高壓直流輸電換流閥冷卻系統(tǒng)可靠性評估

姜海波，翟 賓，賀新征，羅朝華

（國網(wǎng)河南省電力公司檢修公司, 河南 鄭州 450000）

隨著跨區(qū)聯(lián)網(wǎng)的需要，高壓直流輸電工程日益增多，其可靠性已成為影響整個電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要因素。2003—2010年，跨區(qū)電網(wǎng)直流系統(tǒng)發(fā)生多起停運(yùn)事故，國家電網(wǎng)公司所屬的12座換流站共發(fā)生直流閉鎖事故80起，其中因換流閥冷卻系統(tǒng)故障而導(dǎo)致的單雙極閉鎖事故有18起，占事故總數(shù)的22.5 %。截至2011年11月，南方電網(wǎng)公司4條直流輸電系統(tǒng)因換流閥冷卻系統(tǒng)故障而發(fā)生的單雙極直流閉鎖事故有22起。下文以高壓直流輸電換流閥冷卻系統(tǒng)為研究對象，針對換流閥冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、運(yùn)行方式，運(yùn)用故障樹分析(fault tree analysis，F(xiàn)TA)法，建立換流閥冷卻系統(tǒng)可靠性模型，為決策者提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 換流閥冷卻系統(tǒng)的概況

1.1 換流閥冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

換流閥是換流站的核心設(shè)備，目前在運(yùn)的換流站中，換流閥額定電流最高達(dá)4 500 A。正常運(yùn)行時，大電流通過換流閥產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致晶閘管、電抗器等元件溫度急劇上升，為了防止這些元件因溫度過高而損壞，需配置閥冷卻系統(tǒng)對換流閥進(jìn)行冷卻。目前，閥冷卻系統(tǒng)包括閥內(nèi)冷系統(tǒng)和閥外冷系統(tǒng)2部分。閥內(nèi)冷系統(tǒng)是一個密閉的循環(huán)系統(tǒng)，它通過冷卻介質(zhì)(通常采用去離子水)的流動帶走大電流通過換流閥時產(chǎn)生的熱量。閥外冷系統(tǒng)根據(jù)冷卻方式的不同可分為水冷和風(fēng)冷2種方式。閥外水冷系統(tǒng)是一個開放式的水循環(huán)系統(tǒng)，用經(jīng)過軟化處理的水通過冷卻塔持續(xù)對閥內(nèi)水冷系統(tǒng)管道進(jìn)行冷卻，以降低閥內(nèi)冷卻水溫度；部分換流站由于受地區(qū)環(huán)境的影響也會采用閥外風(fēng)冷系統(tǒng)，這種換流閥冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 換流閥冷卻系統(tǒng)(閥外風(fēng)冷)的結(jié)構(gòu)

1.2 換流閥冷卻系統(tǒng)故障的特點

換流閥冷卻系統(tǒng)主要在閥冷卻系統(tǒng)一次設(shè)備、閥冷控制保護(hù)系統(tǒng)和傳感器上存在問題。

(1) 閥冷卻系統(tǒng)一次設(shè)備存在的主要問題有：管道內(nèi)殘留大量氣體、閥塔支路冷卻水管堵塞發(fā)熱、閥塔漏水、內(nèi)冷卻水濾網(wǎng)堵塞、內(nèi)冷卻水電導(dǎo)率高、外冷卻水補(bǔ)水過濾器堵塞、主泵機(jī)械密封滲漏水、外冷卻水管爆裂、冷卻塔結(jié)垢、外冷卻水從水池流入閥冷卻室噴淋泵泵坑、管道閥門滲漏水、主循環(huán)泵和噴淋泵故障等。

(2) 閥冷控制保護(hù)系統(tǒng)存在的主要問題有：變頻器故障、繼電器輔助節(jié)點脫離繼電器本體、繼電器故障、直流電源擾動、噴淋泵電源跳閘、保護(hù)定值設(shè)置不合理、切換邏輯不完善、閥冷控制器工作性能不穩(wěn)定和抗干擾性能差等。

(3) 傳感器存在的主要問題有：傳感器故障、傳感器工作不穩(wěn)定、傳感器電氣部分松動等。

2 可靠性評估方法與計算

2.1 故障樹分析法

故障樹分析法是一種使用圖形演繹邏輯推理的方法，該方法用圖說明系統(tǒng)失效的原因，把系統(tǒng)的故障與組成系統(tǒng)的部件故障有機(jī)地聯(lián)系在一起。通過該方法可以找出系統(tǒng)全部可能的失效狀態(tài)，即故障樹的全部最小割集，最后利用故障樹分析法計算系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，其分析步驟如下。

(1) 選擇頂事件。一般選取系統(tǒng)的故障狀態(tài)作為故障樹的頂事件。

(2) 建立故障樹。從故障樹的頂事件開始，對故障狀態(tài)進(jìn)行分解，并用與門、或門或者選擇等邏輯關(guān)系符號進(jìn)行連接，建立故障樹。

(3) 求故障樹的最小割集。設(shè)頂事件為T，集合B1，B2……Bm滿足:

上式中，Bi={Xi1，Xi2……Xik}是基本故障事件的集合。當(dāng)且僅當(dāng)這些基本故障事件發(fā)生時，頂事件才發(fā)生，則這一集合稱為故障樹的一個割集；如果集合中任意一個事件不發(fā)生，則頂事件不發(fā)生，那么這個集合就稱為故障樹的最小割集。

（4） 系統(tǒng)可靠性定量評估。求出故障樹的所有最小割集后，計算頂事件發(fā)生的概率為:

故障樹分析法的關(guān)鍵是求解故障樹的最小割集、最小路集、不交化最小割集或不交化最小路集，從而進(jìn)行定性、定量的分析計算。

2.2 可靠性參數(shù)的計算方法

(1) 串聯(lián)系統(tǒng)的計算公式為：

其中，λ為元件故障率；μ為修復(fù)率；n為串聯(lián)的元件個數(shù)。

(2) 并聯(lián)系統(tǒng)的計算公式為：

其中，λ為元件故障率；μ為修復(fù)率；n為并聯(lián)的元件個數(shù)。

2.3 可靠性指標(biāo)的計算方法

(1) 平均無故障運(yùn)行時間MTBF(mean time between failure),以tMTBF表示。

(2) 平均故障持續(xù)時間MDT(mean down time),以tMDT表示。

(3) 能量不可用率UA(unavailability),以εUA表示。（4）能量可用率A（availability）,以εA表示。各指標(biāo)計算公式為：tMTBF=1/λ，tMDT=1/μ，εUA=λ/(λ+μ)，εA=1-εUA。

3 實例分析與計算

3.1 換流閥冷卻系統(tǒng)故障樹分析

根據(jù)目前換流閥冷卻系統(tǒng)的故障情況，在建立換流閥冷卻系統(tǒng)故障樹時，把換流閥冷卻系統(tǒng)的故障狀態(tài)作為頂事件，然后根據(jù)頂事件導(dǎo)出閥冷漏水故障、閥冷主泵故障、閥冷系統(tǒng)程序故障、電源及回路故障、CPU模塊及繼電器故障、傳感器故障6個中間事件，再由這6個中間事件導(dǎo)出23個基本事件，最后將這一系列事件列成邏輯圖，即形成換流閥冷卻系統(tǒng)故障樹，如圖2所示。

根據(jù)上述換流閥冷卻系統(tǒng)故障原因的分類，以某換流站換流閥冷卻系統(tǒng)為例進(jìn)行統(tǒng)計，總故障次數(shù)為16次，具體故障分布比例如表1所示。

表1 換流閥冷卻系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)

根據(jù)表1所示的數(shù)據(jù)，可初步得知換流閥冷卻系統(tǒng)故障原因主要集中在設(shè)備機(jī)械部分及傳感器2方面。但這并不是全面反映換流閥冷卻系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的數(shù)據(jù)，而必須根據(jù)系統(tǒng)中每個抽樣樣本的統(tǒng)計特征，并結(jié)合可靠性評估方法計算系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)資料可知，換流閥冷卻系統(tǒng)中具體設(shè)備部件發(fā)生的故障概率如表2所示。

圖2 換流閥冷卻系統(tǒng)故障樹

表2 換流閥冷卻系統(tǒng)故障樹基本事件的故障概率

3.2 可靠性參數(shù)及可靠性指標(biāo)計算

根據(jù)故障樹分析法，采用上行法或下行法求得換流閥冷卻系統(tǒng)故障樹的最小割集為:

B={A1，A2，A3，A4，A5，A6，B1，B2，B3，B4，C1，C2，C3，D1，D2，D3，D4，E1，E2，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4}，故障樹的最小割集共計 23 個，均為一階最小割集。

則閥冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障的概率為：

由此可得，換流閥冷卻系統(tǒng)的可靠度為：

換流閥冷卻系統(tǒng)的平均無故障工作時間為：

假設(shè)換流閥冷卻系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，則該系統(tǒng)可無故障工作1.18年。

采用故障樹分析法對高壓直流換流閥冷卻系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，計算快捷、方便、可靠。由于故障樹分析法從引起系統(tǒng)失效的原因出發(fā)，列出了所有可能引起系統(tǒng)失效的事件，在實際工程應(yīng)用時，只要獲得了換流閥冷卻系統(tǒng)基本事件的故障規(guī)律、故障率數(shù)據(jù)，就可計算出每個子系統(tǒng)或設(shè)備對系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的影響大小，為換流閥冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)提供可靠性建議。

1 周家啟，陳煒駿，謝開貴，等．高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性靈敏度分析模型[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2007(19)．

2 王 遂，任 震，蔣金良．混合法在高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性評估中的應(yīng)用[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2007(12)．

3 劉惟信．機(jī)械可靠性分析[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2005.

4 陳敏樣．電動機(jī)壽命分布分析和可靠性估計[J]．電機(jī)與控制學(xué)報，1998(2).

5 黃洪劍，林瑞光．無刷直流電機(jī)可靠性及其故障模式分析[J]．電機(jī)與控制學(xué)報，2000(4)．