建筑供配电系统可靠性评估与思考

Ye Chong （Guangzhou Design Institute， Guangzhou 510620， China） 叶 充 （广州市设计院， 广州市 510620） Evaluation and Consideration of the Reliability of Power Supply and Distribution System of Buildings 建筑供配电系统可靠性评估与思考 摘 要 参 考 IEEE Std 493 -2007 《 IEEE Recommended Practice for the Design of Reliable Industrial and Commercial Power Systems》 对一些典型 的建筑供配电系统实例进行分析， 并对双电源切换开 关的使用提出建议。 关键词 建筑供配电系统 可靠性 故障率 年 平均故障时间 固有可用度 双电源切换 民用建筑内有大量的用电设备， 建筑供配电系统 的可靠性直接影响这些设备的运行状况， 从而影响建 筑的安全和使用。 建筑供配电系统处于电力系统的末 端， 直接与用户设备相连接， 是电力系统向用电设备 提供电能的重要环节， 其可靠性取决于外电源及建筑 供配电系统本身， 可靠性特征量的统计分析及提高的 措施须立足于整个电力系统， 全方位加以考虑。 1 建筑供配电系统的可靠性特征量 可靠性是指元件、 产品、 系统在一定时间内， 在 一定条件下无故障地执行指定功能的能力。 建筑供配 电系统属于可修复系统， 可修复系统的可靠性特征 量主要有故障率、 平均修复时间、 年平均故障时间 和可用度 （又称为有效度）。 其中， 可用度分为固有 可用度与使用可用度， 在设计阶段一般使用固有可 用度。 2 可靠性计算的参考数据和计算方法 用电负荷的可靠性要求在确定负荷等级的时候是 一个重要因素， 用电负荷根据对供电可靠性的要求及 中断供电对人身安全、 经济损失所造成的影响程度分 为一级负荷中特别重要的负荷、 一级负荷、 二级负 荷、 三级负荷。 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 对不同等级的用电负荷有不同的 设计要求， 但根据设计规范进行设计可达到怎样的可 靠性， 国内并没有明确具体的评估体系 （包括参考数 据和计算方法 ） 。 下面采用 IEEE Std 493 - 2007 《IEEE Recommended Practice for the Design of Reliable Industrial and Commercial Power Systems》 （《IEEE工 商业供电系统可靠性设计实施导则 》 ， 下文简称 《IEEE导则》） 的可靠性计算方法与参考数据对建筑供 配电系统的常见模型进行可靠性计算。 2． 1 参考数据 可靠性计算中用到的关键数据是年故障率 λ （单 位： 次 /年）， 平均修复时间 r （单位： h）， 其余指标 可以通过上面两个数据得出， 年平均故障时间： DHY = λ·r 固有可用度 Ai = 1 － DHY / （8 760 + DHY）， 也 称为成功运行概率。 由于年平均故障时间与固有可用 度是一一对应关系， 可以直接反映固有可用度， 并且 易于计算， 下文的论述主要使用年平均故障时间这个 作者信息 叶 充， 男， 广州市设计院， 工程师。 Abstract The paper makes analysis of some typical instances of power supply and distribution system used in buildings and puts forwards some suggestions for the application of the dual-power switch by referring to IEEE Std 493-2007 IEEE Recommended Practice for the Design of Reliable Industrial and Commercial Power Systems. Key words Power supply and distribution system of building Reliability Fault ratio Average fault time per year Inherent availability Dual-power switch 建筑供配电系统可靠性评估与思考 （叶充） 供 电 与 配 电 19 315 誖 BUILDING ELECTRICITY2011 年 第 期 Jun. 2011 Vol. 30 No. 6 6 图 2 元件的并联 Fig. 2 Parallel connection of the elements 名称 λ r DHY Ai 10 kV 单回路 1. 956 000 1. 320 000 2. 581 920 0. 999 705 10 kV 双回路 0. 312 000 0. 520 000 0. 162 240 0. 999 981 10 kV 独立双回路 0. 001 150 0. 660 000 0. 000 759 1. 000 000 10 kV 母线 0. 017 940 2. 270 000 0. 040 724 0. 999 995 10 kV 断路器 0. 001 850 0. 500 000 0. 000 925 1. 000 000 干式变压器 0. 000 120 0. 000 000 0. 000 000 1. 000 000 备用柴油发电机 0. 632 990 24. 050 000 15. 223 410 0. 998 265 低压抽出式断路器 0. 000 210 6. 000 000 0. 001 260 1. 000 000 低压固定式断路器 0. 000 020 0. 000 000 0. 000 000 1. 000 000 低压开关柜内母线 0. 009 490 4. 000 000 0. 037 960 0. 999 996 低压电缆 1 000 f t （304. 8 m） 0. 000 070 8. 000 000 0. 000 560 1. 000 000 低压电缆接头 0. 000 370 0. 750 000 0. 000 278 1. 000 000 低压隔离开关 0. 000 610 0. 000 000 0. 000 000 1. 000 000 低压双电源切换 （ > 600 A） 0. 031 870 1. 640 000 0. 052 267 0. 999 994 低压双电源切换 （＜ 600 A） 0. 085 800 5. 740 000 0. 492 492 0. 999 944 指标。 本文用到的数据主要来自 《IEEE导则》， 见表 1。 其中， 外电源可靠性数据引自 《IEEE导则》 表 3 - 1， 其余数据主要引自附录 Q。 2． 2 可靠性指标串并联计算公式 供配电系统主要由元件的串联与并联组成， 元件 串并联后的可靠性变化可根据 《IEEE 导则》 串并联 公式进行计算。 2 ． 2 ． 1 串联 （见图 1） λ串联 = λ1 + λ2 γ串联 = λ1r1 +λ2 r2 λ1 + λ2 DHY串联 = λ1 r1 + λ2r2 元件的串联会增加故障率和年平均故障时间， 降 低可靠性。 2. 2. 2 并联 （冗余， 见图 2） λ并联 = λ3 λ4 （r3 + r4） 8 760 γ并联 = r3 r4 r3 + r4 DHY并联 = λ3 r3 λ4 r4 8 760 元件的并联 （冗余） 会减少故障率和年平均故障 时间， 提高可靠性。 利用以上公式计算可靠性指标时需要满足以下条 件： ①元件故障率是不随使用时间变化的常数； ②故 障后的修复时间呈现指数分布； ③每个故障事件的发 生与任何其他故障独立； ④部件可工作时间远大于不 可工作时间： λ·r / 8 760 < 0. 01。 表 1 计算使用的可靠性数据 Tab. 1 Reliability data used in the calculation 图 1 元件的串联 Fig. 1 Series connection of the elements 20 316 编号 名称 λ r DHY Ai 1 10 kV 单回路 1. 956 000 1. 320 000 2. 581 920 0. 999 705 2 10 kV 断路器 0. 001 850 0. 500 000 0. 000 925 1. 000 000 3 10 kV 母线 0. 017 940 2. 270 000 0. 040 724 0. 999 995 4 10 kV 断路器 0. 001 850 0. 500 000 0. 000 925 1. 000 000 5 变压器 0. 000 120 0. 000 000 0. 000 000 1. 000 000 6 低压抽出式断路器 0. 000 210 6. 000 000 0. 001 260 1. 000 000 7 低压母线 0. 009 490 4. 000 000 0. 037 960 0. 999 996 8 低压抽出式断路器 0. 000 210 6. 000 000 0. 001 260 1. 000 000 10 低压隔离开关 0. 000 610 0. 000 000 0. 000 000 1. 000 000 11 低压固定式断路器 0. 000 020 0. 000 000 0. 000 000 1. 000 000 9 + 12 低压电缆 1 000 f t 0. 000 070 8. 000 000 0. 000 560 1. 000 000 其它 低压电缆接头 （4） 0. 001 480 3. 000 000 0. 004 440 0. 999 999 C1 用电负荷供电点 1. 989 850 1. 341 797 2. 669 974 0. 999 695 表 2 单回路 10 kV电源进线用电负荷供电点可靠性计算 Tab. 2 Reliability calculation of the power supply terminals on a single-circuit 10 kV incoming line to electrical loads 3 建筑供配电系统可靠性计算分析实例 为了计算更直接明了， 本文计算忽略了影响较 小的 10 kV 电缆、 10 kV 电缆接头以及低压断路器的 跳闸故障 （主要用于考虑同配电箱柜多个出线断路器 的影响， 根据 《IEEE导则》 表 3 - 2， 占断路器总故 障 9 %）。 图 3是最简单的建筑供配电系统： 单回路 10 kV 电源进线 / 双回路10 kV 电源进线， 单台变压器， 单 回路供电。 实例 1、 2均基于图 3。 3 ． 1 实例 1： 单回路 10 kV 电源进线用电负荷供电 点可靠性计算 （见表 2） 从表 2年平均故障时间为 2. 669 974 h 的组成上 看， 该供配电系统绝大部分故障是由单回路 10 kV电源 进线产生的， 为 2. 581 920 h； 10 kV母线与低压母线占 的比例相对较多， 分别为 0. 040 724 h和 0. 037 960 h； 其余部分年平均故障时间之和为 0. 009 370 h。 3 ． 2 实例 2： 双回路 10 kV 电源进线用电负荷供电 点可靠性计算 （见表 3） 将单回路 10 kV 电源进线改为双回路 10 kV 电源 进线， 可靠性大大提高。 需要说明的是， 这个计算参 考 《IEEE导则》 3. 3节例 2， 没有计入编号为 2的进 线 10 kV 断路器的可靠度和年平均故障时间。 实际 上， 由于 10 kV断路器相对于 10 kV电源可靠性较高， 对结果影响很小。 3 ． 3 实例 3： 单回路 10 kV 电源进线 +备用发电机 （低压母线处切换） 用电负荷供电点可靠性计算 图 4 是变压器和备用发电机在低压母线处切换 的供配电系统， 电源处双电源切 换开关大于 600 A， 负荷单回路供 电。 实例 3 计算基于图 4， 计算结 果见表 4。 实例 3 将变压器供电（1 至 6） 与发电机供电 （5a至 6a） 进行并联 冗余， 虽然单回路 10 kV 电源进 线供电与备用发电机本身的可靠性 并不高， 切换前年平均故障时间 分别为 2. 625754h和 15. 224 670 h， 但是两个电源切换 （并联冗余 ） 后 （低压母线前） 的可靠性有了很 大的提高 ， 年平均故障时间下降 至 0. 004 563 h， 加上低压双电源 切换 （> 600 A） 0. 052 267 h、 低 压母线 0. 037 960 h 和配电线路 （包括断路器、 开关、 电缆、 接头） 0. 006 260 h， 到用电负荷供电点的 年平均故障时间仅为 0. 101 050 h。 图 3 实例 1 （实例 2） 单回路 （双回路） 计算模型 Fig. 3 Single-circuit （double-circuit） calculation module for instance 1 （instance 2） 建筑供配电系统可靠性评估与思考 （叶充） 供 电 与 配 电 21 317 誖 BUILDING ELECTRICITY2011 年 第 期 Jun. 2011 Vol. 30 No. 6 6 图 4 实例 3单回路 10 kV电源进线 +备用发电机 （低压母线处切换） 计算模型 Fig. 4 Calculation module for a single -circuit 10 kV incoming line + standby generator （switching at low -voltage bus） in instance 3 编号 名称 λ r DHY Ai 1 10 kV双回路 0. 312 000 0. 520 000 0. 162 240 0. 999 981 3 10 kV母线 0. 017 940 2. 270 000 0. 040 724 0. 999 995 4 10 kV断路器 0. 001 850 0. 500 000 0. 000 925 1. 000 000 5 变压器 0. 000 120 0. 000 000 0. 000 000 1. 000 000 6 低压抽出式断路器 0. 000 210 6. 000 000 0. 001 260 1. 000 000 7 低压母线 0. 009 490 4. 000 000 0. 037 960 0. 999 996 8 低压抽出式断路器 0. 000 210 6. 000 000 0. 001 260 1. 000 000 10 低压隔离开关 0. 000 610 0. 000 000 0. 000 000 1. 000 000 11 低压固定式断路器 0. 000 020 0. 000 000 0. 000 000 1. 