影響大秦線牽引變電所安全可靠性的因素探討

李興榮

(大秦鐵路股份有限公司大同西供電段，山西 大同 037005)

影響大秦線牽引變電所安全可靠性的因素探討

李興榮

(大秦鐵路股份有限公司大同西供電段，山西 大同 037005)

隨著大秦線運量的逐年增加，牽引負荷大幅度增加，給牽引供電設備帶來很大沖擊，大秦線牽引變電所安全可靠性問題愈顯突出。一旦發(fā)生故障，必將給鐵路運輸造成巨大損失。以可靠性原理為指導，重點分析大秦線2億噸擴能改造后，影響牽引變電所安全可靠性的各種因素，對主變壓器過負荷跳閘、主變壓器本體故障、開關及保護裝置故障等對牽引變電所影響較大的故障現(xiàn)象進行分析。以主變壓器過負荷跳閘為例，建立故障樹模型并進行可靠性分析，找出導致故障的最底層原因事件，提出了提高大秦線牽引變電所安全可靠性的措施，并對實施結果進行評價。

牽引變電所;安全;可靠性;分析

1 概述

大秦線作為鐵路重載運輸?shù)氖痉毒€，2003年完成1.2億噸運量任務后，以后每年以5千萬噸的運量遞增。2005年大秦線牽引供電進行了2億噸擴能改造。大秦線各變電所亭通過對既有所亭設備改造，同時新增變電所亭，縮短供電臂長度，擴充變電所供電能力。大秦線牽引供電雖然經(jīng)過了2億噸擴能改造，但是隨后幾年運量逐年遞增，導致牽引供電容量不足。同時改造時部分開關及變壓器設備利舊繼續(xù)運行，長期承受大負荷電流導致設備老化加速，故障率上升，牽引變電所運行可靠性下降，影響到整個牽引供電系統(tǒng)的可靠性下降。

2 影響大秦線牽引變電所運行可靠性的主要因素

通過對2億噸擴能改造后的大秦線牽引變電所運行狀況進行分析，認為大秦線供電設備存在的主要問題一是在牽引負荷逐年增加的情況下牽引主變壓器容量突顯不足，主變過負荷現(xiàn)象越來越嚴重;二是利舊設備電氣性能不穩(wěn)定可靠性低，矛盾集中體現(xiàn)在主導電回路開關故障較頻繁;三是車流密度大接觸網(wǎng)負荷重，線路故障多，對主變運行沖擊較嚴重，導致主變故障偶有發(fā)生;四是部分牽引變電所上級電源系統(tǒng)供電可靠性低和系統(tǒng)供電容量不足，影響到牽引變電所供電電壓質(zhì)量，可靠性降低。受上述各種因素的影響，運行中牽引變電設備故障率較高，導致牽引供電系統(tǒng)的可靠性下降。

2.1 主變壓器過負荷跳閘

大秦線2億噸擴能改造供電設備進行了增容。但是隨后運量快速增加，牽引負荷迅速提升，使得部分牽引變電所供電臂饋線最大負荷電流超過設計值。到2008年大秦線14個變電所，28個牽引供電臂，有11個供電臂最大負荷電流超過設計最大電流，供電容量不足或接近不足的占68%。運行中經(jīng)常發(fā)生主變壓器過負荷跳閘或過負荷報警，部分供電臂開關頻繁過電流跳閘，更無法滿足越區(qū)供電能力的要求。經(jīng)統(tǒng)計，2006～2008年三年大秦線牽引變電所主變過負荷跳閘達241件，過負荷跳閘累計停電延時857min。主變頻繁過負荷跳閘，嚴重時引起電氣接點過熱導致設備故障。由于容量不足，供電能力下降，大大降低了牽引供電系統(tǒng)的可靠性，嚴重影響大秦線正常的運輸生產(chǎn)。

2.2 開關及保護裝置故障

大秦線擴能改造后部分設備利舊繼續(xù)運行，老化狀況明顯。尤其是110kV開關和27.5kV開關故障率較高，經(jīng)常出現(xiàn)110kV斷路器液壓機構故障、27.5kV開關機構卡滯拒動等問題。微機保護裝置由于電子元件抗干擾能力低，運行受牽引負荷環(huán)境影響，故障率較高。2006～2008三年中，開關及保護裝置故障共發(fā)生30多件，導致系統(tǒng)運行不可靠。

2.3 主變壓器故障

2億噸擴能改造部分主變壓器利舊使用，設備老化且容量不足，運行中發(fā)生故障。較為典型的是2007年12月9日湖東變電所和2008年9月4日翠屏山變電所由于近點短路導致主變壓器內(nèi)部故障，最終更換了主變壓器，2臺變壓器故障停電時間累計達38天，嚴重影響到系統(tǒng)運行的可靠性。

2.4 外電影響牽引變電所

上級110kV電源質(zhì)量的好壞對牽引變電所電源可靠性有直接影響。大秦線2億噸擴能改造后仍然有11個牽引變電所主變壓器二次最低電壓波動幅度超過規(guī)定范圍，其中8個變電所最低電壓波動幅度超過20%以上，大大超過《鐵路電力牽引供電設計規(guī)范》的規(guī)定范圍，使得牽引變電所供電安全可靠性大大下降。

