750kv直流牵引供电系统故障因素分析及风险评估

750kv直流牵引供电系统故障因素分析及风险评估

地铁是由车辆、道路、电源、通信、信号等组成的复杂系统。排水系统是地铁的重要组成部分，是保证地铁正常运营的动力系统。随着中国地铁运营距离的增加，从线路运营到多线运营的网络化时代，网络运营的连通性、复杂性和扩展性逐渐变得明显。在车站、车站和线、线、线和线之间的联系变得更加紧密，各系统之间的依赖和联动性变得更加突出。由于运营中的突发事件，网络产生了扩展效应，这将给运营安全带来更严重的威胁。如果网络系统发生故障，列车、照明系统和信号系统等系统失去了动力系统，从而变得瘫痪，无法正常工作。这将导致许多车站乘客留在医院，以及整个线路的运营停滞、人员损失和财产损失。基于多年来监控故障数据的统计，本文对影响地铁网络系统安全的因素进行了分析，建立了相应的控制措施，并发现了主要影响因素。我们必须提高认识，采取适当的控制措施，完善公共供电突发事件的应急计划。这对确保地铁的安全运行、健康运行和快速发展具有重要意义。1故障树模型理论的总结1.1故障树分析过程故障树分析,首先要选择系统中不希望发生的意外事故,作为顶上事件.选择的意外事故的风险要比较高,即其发生的严重程度、发生的机率或者两者乘积后的风险值也要很高,而且要研究的问题有一定的复杂性.在确定顶上事件后,要自上而下开始分析事故的原因.在故障树结构图中,上层因素为事故发生的结果,下一层为事故发生的原因.上下层事件之间用逻辑门(即逻辑与门或者逻辑或门)的方式来表示他们之间的关系.在自上而下的分析过程中,要有丰富的已知资料,并不断挖掘新资料,同时借助经验、知识、想象力等方式对故障树结构进行不断修订完善,使之能确切反应实际情况,从而找出事故发生的确切原因.故障树分析过程可以分为确定研究对象、绘制故障树结构图、相关参数计算、重要度排序、制定控制措施5个步骤,其实施过程及各步骤具体内容如图1所示.1.2错误树模型算法故障树编制过程是从顶上事件开始,逐级往下找出基本事件,每个下部事件是上部事件形成的原因,上部事件是下部事件发生的结果.1.2.1结构重要度一词以为单位的基本事件在顶事件状态的时长为5.结构重要度是从故障树的结构上着手分析各基本事件的重要程度,其计算公式为φ(x)=∑[ϕ(1i,X)-ϕ(0i,X)]2n-1(1)其中,当i基本事件的状态由0变为1时(即不发生→发生),若造成的顶事件状态由0变为1(即不发生→发生),则令ϕ(1i,X)-ϕ(0i,X)=1,且n为基本事件的个数(n-1则为除了i事件之外的其他基本事件个数).也就是说,结构重要度所代表的意思是由i基本事件发生而导致顶上事件发生的基本事件可能组合次数,与所有基本事件可能组合次数(不包含i事件,因i事件的状态是已知)的比值.若某个基本事件在故障树的最小割集组中出现次数越多,其结构重要度越高.结构重要度只考虑了基本事件在故障树结构中出现的次数多少来判断其重要程度,但没有考虑将各基本事件发生机率大小纳入到风险计算过程中.1.2.2顶事件发生概率顶上事件发生的概率是由基本事件组成最小割集发生概率之和.其中割集的定义为:在故障树中,把引起顶事件发生的基本事件的集合称为割集,当集合内所有基本事件都发生时,则顶事件必然发生.最小割集定义:一个故障树中的割集一般不止一个,在这些割集中,凡不包含其他割集的,即如果某一割集组内的基本事件仅缺少一件(即条件不足),就可避免顶事件的发生,则该割集组叫做最小割集.为了计算方便,顶上事件发生概率可以采取近似计算,计算公式为Ρ(Τ)≈Ρ(G1)+Ρ(G2)+⋯+Ρ(Gm)(2)式中:P(T)为顶上事件发生的概率;P(G1)、P(G2)、…、P(G3)分别表示最小割集G1、G2、…、Gm的发生概率.1.2.3基本事件概率重要度若进一步考虑基本事件发生概率的变化会对顶事件发生概率造成多大影响,此时可以利用概率重要度指标加以衡量.概率重要度系数的计算公式为ΙΡ(i)=∂Ρ(Τ)∂Ρ(i)(3)式中:IP(i)为基本事件i的概率重要度指标;∂P(T)为顶上事件发生机率;∂P(i)为基本事件发生机率.由于顶上事件发生概率等于其各割集发生概率之总和.因此IP(i)可以视为内含基本事件i的所有割集组与事件概率乘积后再求和.从概率重要度的计算公式可以看出,一个基本事件的概率重要度并不取决于它本身的概率值大小,而是与它所在最小割集中重复出现的次数有关.此外,概率重要度还有一个重要的性质:当假设所有基本事件的发生的机率均为1/2时,概率重要度系数就等于结构重要度系数.1.2.4临界重要度系数临界重要度也称为F-V重要度,是衡量事件重要度的指标.一般而言,减少发生概率大的基本事件的概率要比减少概率小的容易,而概率重要度系数并未反映这一事实,因而,它不是从本质上反映各基本事件在故障树中重要程度.