冲击负荷

电力术语

冲击负荷具有周期性或非周期性，突然变化很大的负荷。如电弧炼钢炉、轧钢机等。一般出现最大负荷的时间很短，但其峰值可能是其平均负荷的数倍或数十倍。这类负荷对电力系统影响较大，当其变化幅值相对于系统容量较大时，很有可能引起系统频率的连续振荡，电压摆动。通常对冲击负荷需要做专门的研究，并提出相应的对策，以满足电力系统安全稳定和电能质量的要求。

简介

电力系统中存在大量冲击负荷，如轧钢机、电弧炉、铁路牵引变等。这些负荷对电网运行造成冲击，主要表现为造成电压闪变，产生负序电流和谐波，甚至破坏电网稳定性。同时冲击负荷会危害电力设备正常运行，例如会对电力电容器、旋转设备、电力变压器、电力电缆、开关、避雷器、电压互感器、自动装置等各类元件产生影响。

为了充分了解和防范冲击负荷带来的危害，长时间以来人们对冲击负荷的机理和规律做了大量研究。如冲击负荷的热冲击和谐波对牵引变压器绝缘的破坏，造成牵引变寿命的损失。

冲击负荷对电力系统影响不容忽视，它不仅威胁到电网安全稳定运行，也会破坏电力设备，加速绝缘老化。不论是谐波危害、热冲击、还是引起机组震荡，其长期的影响可以视为设备的寿命损失，从可靠性角度来看冲击负荷导致设备强迫停运率提高。由于上述因素的存在，在含有大量冲击负荷的系统中，电力元件的运行环境更加恶劣，很可能间接带来整个系统可靠性下降，特别是当一些重要的元件受到冲击危害时，这种可能性会更显著。因此研究电网可靠性时，需要考虑此影响因素，评估由于冲击负荷造成的元件加速老化和意外停运而带给系统的风险。

设备的可靠性参数是系统风险评估的基础，而设备可靠性与设备老化失效、外部环境、运行状态等因素都密切相关。现有研究主要针对设备在冲击下的寿命，通过仿真和实验得到其老化失效的过程，掌握特定性运行规律。

鉴于冲击负荷的产生具有某种随机性，何时到来或者强度的大小都无法实现准确预知，但其仍具备某种概率特征。因此对冲击建立概率模型，模拟其到来的时间、强度，分析冲击下元件的运行规律也是一种有效的方法。

可修复元件的冲击失效

电力设备和电力冲击负荷来加以解释。推导基于以下几点重要的假设：

1）各次冲击的强度相互独立，元件各周期运行相互独立；

2）元件可修复到正常状态，修复后的剩余寿命服从某一分布。

由于冲击负荷这种瞬间的电气量产生间隔时间具有指数分布的特性，所以用泊松分布描述是合理的。设元件在开始观察时刻起具有一定的初始剩余寿命，冲击从初始时刻开始随机地到来，每一次冲击根据其强度大小，对设备进行一定的寿命削减，直到元件剩余寿命降至0以下；之后元件经过一段时间的维修，元件重新具有一定的剩余寿命。

寿命并非指的是设备由生产到报废的周期，而是对一个运行-停运周期中的运行状态的度量，随时间变化而形成一个更新过程。剩余寿命的单位是用标幺制下可承受的累积冲击强度来表示，即冲击强度换算成以初始时刻元件可承受冲击强度为基准值的标幺值后，元件可以承受的累积冲击强度就是其剩余寿命。

从这个过程来看，冲击负荷模型与现有冲击负荷模型有所不同。现有模型更多是从动态过程来考虑，将详细分析冲击负荷到来时刻、冲击强度、冲击变化率、冲击持续时间等具体因素，以分析其对电力系统运行情况的影响，如暂态稳定等。而本模型忽略了冲击负荷一些具体因素，而主要考虑其来临时刻和每次冲击对剩余寿命影响，分析角度更多是基于总体上的可靠性。

由于电力系统的大多数元件符合以上的状态转移过程，因此可用这个可修复元件的模型来描述。

平均可用时间与元件强迫停运率的实际计算

得到修正后的元件强迫停运率后，可以采用蒙特卡洛模拟方法得到发输电系统的可靠性指标。思路是先按照修正后的元件强迫停运率对单个元件进行抽样，在此基础上形成系统状态；然后对系统状态进行评估分析；最后统计得到系统可靠性指标。

通过对比常规负荷与冲击负荷下系统可靠性指标，可以得到冲击负荷对系统可靠性影响，需要指出的是：

1）由于风资源具有随机性、间歇性，风电场出力也具有波动性和间歇性。大规模风电场并网后对电力系统形成的冲击，可以等效为一个大型冲击源，其对电网运行可靠性的影响也可以采用以上方法进行评估。

2）地区电网规模较小，受到冲击负荷的影响较大。采用以上方法进行可靠性评估，更能反映系统实际运行情况，并可以依据评估结果，用于指导输电设备的检修。

冲击负荷下实际系统的可靠性计算

冲击负荷下系统总体运行风险较常规负荷情况出现上升，特别是输电系统受到冲击负荷影响后风险上升明显。冲击源对电网整体风险和接入点风险有明显的影响，风险上升量又由于它们所在网络中位置的不同而有所差异。其中节点3在冲击负荷下风险大幅度增加，这与节点3所带的负荷冲击强度大而接入点网架薄弱有密切关系。

获得冲击负荷下系统运行风险评估指标后，可以以此为基础，开展该地区的电网规划、系统检修、备用配置等相关应用研究，由于涉及到具体问题的建模求解过程，将需要对此开展进一步的工作。

总结

普通元件冲击失效模型，进一步假设电力元件可以修复到全新状态，推导了电力元件在承受冲击负荷下平均可用时间的计算方法。在此基础上，给出了对于受常规负荷和冲击负荷综合影响的元件强迫停运率的修正方法。通过实际系统进行计算分析，从可靠性的角度验证了冲击负荷会引起系统风险的提升，从而为系统运行分析、电网规划和检修计划安排提供了定量的理论依据。

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