換流站閥冷卻系統(tǒng)可靠性分析與評(píng)估

姜海波，翟 賓，賀新征，羅朝華

(國(guó)網(wǎng)河南省電力公司檢修公司，河南 鄭州 450000)

換流站閥冷卻系統(tǒng)可靠性分析與評(píng)估

姜海波，翟 賓，賀新征，羅朝華

(國(guó)網(wǎng)河南省電力公司檢修公司，河南 鄭州 450000)

近年來(lái)?yè)Q流閥冷卻系統(tǒng)頻繁故障導(dǎo)致直流系統(tǒng)單雙極閉鎖，其可靠性對(duì)跨區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行影響非常大，然而相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估時(shí)，凡涉及到閥冷卻系統(tǒng)均以故障忽略不計(jì)為參數(shù)假設(shè)進(jìn)行研究，與工程實(shí)際情況有一定的偏差。文中結(jié)合了故障樹(shù) (FTA)法，根據(jù)系統(tǒng)抽樣樣本的統(tǒng)計(jì)特征來(lái)獲得系統(tǒng)的可靠性參數(shù)，建立了換流閥冷卻系統(tǒng)可靠性模型，為決策者提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

換流閥冷卻系統(tǒng);故障樹(shù);可靠性評(píng)估;串聯(lián)系統(tǒng)

2003～2010年間，跨區(qū)電網(wǎng)直流系統(tǒng)發(fā)生多起停運(yùn)事故，國(guó)家電網(wǎng)所屬的12座換流站共發(fā)生80起直流閉鎖，其中僅換流閥冷卻系統(tǒng)故障原因?qū)е聠坞p極閉鎖就發(fā)生了18起，占全部事故總數(shù)的22.5%［1］。截止2011年11月，南方電網(wǎng)4條直流輸電系統(tǒng)因閥冷系統(tǒng)故障發(fā)生直流閉鎖事件22次，其中單極閉鎖21次，雙極閉鎖1次［2］。

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(gè)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要因素。文獻(xiàn)［3］從元件層面說(shuō)明高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性影響程度，提出了直流系統(tǒng)元件可靠性靈敏度指標(biāo)，結(jié)合故障樹(shù)法及頻率和持續(xù)時(shí)間法建立了高壓直流輸電系統(tǒng)元件可靠性靈敏度分析的組臺(tái)模型。文獻(xiàn)［4］根據(jù)直流系統(tǒng)設(shè)備的功能和失效模式對(duì)直流系統(tǒng)子系統(tǒng)進(jìn)行重新劃分，提出了以系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移抽樣模擬法為基礎(chǔ)，并結(jié)合解析法對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估的混合法，該方法先用解析法將含有備用相關(guān)性的設(shè)備簡(jiǎn)化為等效子系統(tǒng)，然后再對(duì)簡(jiǎn)化后的整個(gè)直流系統(tǒng)可靠性模型利用模擬法得到系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。閥冷卻系統(tǒng)作為直流系統(tǒng)重要的輔助設(shè)備，文獻(xiàn)［3］和［4］都未對(duì)直流輸電系統(tǒng)中的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估，這是因?yàn)楦邏褐绷鬏旊娤到y(tǒng)可靠性評(píng)估、元件可靠性靈敏度分析通常以部分元件或子系統(tǒng)故障忽略不計(jì)為參數(shù)假設(shè)進(jìn)行研究，而對(duì)于工程實(shí)際情況而言，部分元件或子系統(tǒng)的可靠性是一個(gè)重要因素，一旦出現(xiàn)故障將會(huì)導(dǎo)致直流閉鎖，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生極大的危害。文獻(xiàn)［4］和［5］采用故障樹(shù)方法對(duì)具體設(shè)備進(jìn)行分析，提出了提升系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的相關(guān)措施，有很高的借鑒意義。所以，本文以換流站閥冷卻系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)閥冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式，根據(jù)系統(tǒng)抽樣樣本的統(tǒng)計(jì)特征建立了換流閥冷卻系統(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)概況

1.1 換流閥冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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已達(dá)4 500 A，正常運(yùn)行時(shí)，大電流通過(guò)換流閥產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致晶閘管、電抗器等器件溫度急劇上升，為防止這些元件因溫度過(guò)高而損壞，需配置閥冷卻系統(tǒng)對(duì)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)兩部分。閥內(nèi)冷系統(tǒng)是一個(gè)密閉的循環(huán)系統(tǒng)，它通過(guò)冷卻介質(zhì)的流動(dòng)帶走換流閥產(chǎn)生的熱量，其冷卻介質(zhì)通常采用去離子水;閥外冷系統(tǒng)根據(jù)冷卻方式的不同，可分為水冷和風(fēng)冷兩種形式。閥外水冷系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放式的水循環(huán)系統(tǒng)，用經(jīng)過(guò)軟化處理的水通過(guò)冷卻塔持續(xù)對(duì)閥內(nèi)水冷系統(tǒng)管道進(jìn)行冷卻，降低閥內(nèi)水冷溫度。由于受地區(qū)環(huán)境影響，部分換流站采用閥外風(fēng)冷系統(tǒng)，如靈寶背靠背換流站，使用大功率風(fēng)扇對(duì)閥內(nèi)水冷管道進(jìn)行吹拂冷卻，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 換流閥冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