而临界重要度系数Cj则从敏感度和概率双重角度衡量各基本事件的重要度标准,其定义为Cj=∂lnΡ(Τ)∂lnΡ(i)=∑Ρr(SCXi)Ρr(Τ)(4)式中:Pr(SCXi)为在顶事件已经发生的情况下,内含Xi的割集组处于故障状态的概率;Pr(T)为顶事件发生的概率.它与概率重要度系数的关系是Cj=Ρ(i)Ρ(Τ)ΙΡ(i)(5)2“400v放电事故”系统故障树的顶事件地铁供电系统是地铁牵引、动力、照明、通信、信号及各种自动化设备的唯一动力能源,是地铁运营的前提和基础.地铁牵引供电系统的正常运行直接关系到地铁运营的安全稳定.站厅照明断电则直接关系到地铁车站的运营秩序是否正常或成为引发其他次生高等级事故的诱因.北京地铁供电系统主要由10kV电源系统、750V直流牵引供电系统、400V低压配电系统(包括应急照明系统)、综合监控系统、直流控制电源系统、电能计量管理系统及杂散电流防护系统等7大系统构成.其中750V直流牵引供电系统设备主要有:三相桥式24脉波整流柜、750V直流开关柜、750V直流快速断路器、750V电动隔离开关、手动隔离开关、手动柜、钢轨电位限制装置、750V电力电缆、控制电缆.下面将以750V断电事故作为重点进行分析论证.750V断电事故将会造成三轨失压,直接造成机车无法运行,使得大量乘客滞留车内、站内及地铁站周边,从而影响运营及路面交通.通过对国内外地铁供电系统故障原因资料的统计分析,结合收集北京地铁近5年生产月报、检修记录,得出部分有较大影响的750V断电故障因素,确定了造成750V断电事故的若干主要直接因素.为了更加具体找到造成750V断电事故的全部原因,把“750V断电事故”作为系统故障树的顶事件,找到导致这一故障状态的所有可能发生的因素,再跟踪寻迹找出导致这些中间状态发生故障的直接原因,一直追寻到引起750V断电事故的全部原因,确定了26项引发750V断电事故的底事件,如表1所示,建立如图2所示的顶事件为“750V断电事故”的故障树.根据750V断电故障树的逻辑关系,可以得到750V断电事故的结构函数式,对该故障树进行布尔代数运算(布尔代数与集合运算律完全一致)并化简得T=M1+M2=M3M4+M5+M6=(X1+X2+X3+X4)(X5+X7+X8+X9+X10+X6+X18X21+X18X22+X18X23+X20+X24+X25+X11+X12+X13)+X14+X15+X26+X7+X8+X9+X16+X17+X19+X18式中:T为顶事件;M为中间事件;Xi为基本事件.故障树经过布尔代数化简,得到若干交集的并集,每一个交集都是一个最小割集.经过计算得到最小割集为G1={X1,X5};G2={X1,X10};G3={X1,X6};G4={X1,X20};G5={X1,X24};G6={X1,X25};G7={X1,X11};G8={X1,X12};G9={X1,X13};G10={X2,X5};G11={X2,X10};G12={X2,X6};G13={X2,X20};G14={X2,X24};G15={X2,X25};G16={X2,X11};G17={X2,X13};G18={X3,X5};G19={X3,X10};G20={X3,X6};G21={X3,X20};G22={X3,X24};G23={X3,X25};G24={X3,X11};G25={X3,X12};G26={X3,X13};G27={X4,X5};G28={X4,X10};G29={X4,X6};G30={X4,X20}G31={X4,X24};G32={X4,X25};G33={X4,X11};G34={X4,X12};G35={X4,X13};G36={X14};G37={X15};G38={X26};G39={X7};G40={X8};G41={X9};G42={X16};G43={X17};G44={X19};G45={X18};G46={X2,X12}.当最小割集中基本事件的个数不相等,而且基本事件在各割集中出现的次数也不相等时,则要用下式计算判别各基本事件的结构重要度Ι(i)=1-∏xi∈kj(1-12nj-1)(6)式中:I(i)为第i个基本事件结构重要度系数;xi为第i个基本事件;kj为最小割集;nj为第i个基本事件所在的第kj最小割集中的基本事件总数.利用式(6)结合前面所求出的最小割集可得Ι(1)=Ι(2)=Ι(3)=Ι(4)=1-(1-122-1)9=0.97.同理可得I(7)=I(8)=I(9)=I(14)=I(15)=I(16)=I(17)=I(18)=I(19)=I(26)=1;I(5)=I(6)=I(10)=I(11)=I(12)=I(13)=I(20)=I(24)=I(25)=0.8.