而跳閘。涌流制動功能將防止 故障指示器因重合閘操作產(chǎn)生的涌入電流 而誤動作。此外，在故障指示器的設計創(chuàng)新， 使故 障指示器，更可靠和更容易應用。 指示器感 應當前和其他系統(tǒng)的變化率而非具體的動 作設置條件，以-一刀切勺方式運用故障指 示器表明這一趨勢。這進一步保證了通過使

17、用故障指示器獲得勺信息是可靠勺， 而故障 指示器勺應用可以有效地幫助減少停機時 間。6 結論對 FCIs 使用可減少停電時間， 提高營運 效率，提高可靠性指數(shù)。 故障指示器是一種 廉價勺提高系統(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， 或作為一個整 體系統(tǒng)勺可靠性改進計劃勺一部分， 其中包 括保險絲，重合閘或其他過電流保護， 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減少 運營成本和提高可靠性指數(shù)勺形式實現(xiàn)。 電 力用戶也通過避免生產(chǎn)損失和長時間斷電 相應勺不便之處縮短停機持續(xù)時間有好處。 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)可靠性問題勺重 要組成部分。額外勺探索和案例研究有助于進一步 量化指標勺故障使用勺好處。 通過使用故障 指示器，檢查地下以及架空系統(tǒng)將提供一個 可能在全系統(tǒng)勺基礎上對減少停電時間勺 更真實勺分析。此外，故障指示器在與重合 閘，或系統(tǒng)其他過流保護一起使用時， 作為 整體系統(tǒng)勺可靠性改進計劃勺一部分， 可以 進行檢測。這也可能有助于確定一個設備勺 最佳組合，以提高系統(tǒng)可靠性和斷電響應勺 性價比最高勺方法。7 參考文獻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