000 000 9 + 12 低压电缆 1000 f t 0. 000 070 8. 000 000 0. 000 560 1. 000 000 其它 低压电缆接头 （4） 0. 001 480 3. 000 000 0. 004 440 0. 999 999 C2 用电负荷供电点 0. 344 000 0. 724 909 0. 249 369 0. 999 972 表 3 双回路 10 kV电源进线用电负荷供电点可靠性计算 Tab. 3 Reliability calculation of the power supply terminals on a double-circuit 10 kV incoming line to electrical loads 3 ． 4 实例 4： 单回路 10 kV 电源进线 + 备用发电机 （用电负荷处末端切换） 下用电负荷供电点可靠性 计算 图 5是变压器和备用发电机在用电负荷末端切换 的供配电系统， 末端处双电源切换开关小于 600 A。 实例 4计算基于图 5， 计算结果见表 5， 表 5中 C1数 据取自表 2。 实例 4将变压器供电部分 （1至 12） 与发电机供 电部分 （5a 至 12a） 进行并联冗余。 与实例 1 相比， 由于并联冗余后 （低压双电源切换开关前） 的年平 均故障时间从 2. 669 974 h 降至 0. 004 654 h， 减少 量远大于低压双电源切换开关 （< 600 A） 本身的年 平均故障时间 （0. 492 492 h）， 即 使计入低压双电源切换开关本 身的年平均故障时间 ， 供配电 系统的年平均故障时间也从约 2. 669 974 h下降至 0. 497 146 h。 对于不在低压母线处进行市电 与发电机切换的情况下 ， 在用 电负荷处末端切换也能有效提高 可靠性。 与实例 3 相比， 虽然低压双 电源切换开关在负荷处， 并联冗 余的范围更大， 包括低压母线以 及电缆、 接头、 断路器等， 在不 计入低压双电源切换开关本身的 年平均故障时间时 ， 实例 3 与 实例 4 的年平均故障时间分别 为 0. 048 783 h 和 0. 004 654 h。 但由于低压双电源切换开 关 （< 600 A） 与低压双电源切换开 关（> 600 A） 的年平均故障时间 分别为 0. 492 492 h 和 0. 052 267 h， 计入低压双电 源切换开关本身的年平均故障时间后 ， 供配电系 统的年平均故障时间为 0. 497 146 h。 使用低压双电源切换开关对电力系统某部分进 行并联冗余， 并联冗余后要计入低压双电源切换开 关本身的可靠性。 即使并联冗余后的年平均故障时 间为 0， 也只有在低压双电源切换开关年平均故障时 间低于该部分并联冗余前的年平均故障时间时， 才 可能有效降低系统的年平均故障时间和提高可用度。 从表 1 可以看出， 低压双电源切换开关的年平均故 障时间与断路器、 隔离开关、 电缆、 电缆接头相比 高出很多。 在大多数情况下， 不包括电源的电力系 22 318 图 5 实例 4单回路 10 kV电源进线 +备用发电机 （用电负荷处末端切换） 计算模型 Fig. 5 Calculation module for a single-circuit 10 kV incoming line + standby generator （switching at the end of electrical loads） in instance 4 编号 名称 λ r DHY Ai 1 10 kV单回路 1. 956 000 1. 320 000 2. 581 920 0. 999 705 2 10 kV 断路器 0. 001 850 0. 500 000 0. 000 925 1. 000 000 3 10 kV 母线 0. 017 940 2. 270 000 0. 040 724 0. 999 995 4 10 kV断路器 0. 001 850 0. 500 000 0. 000 925 1. 000 000 5 变压器 0. 000 120 0. 000 000 0. 000 000 1. 000 000 6 低压抽出式断路器 0. 000 210 6. 000 000 0. 001 260 1. 000 000 A 1. 977 970 1. 327 499 2. 625 754 0. 999 700 5 a 备用柴油发电机 0. 632 990 24. 050 000 15. 223 410 0. 998 265 6 a 低压抽出式断路器 0. 000 210 6. 000 000 0. 001 260 1. 000 000 B 0. 633 200 24. 044 014 15. 224 670 0. 998 265 A // B 0. 003 627 1. 258 041 0. 004 563 0. 999 999 13 低压双电源切换（ > 600 A） 0. 031 870 1. 640 000 0. 052 267 0. 