1.2 換流閥冷卻系統(tǒng)故障特點(diǎn)

根據(jù)換流閥冷卻系統(tǒng)運(yùn)行情況的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，閥冷系統(tǒng)存在的問(wèn)題主要分為閥冷系統(tǒng)一次設(shè)備、閥冷控制保護(hù)系統(tǒng)、傳感器三大類(lèi)。

a. 閥冷卻系統(tǒng)一次設(shè)備存在的主要問(wèn)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)冷水濾網(wǎng)堵塞、內(nèi)冷水電導(dǎo)率高、外冷水補(bǔ)水過(guò)濾器堵塞、主泵機(jī)械密封滲漏水、外冷水管爆裂、冷卻塔結(jié)垢、外冷水池流入閥冷卻室噴淋泵泵坑、管道閥門(mén)滲漏水、主循環(huán)泵和噴淋泵故障。例如2007年9月5日葛洲壩站因長(zhǎng)期振動(dòng)導(dǎo)致極2內(nèi)冷水系統(tǒng)1號(hào)主泵軸承損壞、陶瓷密封圈破裂漏水，閥漏水保護(hù)動(dòng)作，極2強(qiáng)迫停運(yùn)。

b. 閥冷控制保護(hù)系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題有變頻器故障、繼電器輔助觸點(diǎn)脫離繼電器本體、繼電器故障、直流電源擾動(dòng)、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。例如2010年12月3日銀川東站2臺(tái)主泵定期切換時(shí)，過(guò)流定值未躲過(guò)由變頻切換工頻時(shí)的啟動(dòng)電流，造成兩套內(nèi)水冷循環(huán)泵開(kāi)關(guān)相繼跳閘，極1強(qiáng)迫停運(yùn)。

c. 傳感器存在的主要問(wèn)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(dòng)等。例如2005年10月15日鵝城站極1內(nèi)冷水保護(hù)A系統(tǒng)閥出水溫度傳感器E1.BT1故障，引起溫度測(cè)量誤差，內(nèi)冷水出水溫度保護(hù)在動(dòng)作出口前未進(jìn)行系統(tǒng)切換，極1強(qiáng)迫停運(yùn)。

2 可靠性評(píng)估方法

2.1 FTA 法

故障樹(shù)分析法 (Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA)是一種使用圖形演繹邏輯推理方法，用圖說(shuō)明系統(tǒng)的失效原因，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，可以找出系統(tǒng)全部可能的失效狀態(tài)，也就是故障樹(shù)的全部最小割集，或者稱它們是系統(tǒng)的故障譜，最后利用故障樹(shù)分析計(jì)算系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，其分析過(guò)程如圖2所示。

圖2 故障樹(shù)法分析流程

其分析步驟如下。

a. 選擇頂事件，一般選取系統(tǒng)的故障狀態(tài)作為故障樹(shù)的頂事件。

b. 建立故障樹(shù)。從故障樹(shù)的頂事件開(kāi)始，對(duì)故障狀態(tài)進(jìn)行分解，并用與門(mén)、或門(mén)或者選擇等邏輯關(guān)系符號(hào)進(jìn)行連接，建立故障樹(shù)。

c. 求故障樹(shù)最小割集。設(shè)故障樹(shù)T，集合B1，B2，…，Bm，滿足:

式中:Bi={xi1，xi2，…，xik}是基本故障事件的集合，當(dāng)且僅當(dāng)在這些基本故障事件剛發(fā)生時(shí)，頂事件才能發(fā)生，則這一集合為故障樹(shù)的一個(gè)割集。如果集合中任意一個(gè)事件不發(fā)生，頂事件也不再發(fā)生，則這個(gè)集合為故障樹(shù)的最小割集。

d. 求出故障樹(shù)的所有最小割集后，則可以計(jì)算頂事件發(fā)生的概率為

故障樹(shù)分析的關(guān)鍵是求解故障樹(shù)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、定量分析計(jì)算。

2.2 可靠性參數(shù)有關(guān)計(jì)算

a. 串聯(lián)系統(tǒng)