3 大秦線牽引變電所可靠性故障樹分析

隨著運量增加，大秦線牽引負荷越來越大，牽引供電系統(tǒng)設備運行安全風險也越來越高。要降低風險，就要不斷提高設備運行可靠性，從而減少牽引變電所設備故障。通過對大秦線牽引變電所運行情況進行分析研究，我們認為影響大秦線牽引變電所可靠性的主要因素有主變頻繁過負荷跳閘、開關機構及保護故障、主變壓器故障、上極電源影響供電質(zhì)量等方面問題，如圖1所示。對大秦線2億噸擴能改造后牽引變電所三年的設備故障數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，主變壓器過負荷跳閘占到總故障跳閘次數(shù)的70%以上，主變過負荷跳閘導致的停電時間占到總故障停電時間的80%以上。我們用故障樹分析法重點對主變壓器過負荷跳閘的問題進行分析。

圖1 牽引變電所不可靠因素分解示意圖

3.1 故障樹分析法

故障樹分析法是把系統(tǒng)出現(xiàn)的故障作為要分析的頂事件，首先分析造成頂端事件的直接因素，然后找出直接因素是由哪些下級原因引起，層層分析引起頂事件的各種原因，直到找出最原始最底層的因素(底事件)為止。故障樹的建立就是找出故障和造成故障的各種原因之間的邏輯關系，把這個邏輯關系用框圖和邏輯符號的形式表示出來。

3.2 主變壓器過負荷故障樹建模

主變壓器頻繁過負荷跳閘嚴重影響列車的正常運行，對鐵路的運力造成較大影響。主變壓器過負荷的原因主要有三個方面:一是主變壓器能力不足，這可能是由于機車調(diào)度安排不合理造成某一時段通過列車過于密集從而導致主變過負荷，也可能是主變壓器自身能力不足以應付目前的負荷情況;二是保護定值設定不合理導致頻繁跳閘;三是保護裝置本身故障造成誤動從而導致主變壓器跳閘。我們以主變壓器過負荷跳閘為頂事件建立的故障樹模型如圖2所示。

圖2 主變壓器過負荷故障樹模型

3.3 主變壓器過負荷故障樹分析

根據(jù)圖2故障樹模型判斷各個事件之間的邏輯關系，建立邏輯關系式為:

根據(jù)上面邏輯關系式建立主變過負荷跳閘的邏輯關系圖如圖3所示。

圖3 主變過負荷跳閘邏輯關系圖

從圖3的邏輯關系圖中可以看出，造成主變壓器過負荷跳閘的底事件原因有 B1、B2、B3、B4、B5、B6 等6個方面，相比之下，B2事件(變壓器設計容量不足)更為突出，但是同樣不能排除行車設置不合理等原因?qū)е轮髯儔浩髂骋粫r間段瞬間電流過大而跳閘。采用相同的方法，我們可以對影響牽引變電所安全可靠性的其他因素建立故障樹模型進行分析，得出導致各種故障事件的全部底層因素，也就是導致事件的全部原因，有針對性的消除這些最基本的因素，才能從根本上解決頂事件的發(fā)生。

4 提高大秦線牽引變電所安全可靠性的措施

通過分析，我們得到影響大秦線牽引變電所安全可靠性的主要因素，并以故障樹分析法得出導致不可靠事件的最底層原因。提高牽引變電所安全可靠性，就是要想辦法消除這些最底層事件的發(fā)生。以提高大秦線牽引變電所可靠性為目的，我們提出以下治理措施:

4.1 針對性地治理主變壓器過負荷跳閘

一是改善牽引網(wǎng)供電臂的結構，大秦線4億噸擴能改造方案提出在大秦線增加2座牽引變電所、5座分區(qū)所、6座AT所，縮短了供電臂的距離，也相應的減少了牽引變電所的負荷;二是通過技術措施提高主變壓器的負載能力，比如將自冷式牽引變壓器自冷冷卻方式改為強制風冷，可在一定范圍內(nèi)提高變壓器的過負荷能力;三是對容量不足的牽引主變壓器進行增容;四是根據(jù)負荷情況和主變過載能力，對變電所主變的過負荷跳閘保護整定值進行調(diào)整。比如把大秦線變電所主變過負荷保護動作值從1.5倍調(diào)整為2倍，跳閘延時由90s調(diào)到120s，在變壓器可以承受的范圍內(nèi)，最大限度地增加了運行中主變壓器的過負荷能力，減少過負荷跳閘。

4.2 加大對設備缺陷的整治力度

針對發(fā)生較多的開關及保護裝置故障、充油設備故障、電氣接點過熱等故障，采取相應的設備整治措施。例如對開關機構的專項整治;對大秦線運行不穩(wěn)定的部分真空斷路器平推檢修，統(tǒng)一更換故障率較高的部件;對故障率較高的110kV DL液壓機構進行解體大修等，可以有效地提高開關設備運行的可靠性。例如針對大秦線西段高寒地區(qū)冬季變壓器絕緣油固化的問題，組織對AT變及動力變25號絕緣油更換為45號油，防止冬季極低溫時絕緣油固化變壓器瓦斯保護誤動作的問題。通過有針對性地組織設備專項整治，解決設備存在的典型問題、共性問題，消除設備隱患，有效地提高設備運行的可靠性。

