民用建筑供配电系统可靠性研究.pdf
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1、基于可靠性工程理论,建立民用建筑典型低压配电系统可靠性评估模型,计算并比较分析各模型可靠度,对证GB51348-2019民用建筑电气设计标准中新增做法的合理性。以JGJ284-2012金融建筑电气设计规范中相关可靠度规范要求,验证该模型研究方法和相关数据的有效性。关键词:供配电系统;负荷等级;可靠度;故障率;平均无故障时间;有效度;可靠性框图;可靠性评估模型中图分类号:TU852文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.1003-8493.2023.08.0060引言为了满足人民日益增长的美好生活需求,我国的供电可靠性水平不断提升,对建筑电气供配电系统的可靠性要求也在不断提高。根据2
2、 0 2 2 年6 月1日起施行的电力可靠性管理办法(暂行),电力可靠性管理不仅包括电力系统、发电、输变电、供电的管理,还包括对用户可靠性的管理。用户可靠性管理是指为保证用电的可靠性目标,减少对电网安全和其他用户造成影响,对其产权内的配用电系统和设备开展的活动。然而,建筑电气供配电系统作为整个配电系统的末端,相关可靠性研究甚少。低压配电系统形式多样,拓扑结构分支繁多且复杂,很难建立起标准的可靠性评估模型。由于国内基础配电元器件可靠性数据的缺失,对于建筑电气供配电系统的可靠设计研究,大部分是从定性的角度出发。在当下的低压配电设计中,对于电源可靠性的保障措施集中体现在负荷分级上。针对不同用户或设备
3、的用电负荷等级要求,采用作者信息沈月青,女,浙江大学建筑设计研究院有限公司,高级工程师,主任工程师。邹帆,男,上海复旦规划建筑设计研究院有限公司,工程师。535http:/民用建筑供配电系统可靠性研究(沈月青邹帆)35OO配电供电相应的配电系统形式和不同的备用电源(柴油发电机、UPS等)。综上,本文拟建立民用建筑中各典型供配电形式的可靠性评估模型,以直观的数据反映各系统形式的可靠度。基于IEEE3006.8-2018工业和商业电力系统用设备可靠性数据分析推荐规程中所提供的各电力元件可靠性数据,对各供配电形式的可靠度进行计算分析并予以验证,进一步提出优化建议。供配电系统可靠性概述7供配电系统可靠
4、性是指供配电系统在规定条件下和预定时间内完成规定功能的能力。供配电系统的基本单元是电力元件,这些元件按既定的目的连接起来完成相应的功能。假设系统中每一元件是独立的,仅有工作和失效两种状态,那么由元件构成的系统,不管多么复杂,它也具有两种状态,即工作状态及失效状态。显然,供配电系统的可靠性是由元件的可靠性及系统的结构决定的。基于可靠性相关理论,元件一般可分为可修复元件和不可修复元件:可修复元件是指工作一定时间后发生故障,可经过修复再次恢复功能的元件;不可修复元件是指工作一定时间后发生故障,不可修复或修复不经济的元件。供配电系统主要电力元件(如变压器、柴油发电机等)都是可修复元件,因此,本文将民用
5、建筑供配电系统作为可修复系统,在此基础上进行可靠性分析。2可靠性特征量和特征函数可靠性的特征量是评价元件或系统可靠性等级的尺度。对于不可修复元件或系统,通过可靠度或平均无故障时间(MTTF)来表示,可用单一函数如可靠度函数或故障率函数来描述;对于可修复元件或系统,通过平均故障间隔时间(MTBF)和平均修复时间(MTTR)来表示,可用有效度函数(可用性函数)来描述。2.1可靠度函数R(t)、故障率函数h(t)和平均无故障时间(MTTF)在可靠性分析领域中,故障率的函数分布遵循着典型的时间变量分布(浴盆曲线),如图1所示。故障率函数分为3个阶段:早期失效期(早期)、偶然失效期(中期)和耗损失效期(
6、老年期)。第I阶段,是开始使用后的较早时期,一般为设计制造的缺陷或使用环境的不当导致失效的时期。第阶段是经早期失效期后,至耗损失效期之前的时期,这个期间的故障率低而且恒定,是偶然发生失效的时期。第阶段是由于疲劳、耗损或老化现象等,随着时间的推移失效率骤然上升的时期,可认为产品已达到了预期使用寿命。(1)率弹早期中期老年期0寿命期/t图1浴盆形故障率函数曲线Fig.1Bathtub-shaped fault rate function curve产品的早期失效一般在出厂前的产品试验中予以排除,而产品到预期寿命时将由运维人员更换。因此,本文仅针对产品中期进行可靠性评估研究,此阶段一般假定故障率为常
7、数h(t)=入。此时,可靠度函数和故障率函数关系如式(1)所示:R(t)=e1/r(o)d入(1)e显见,可靠度函数服从时间变量的指数分布。同时,不可修复元件的平均无故障时间(MTTF)满足式(2)MTTF:t1-R(t)dt=-tR(t)l+,R(t)dttdt1(2)入2.2有效度函数A(t)、平均故障间隔时间(MTBF)和平均修复时间(MTTR)有效度是指可修复系统、设备、元件等在某一特定的瞬间维持其功能的概率。在可修复系统中,需同Aug.2023Vol.42No.8536http:/362023年第8 期ELECTRICITYBUILDING建筑电气时考虑可靠性和维修性,以有效度作为评