式中:λ為元件故障率;μ為修復(fù)率;n為串聯(lián)的元件個(gè)數(shù)。式中:n為并聯(lián)的元件個(gè)數(shù)。

2.3 可靠性指標(biāo)

a. 平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間MTBF(Mean Time Between Failure)，以tMTBF表示。

b. 平均故障持續(xù)時(shí)間 MDT(Mean Down Time)，以tMDT表示。

c. 能 量 不 可 用 率 UA(Unavailability)，以 εUA。

d. 能 量 可 用 率 A(Availability)，以 εA表示。

各指標(biāo)計(jì)算如下:

3 分析與計(jì)算

3.1 HVDC換流閥冷卻系統(tǒng)故障樹(shù)

根據(jù)目前換流閥冷卻系統(tǒng)的故障情況，在建立閥冷卻系統(tǒng)故障樹(shù)時(shí)，把閥冷卻系統(tǒng)導(dǎo)致直流閉鎖的故障作為底事件，然后根據(jù)底事件導(dǎo)出6個(gè)系統(tǒng)事件。分別是閥冷漏水故障、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、傳感器故障等。這6個(gè)事件屬于中間事件，然后再由這6個(gè)中間事件導(dǎo)出23個(gè)基本事件，最后將這一系列事件組成邏輯圖，即形成閥冷系統(tǒng)故障樹(shù)，如圖3所示。

圖3 閥冷系統(tǒng)故障樹(shù)

表1 閥冷卻系統(tǒng)故障原始數(shù)據(jù)

根據(jù)上述設(shè)備缺陷分類(lèi)，以某換流站閥冷卻系統(tǒng)為例進(jìn)行缺陷統(tǒng)計(jì)，總?cè)毕輸?shù)為16項(xiàng)，則具體缺陷分布比例如表1所示。

根據(jù)表1所示數(shù)據(jù)，只能初步得知閥冷冷卻系統(tǒng)故障率主要集中在設(shè)備機(jī)械部分及傳感器兩方面，不能全面反映閥冷系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性數(shù)據(jù)，必須根據(jù)系統(tǒng)中每個(gè)抽樣樣本統(tǒng)計(jì)特征，并結(jié)合可靠性評(píng)估方法計(jì)算系統(tǒng)的可靠性。表2所列基本事件對(duì)應(yīng)的故障概率數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn) ［7～10］，表示閥冷卻系統(tǒng)中具體設(shè)備部件發(fā)生的故障概率。

3.2 故障樹(shù)評(píng)定

根據(jù)FTA計(jì)算法，采用上行法或下行法很容易求得變壓器故障樹(shù)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(shù)最小割集共計(jì)23個(gè)，均為一階最小割集。

由式 (2)可得閥冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障的概率為

由此可得閥冷卻系統(tǒng)的可靠度為

表2 閥冷卻系統(tǒng)故障樹(shù)的基本事件及故障概率

若以閥冷卻系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)為計(jì)算，則系統(tǒng)可無(wú)故障工作1.18年。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于故障樹(shù)分析的方法對(duì)高壓直流換流閥冷卻系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，計(jì)算快捷、方便、可靠。由于FTA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(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，只要獲得了閥冷卻系統(tǒng)基本部件的故障規(guī)律、故障率數(shù)據(jù)，就可計(jì)算出每個(gè)子系統(tǒng)或設(shè)備對(duì)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)提供一些可靠性建議。

［1］ 國(guó)家電網(wǎng)公司.直流換流站2003～2010年單雙極閉鎖統(tǒng)計(jì)匯編 ［G］.2010.

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［9］ 黃洪劍，林瑞光.無(wú)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(bào)，2000，4(4):198-201.

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Reliability Analysis and Assessment of Converter Station Valve Cooling System

JIANG Hai-bo，ZHAI Bin，HE Xin-zheng，LUO Chao-hua
(State Grid Henan Electric Power Company Maintenance Company，Zhengzhou，Henan 450000，China)

In recent years，frequent accidents of the converter valve cooling system caused single bipolar block of HVDC，which brings a big influence on stable operation of interconnected power grid.However，evaluating the reliability of HVDC transmission system in related literatures interms of valve cooling system，they assumed that the valve cooling systems had no fault.Therefore，the researches have certain deviation from the actual project situation.According to fault tree analysis，it gets the reliability parameter of the system on the basis of the characteristics of systematic sampling，establishing reliability model of the converter valve cooling system and providing basic data support for decision makers.

Converter valve cooling system;Fault-tree;Reliability evaluation;Series system

TM721

A

1004-7913(2014)03-0052-04

姜海波 (1981—)，男，碩士，工程師，從事高壓直流輸電技術(shù)，換流站運(yùn)行維護(hù)工作。

2013-12-20)