4.3 制定科學的預防性檢修試驗策略

傳統(tǒng)的預防性試驗每年按周期進行一次，一些在試驗周期內(nèi)隱患無法及時準確及早發(fā)現(xiàn)，同時耐壓試驗等破壞性試驗有可能導致設備隱患，縮短設備的運行壽命。這種不考慮設備運行狀態(tài)的定期試驗，帶有一定的盲目性。通過對變電設備運行信息進行綜合分析，根據(jù)設備運行年限和運行狀況逐一綜合判斷，對新投運的設備、利舊設備和運行穩(wěn)定的設備區(qū)別對待，對預防性檢修試驗的周期及項目根據(jù)設備運行質(zhì)量相應地進行科學的調(diào)整，使牽引變電所設備預防性試驗的針對性更強，效率更高，提高設備運行質(zhì)量和運行可靠性。

4.4 采取行之有效的運行管理手段

提高設備運營單位的運行管理水平，對提高牽引變電所設備運行的可靠性是非常必要的。充分利用大秦線視頻監(jiān)控系統(tǒng)和遠動控制系統(tǒng)，對變配電所亭進行優(yōu)化管理，加大對無人所亭的巡視檢查力度，提高全線變電設備的管理水平和效率。針對不同季節(jié)中牽引變電設備運行情況及故障情況具有不同特點，做到預防為主，超前預測，提前著手，在各個季節(jié)典型氣候來臨之前對設備有針對性地進行整治和防范。防止雨天積水設備基礎變形、設備室漏雨引起故障;防止雷雨天氣絕緣部件污閃跳閘;防止高溫天氣及大負荷下電氣接點或設備過熱;防止冬季設備油位、氣壓、液壓過低發(fā)生故障等。通過運行管理制度的制定和落實，提高設備管理水平，降低設備故障率，從而提高變電所的安全可靠性。

5 效果評價及結論

2008年以來，大秦線牽引供電系統(tǒng)進行了4億噸擴能改造，采取了一系列的整治措施，比如增設牽引變電所數(shù)量以縮短供電臂距離、主變壓器增容、更換狀態(tài)不良設備等措施。在此期間，大秦線牽引變電所加強了檢修、預防性試驗、運行管理等各方面工作，尤其在設備狀態(tài)監(jiān)控和設備檢修整治方面下大力氣，根據(jù)設備運行趨勢分析安排設備專項整治。經(jīng)過采取有效措施，牽引變電設備故障有了明顯的下降。2009年主變壓器過負荷跳閘有了較大幅度的減少，較上一年下降75件;過負荷跳閘總停電時間較上一年下降267分鐘。2009年其他類型的故障件數(shù)較上一年減少9件，大秦線牽引變電所的供電安全可靠性得到了明顯的提升。實踐證明，以可靠性理論為基礎分析和指導牽引變電所運行管理，可以更高效地找出影響牽引變電所安全可靠性的最根本因素，從而采取針對性的解決措施，有效地提高牽引變電所的安全可靠性。

［1］ 何穎．牽引變電所的可靠性研究［J］．電氣化鐵路牽引變電所新技術研討會，2004:62－65．

［2］ 何廷文．牽引供電系統(tǒng)可靠性分析［J］．水電能源科學，2009，27(3):196 －198，205．

［3］ 李軍智．基于GO法的牽引變電所可靠性研究［D］．成都:西南交通大學，2009:3－10．

［4］ 林飛．牽引供電系統(tǒng)可靠性指標體系與可靠性分析［D］．成都:西南交通大學，2006:3－13．

［5］ 趙建平．鐵路電力設備的狀態(tài)檢修技術探討［J］．鐵道機車車輛，2008(4):76－78．

Discussion on Safety and Reliability Factors Affecting Daqin Traction Substation

LIXing-rong
(Datong West Power Supply Section，Daqin Railway Co．，Ltd．，Datong 037005，China)

With Daqin line traffic increase year by year，the traction load substantial increase，it has a great impact on the traction power supply equipment，Daqin line safety and reliability of traction substation show highlights．Once the failure，it is bound to cause huge losses to the rail transport．Reliability theory as a guide，focusing on analysis of the Daqin line of 200 million tons after the expansion and reconstruction，a variety of factors affect the traction substation security and reliability，themain transformer overload trip，the failure of the main transformer body，switches and protective devices failure traction substation affect the larger phenomenon of the failure analysis．Overload trip as an example to the main transformer，construct the fault treemodel and have a reliability analysis，find out themost underlying reason causing the failure event，and improve the Daqin traction substation security and reliability measures，and evaluate the results．

traction substation;security;reliability;analysis

TM71

B

1004－289X(2012)04－0101－04

2012－05－20

李興榮(1971－)，女，大秦鐵路股份有限公司大同西供電段，助理工程師。