8、价参数。当连续工作时间和连续停运时间都服从指数分布时,有效度函数如式(3)所示:入-(入+)tA(t)(3)入+u入+儿e其中入为故障率,为修复率。显见,当维修率=0时,有效度函数与不可修复元件的可靠度函数表达式一致。可修复元件的平均故障间隔时间(MTBF)和平均修复时间J(M T T R)3分别满足式(4)禾和式(5):1MTBF=(4)入1MTTR=(5)3供配电系统可靠性模型分析研究供配电系统的可靠度时,需要表示该系统的可靠度与构成要素之间的功能关系图,亦称作可靠度框图。一般而言,简单系统的可靠度框图都可通过串联系统或并联系统来等效,如图2 所示。并联系统是余系统最基本的形式,组成余系统
9、是提高系统可靠性的方法之一。低压配电系统可看作由串联或并联混合构成的功能性系统,由此可计算系统中各负荷用电的可靠度。本文根据全国民用建筑工程设计技术措施(2 0 0 9)电气所给出的几种典型供配电系统进行可靠性模型分析。3.1单市电供电系统如图3所示,对于单电源单回路供电的负荷而言,电源由市政电网引至变压器,经若干级低压配电至本级用电负荷。电力所流经的每处电缆和开关的可靠性均直接影响到本配电结构的可靠性,这种链形结构对应的可靠度框图即为图4 所示的串联系统。由于电力所流经电线电缆、铜排等导体的可靠度远远高于开关器件等元件的可靠度,为简化分析,假定电力所流经的电线电缆、铜排等导体均绝对可靠,模型
10、中不再予以考虑。配电系统中各元件可靠度R(t)均独立,则此串联系统的可靠度函数如式(6)所示:Rs(t)=R,(t)R(t).,(t)-II R:R,(t)(6)3.2双市电供电系统对于通过双电源切换的供电负荷而言,双电源切换可能在末端配电箱,也可能在其他适当位置,分别如图5、图6 所示。双电源末端切换配电系统与首端切换配电系统的串联系统并联系统图2 串串、并联系统可靠性框图Fig.2Reliability block diagram of seriesand parallel systems一级配电变压器主断路器母排低压柜断路器-电缆二级配电配电总箱进线开关铜排出线断路器1电缆三级配电分配电
11、箱进线开关铜排出线断路器电缆用电负荷图3低压配电系统示意图Fig.3 Schematic diagram of low-voltagedistribution system低压柜配电总箱分配电箱变压器主断路器出线断路器出线断路器断路器进线开关进线开关R;(t)R2(t)Rs(t)R7(t)R3(t)R4(t)R6(t)图4 单电源供电系统可靠性框图Fig.4Reliability block diagram of single power supply system-变压器主断路器低压柜配电总箱出线断路器1断路器R;(t)进线开关R2(t)Rs(t)R3(t)R4(t)双电源转换开关出线断路器
12、R6(t)R7(t)变压器主断路器低压柜配电总箱出线断路器断路器进线开关Ri()R2(t)R3(0)R4(t)Rs(t)图5末端双电源切换可靠性框图Fig.5Reliability block diagram of end-side dual power supply switching537http:/民用建筑供配电系统可靠性研究(沈月青邹帆)37O配电供电低压柜变压器主断路器断路器Ri(t)R2(t)R3(t)双电源配电分箱出线断路器出线断路器转换开关进线开关R6(t)Rs(t)R4(t)R7(t)变压器主断路器低压柜断路器Ri(t)R2(t)R3(t)图6首端双电源切换可靠性框图Fig.
13、6Reliability block diagram of start-side dual power supply switching可靠度分别为Rs(t)和Rs(t),计算分析如式(7)和式(8)用所示:Rs(t)=(1-(1-R,(t)R2(t)R,(t)R(t)R,(t)2)R(t)R(t)(7)Rs(t)=(1-(1-R(t)R2(t)R,(t)2)R(t)Rs(t)R(t)R,(t)(8)式(7)式(8),可得:Rs(t)2-R,(t)R,(t)R,(t)R(t)R,(t)R:(t)2-R,(t)R,(t)R,(t)R,(t)R,(t)(9)XRA(t)R:(t)根据IEEE300
14、6.8-2018所给出各电流等级的可靠性参数,同一电流等级区间内(6 0 0 A以下)总箱与分箱处的双电源转换开关和断路器的可靠度均可视为一致,满足R4(t)R(t)=R(t)R(t),则可进一步简化关系,如式(10)所示。显然,双电源末端切换配电系统的可靠度大于双电源在首端(总箱处)切换配电系统的可靠度。此结论也可证实相关规范为保证一级负荷和消防电源可靠要求末端切换的合理性:Rs(t)R,(t)R,(t)R,(t)(1-R(t)R,(t)1+Rs(t)2-R(t)R,(t)R,(t)1(10)此外,根据GB513482 0 19民用建筑电气设计标准新增3.2.13条所述,互为备用工作制的生活
15、水泵、排污泵为一级或二级负荷时,可由配对使用的两台变压器低压侧各引一路电源分别为工作泵和备用泵供电。为简化分析,假定配电分箱前电源可靠度均为1,其可靠度框图如图7 所示。其系统可靠度分别为:Rs(t)=1-(1-R(t)R(t)R,(t)2(11)R;(t)=Rs(t)(1-(1-R(t)R(t)2)(12)配电分箱进线开关出线断路器主用泵Rs(t)R6(t)R(t)配电分箱进线开关出线断路器备用泵Rs(t)R6(t)R7(t)(a)主备电源各引一路供电方式(a)Connection of both main and standby power supplies出线断路器主用泵R6(t)R7(
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