999 994 7 低压母线 0. 009 490 4. 000 000 0. 037 960 0. 999 996 8 低压抽出式断路器 0. 000 210 6. 000 000 0. 001 260 1. 000 000 10 低压隔离开关 0. 000 610 0. 000 000 0. 000 000 1. 000 000 11 低压固定式断路器 0. 000 020 0. 000 000 0. 000 000 1. 000 000 9 + 12 低压电缆 1 000 f t 0. 000 070 8. 000 000 0. 000 560 1. 000 000 其它 低压电缆接头 （4） 0. 001 480 3. 000 000 0. 004 440 0. 999 999 C3 用电负荷供电点 0. 047 377 2. 132 877 0. 101 050 0. 999 988 表 4 单回路 10 kV电源进线 +备用发电机 （低压母线处切换） 用电负荷供电点可靠性计算 Tab. 4 Reliability calculation of the power supply terminals on a single-circuit 10kV incoming line + standby generator (switching at low-voltage bus) electrical loads 统部分的年平均故障时间很难低于低压双电源切换 开关的年平均故障时间。 只有在供电处年平均故障 时间较大时引入另一路独立电源的情况下， 使用低 压双电源切换开关才有可 能降低系统的年平均故障 时间 ， 提高可用度 。 另外 需要注意的是 ， 根据统计 数据 ， 用于电源处的低压 双电源切换开关 （> 600 A） 的平均故障时间明显比用于 末端切换的低压双电源切换 开关 （＜ 600 A） 低很多 。 笔者曾经参与一些与国外 合作设计的工程 ， 发现国 外同行主要在电源处使用 低压双电源切换开关， 很少 对断路器、 电缆部分的并联 冗余做末端切换。 并不是国 外不注重可靠性， 而是依据 《IEEE导则》 的评估方法和 参考数据， 末端切换在大部 分情况下并不能有效地提高 可靠性。 《IEEE导则》 统计数据 反映的是工程应用中的实 际情况 ， 有高于统计水平 的产品 ， 也有低于统计水 平的产品 。 某些品牌的低 压双电源切换开关可能可 靠性较高 ， 带有旁路设计 或在线维护功能的还可以在故障后持续供电， 进一 步提高可靠性。 但性能好的产品一般价格高， 很难大 范围应用。 建筑供配电系统可靠性评估与思考 （叶充） 供 电 与 配 电 23 319 誖 BUILDING ELECTRICITY2011 年 第 期 Jun. 2011 Vol. 30 No. 6 6 4 建筑供配电系统可靠性数据的积累与统 计的重要性 在本文的可靠性分析中， 采用的主要是 《IEEE 导则》 附录 Q的统计数据。 附录 Q并不是针对中国的 实际情况进行统计的， 由于我国的电源情况、 设计规 范、 施工 文明施工目标施工进度表下载283施工进度表下载施工现场晴雨表下载施工日志模板免费下载 质量、 产品质量、 维护管理与国外有较大的 差距， 这些统计数据虽然反映了一定的客观规律， 但 只能够作为参考。 由于统计数据的缺失， 在我国进行 建筑供配电系统可靠性定量计算是很困难的， 从而没 法对各种供配电 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 进行可靠性评估和对比。 可 靠性与经济性是建筑供配电 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 比选的两个方面， 缺 一不可。 而经济性分析中因故障造成的经济损失也需 要进行可靠性计算。 国家提倡的绿色建筑概念中包含 了节省建筑材料这一方面， 我国作为一个建设大国， 需要经济、 可靠、 环保兼顾的建筑供配电系统， 需要 符合我国实际的可靠性统计数据。 5 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 建筑供配电系统的可靠性， 主要是由电源的可靠 性决定的。 提高电源的可靠性或增加并联冗余的电 源， 建筑供配电系统的可靠性将大大提高。 在不涉及 电源的情况下， 仅将电力系统的一部分进行并联冗 余， 使用低压双电源切换开关进行末端切换， 在大 部分情况下并不能有效地提高可靠性， 该做法增加 了建筑材料的损耗， 与绿色建筑的概念矛盾， 只有在 确定能有效提高供配电系统可靠性的情况下， 才可考 虑采用。 参 考 文 献 ［1］ The Institute of Electrical and Electronics Engineers， Inc． IEEE Std 493-2007 IEEE Recommended Practice for the Design of Reliable Industrial and Commercial Power Systems ［S］． New York： the Institute of Electrical and Electronics Engineers， Inc.， 2007． ［2］ 陆俭国， 何瑞华， 陈德桂， 等主编． 中国电气工 程大典 第 11卷 配电工程［M］． 北京： 中国电力出版社， 2009． 2011 - 02 - 06 来稿 2011 - 04 - 27 修回 编号 名称 λ r DHY Ai C1 1. 989 850 1. 341 797 2. 669 974 0. 999 695 5 a 备用柴油发电机 0. 632 990 24. 050 000 15. 223 410 0. 998 265 6 a 低压抽出式断路器 0. 000 210 6. 000 000 0. 001 260 1. 000 000 7 a 低压母线 0. 009 490 4. 000 000 0. 037 960 0. 999 996 8 a 低压抽出式断路器 0. 000 210 6. 000 000 0. 001 260 1. 000 000 10 a 低压隔离开关 0. 000 610 0. 000 000 0. 000 000 1. 000 000 11 a 低压固定式断路器 0. 000 020 0. 000 000 0. 000 000 1. 000 000 9 a + 12 a 低压电缆 1 000 ft 0. 000 070 8. 000 000 0. 000 560 1. 000 000 其它 低压电缆接头 （4） 0. 001 480 3. 000 000 0. 004 440 0. 999 999 D 0. 645 080 23. 669 761 15. 268 890 0. 998 260 C1 // D 0. 003 665 1. 269 813 0. 004 654 0. 999 999 13 低压双电源切换（ ＜ 600 A） 0. 085 800 5. 740 000 0. 492 492 0. 999 944 E 用电负荷供电点 0. 089 465 5. 556 877 0. 497 146 0. 999 943 表 5 单回路 10 kV电源进线 +备用发电机 （用电负荷处末端切换） 用电负荷供电点可靠性计算 Tab. 5 Reliability calculation of the power supply terminals on a single-circuit 10 kV incoming line + standby generator （switching at the end of electrical loads) electrical loads 4 建筑供配电系统可靠性数据的积累与统 计的重要性 在本文的可靠性分析中， 采用的主要是 《IEEE 导则》 附录 Q的统计数据。 附录 Q并不是针对中国的 实际情况进行统计的， 由于我国的电源情况、 设计规 范、 施工质量、 产品质量、 维护管理与国外有较大的 差距， 这些统计数据虽然反映了一定的客观规律， 但 只能够作为参考。 由于统计数据的缺失， 在我国进行 建筑供配电系统可靠性定量计算是很困难的， 从而没 法对各种供配电设计方案进行可靠性评估和对比。 可 靠性与经济性是建筑供配电方案比选的两个方面， 缺 一不可。 而经济性分析中因故障造成的经济损失也需 要进行可靠性计算。 国家提倡的绿色建筑概念中包含 了节省建筑材料这一方面， 我国作为一个建设大国， 需要经济、 可靠、 环保兼顾的建筑供配电系统， 需要 符合我国实际的可靠性统计数据。 5 总结 建筑供配电系统的可靠性， 主要是由电源的可靠 性决定的。 提高电源的可靠性或增加并联冗余的电 源， 建筑供配电系统的可靠性将大大提高。 在不涉及 电源的情况下， 仅将电力系统的一部分进行并联冗 余， 使用低压双电源切换开关进行末端切换， 在大 部分情况下并不能有效地提高可靠性， 该做法增加 了建筑材料的损耗， 与绿色建筑的概念矛盾， 只有在 确定能有效提高供配电系统可靠性的情况下， 才可考 虑采用。 参 考 文 献 ［1］ The Institute of Electrical and Electronics Engineers， Inc． IEEE Std 493-2007 IEEE Recommended Practice for the Design of Reliable Industrial and Commercial Power Systems ［S］． New York： the Institute of Electrical and Electronics Engineers， Inc.， 2007． ［2］ 陆俭国， 何瑞华， 陈德桂， 等主编． 中国电气工 程大典 第 11卷 配电工程［M］． 北京： 中国电力出版社， 2009． 2011 - 02 - 06 来稿 2011 - 04 - 27 修回 24 320