根据结构重要度近似方法算出的结果,得出各基本事件的结构重要度排序如下I(7)=I(8)=I(9)=I(14)=I(15)=I(16)=I(17)=I(18)=I(19)=I(26)>I(1)=I(2)=I(3)=I(4)>I(5)=I(6)=I(10)=I(11)=I(12)=I(13)=I(20)=I(24)=I(25).通过对北京地铁供电系统近3年隐患数据库资料统计与分析,共收集整理同一型号750V设备断电故障2314件,其中对影响750V断电事故基本事件类型及数量进行统计,分别计算出各基本事件发生概率,如表2所示.结合表2给出基本事件概率值,利用式(2)可得顶上事件“750V断电事故”发生的概率P(T)=P(G1)+P(G2)+P(G3)+…+P(G45)+P(G46)=p1p5+p1p10+p1p6+…+p18+p2p12=0.051476.利用式(3)算得基本事件X1的概率重要度系数为ΙΡ(1)=∂Ρ(Τ)∂Ρ(1)=0.034‚ΙΡ(2)=ΙΡ(3)=ΙΡ(4)=ΙΡ(1)=0.034.同理算得ΙΡ(5)=∂Ρ(Τ)∂Ρ(5)=0.014‚IP(6)=IP(10)=IP(11)=IP(12)=IP(13)=IP(20)=IP(24)=IP(25)=IP(5)=0.014,IP(7)=IP(8)=IP(9)=IP(14)=IP(15)=IP(16)=IP(17)=IP(18)=IP(19)=IP(26)=1然后再结合前面算出的基本事件X1的概率重要度系数IP(1),利用式(5)求得基本事件X1的临界重要度系数为C1=Ρ(1)Ρ(Τ)ΙΡ(1)=0.0020.051476×0.034=1.32×10-2.同理可计算得C2=0.66×10-3;C3=2.0×10-3;C4=5.3×10-3;C5=0.275.3×10-3;C6=1.4×10-3;C7=0.78×10-2;C8=5.8×10-2;C9=0.17;C10=2.2×10-3;C11=2.7×10-3;C12=0.27×10-3;C13=0.82×10-3;C14=0.16;C15=9.7×10-2;C16=0.12;C17=3.9×10-2;C18=0.16;C19=3.9×10-2;C20=0.82×10-3;C24=0.54×10-3,C25=0.27×10-3;C26=7.8×10-2.因此得到一个按临界重要度系数的大小排列的各基本事件重要程度的顺序C9>C14=C18>C16>C15>C7=C26>C8>C17=C19>C4>C11>C10>C3>C6>C1>C13=C20>C2>C24>C5=C12=C25.由此临界重要度的排列顺序得出:瓷瓶表面脏造成闪络、人为误操作、维护检修不周、电缆绝缘损坏、设备误动作、绝缘零件损坏、人为使框架带电在此故障树中的重要度相对最大;异物短路、人为盗窃电缆、瓷瓶损坏次之.3采取的主要措施由上述故障树分析,能造成750V断电事故的基本事件中,瓷瓶表面脏造成闪络、人为误操作、维护检修不周、电缆绝缘损坏、设备误动作、绝缘零件损坏、人为使框架带电在故障树中具有相对最高等级层次,因此应对以上事件做重点控制.针对造成“750V断电事故”的主要影响因素提出相应的控制措施如下:1)针对绝缘零件表面脏造成闪络,采取措施是:项目部、维修中心、班组人员根据清扫周期,执行750V清扫流程,定期对绝缘零件表面进行清扫,做到责任落实到班组、到岗位、到人员,及时清理外界产生污物,实现绝缘零件表面一尘不染.2)针对人为误操作采取措施是:加强对操作人员教育培训,定期考试和绩效考核,项目部、维修中心、班组人员要严格执行按照《变电安全规程》相关规定进行操作,防止出现误分、合设备.3)针对维护检修不周采取措施是:强化班组管理机制,提高员工的技术素质,树立正确的工作的态度和良好的工作作风;加强设备运行管理,进行设备区域管理划分,指定专人负责,确保责任落实到人,建立健全设备的维护、检修等记录台账,做到日常工作、巡检维护、故障处理、抢修检修等数据统计齐全,真实有效,并做到专人记录,负责人核实签字.4)针对电缆绝缘损坏采取措施是:维修队根据计表周期,执行电缆计表流程,定期检查电缆线路外观无变形、无破损;电缆支架、托架、卡子的绝缘皮子完整有效;电缆无摩擦、无放电、无腐蚀痕迹;电缆敷设必须满足地铁供电技术标准的要求;按照周期进行巡视检查,一旦发现问题及时处理并进行汇报.5)针对设备误动作造成停运采取措施是:班组、项目部、维修队根据清扫、计表周期,执行队级清扫计表流程,定期检查维护框架保护设置及其控制电源回路,加强人防、技防、物防,防止出现框架保护误动作.6)针对一次回路绝缘零件损坏,采取措施是: