特高壓直流一次設備運行可靠性分析

劉益江　韓祎菲　張永良

［摘 要］本文旨在對特高壓直流（UHVDC）一次設備的運行可靠性進行分析，并探討相應的評估方法和改進措施。本文介紹了UHVDC技術的工作原理，闡述了UHVDC一次設備在電力系統(tǒng)中的重要作用，探討了UHVDC一次設備所面臨的故障和失效風險，并分析可能存在的影響和后果。此外，還介紹了可靠性評估方法，包括故障樹分析、失效模式與影響分析等，用于識別關鍵部件和系統(tǒng)的潛在故障，并提出改進和預防措施，以提高UHVDC一次設備的運行可靠性。通過對UHVDC一次設備的運行可靠性分析，可以為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和可靠供電提供重要參考，為電力行業(yè)的發(fā)展和能源轉(zhuǎn)型做出貢獻。

［關鍵詞］特高壓；直流；一次設備；運行；可靠性

［中圖分類號］TM8文獻標志碼：A

特高壓直流（Ultra-High Voltage Direct Current，以下簡稱“UHVDC”）技術作為電力傳輸領域的重要創(chuàng)新，具有高效、遠距離傳輸和大容量輸電的優(yōu)勢。在UHVDC系統(tǒng)中，一次設備承擔著關鍵的傳輸和轉(zhuǎn)換功能，對系統(tǒng)的運行可靠性起著至關重要的作用。保障UHVDC一次設備的運行可靠性對于確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行、提高電力傳輸效率和保證供電質(zhì)量具有重要意義。目前，UHVDC一次設備面臨著多種潛在的故障和失效風險，如電氣故障、設備老化、環(huán)境因素等，這些因素可能導致設備性能下降、運行中斷甚至系統(tǒng)故障。因此，對UHVDC一次設備的運行可靠性進行分析和評估是至關重要的。通過深入研究UHVDC一次設備的工作原理、結(jié)構(gòu)和運行特點，并結(jié)合可靠性評估方法的應用，可以有效識別潛在的故障模式和失效影響，為改進設備設計和運行管理提供有力依據(jù)。

1 UHVDC技術的工作原理

UHVDC技術是一種電力傳輸和轉(zhuǎn)換技術，具有高電壓、高效率和遠距離傳輸?shù)奶攸c。UHVDC系統(tǒng)使用換流器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，或者將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。換流器由多個可控硅器件（Thyristor）組成，通過控制硅器件的導通和截止，實現(xiàn)電流的正向和反向傳輸［1］。UHVDC系統(tǒng)需要提供高電壓的直流電壓源，通常使用直流發(fā)電機或者整流變壓器來實現(xiàn)?；ジ衅饔糜谔峁Q流器所需的控制信號和反饋信號，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和正常工作。UHVDC系統(tǒng)通過特殊設計的傳輸線路進行電力傳輸，通常采用高壓直流電纜或者空中輸電線路。UHVDC技術通過將電力轉(zhuǎn)換為直流形式進行傳輸，克服了傳統(tǒng)交流輸電系統(tǒng)的一些限制，如電流損耗、電壓降低和電容電感等問題。可以實現(xiàn)更長距離的電力傳輸、提高輸電效率，并在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)大容量電力輸送。

UHVDC技術可以實現(xiàn)遠距離電力傳輸，有效解決了傳統(tǒng)交流輸電系統(tǒng)中長距離輸電帶來的電能損耗和電壓降低等問題?？梢詫㈦娏倪h離發(fā)電站的地區(qū)高效地輸送到負荷中心，提高電力資源的利用率和供電可靠性。UHVDC技術具有較高的輸電容量，可以滿足日益增長的電力需求。相比傳統(tǒng)交流輸電系統(tǒng)，UHVDC系統(tǒng)能夠承載更大的電流和功率，實現(xiàn)大規(guī)模的電力輸送，特別適用于跨國電力交換和大型能源基地的連接。UHVDC技術能夠有效實現(xiàn)不同電網(wǎng)之間的電力互聯(lián)，促進區(qū)域間的電力合作和能源共享。通過UHVDC連接，不同地區(qū)的電力系統(tǒng)可以實現(xiàn)互補，優(yōu)化電力資源配置，提高能源利用效率。UHVDC技術具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，能夠減少電力系統(tǒng)的故障和失效風險。通過優(yōu)化電力傳輸方式，降低輸電線路的電阻和電感，減少電力系統(tǒng)的短路故障和功率損耗，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行能力。

2 UHVDC一次設備所面臨的故障和失效風險

UHVDC一次設備作為UHVDC系統(tǒng)中的關鍵組成部分，承擔著電力轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)闹匾δ?。同時，它也面臨著一些潛在的故障和失效風險，可能影響系統(tǒng)的正常運行和可靠性。UHVDC一次設備中的絕緣系統(tǒng)可能失效，導致電壓擊穿和漏電等問題。這可能由于絕緣材料老化、絕緣子污穢、環(huán)境因素和操作失誤等原因引起。UHVDC一次設備中的硬件元件如可控硅器件、電容器和電感器等可能發(fā)生故障。例如，可控硅器件可能出現(xiàn)導通或截止失效，電容器可能出現(xiàn)漏電或短路，電感器可能出現(xiàn)斷線或電感變化。UHVDC一次設備的直流電源系統(tǒng)可能發(fā)生故障，導致電壓波動、電源中斷或不穩(wěn)定。這可能由于電源故障、電壓調(diào)節(jié)器失效或供電線路故障等原因引起。

UHVDC一次設備的控制系統(tǒng)可能發(fā)生故障，導致信號傳輸錯誤或操作失誤。這可能由于控制電路故障、傳感器故障、通信故障或操作人員錯誤等原因引起。UHVDC一次設備所處的環(huán)境因素如溫度、濕度、氣候等可能對設備的運行產(chǎn)生不利影響。例如，高溫、高濕度環(huán)境可能導致設備絕緣性能下降，氣候變化可能引起設備腐蝕和老化。這些故障和失效風險可能對UHVDC一次設備的運行穩(wěn)定性和可靠性造成影響［2］。因此，對這些潛在風險進行充分的分析和評估，并采取相應的預防措施和維護策略，對于確保UHVDC系統(tǒng)的可靠運行具有重要意義。

3 特高壓直流一次設備運行可靠性評估方法

3.1 故障樹分析

故障樹分析是一種定性和定量的故障分析方法，用于識別系統(tǒng)故障的潛在原因和失效路徑。在UHVDC一次設備的運行可靠性評估中，故障樹分析可以幫助確定導致系統(tǒng)失效的主要因素，并評估其對設備可靠性的影響。頂事件是指系統(tǒng)故障或失效的最終結(jié)果，如UHVDC一次設備的停止工作、電壓失控等。確定頂事件是故障樹分析的起點?；臼录菢?gòu)成故障樹的最小事件，可以直接導致頂事件的發(fā)生。在UHVDC一次設備的故障樹中，基本事件可能包括硬件故障（如器件故障、電路故障）、控制系統(tǒng)故障、電源故障等。邏輯門是連接基本事件的邏輯關系，用于描述基本事件之間的邏輯組合和關聯(lián)。常用的邏輯門包括與門（AND）、或門（OR）、優(yōu)先門（Priority）、禁門（Inhibit）等。根據(jù)系統(tǒng)的特點和要求，組織和構(gòu)建故障樹結(jié)構(gòu)。將頂事件作為樹的根節(jié)點，基本事件作為葉子節(jié)點，通過邏輯門連接各個事件，形成一個完整的故障樹模型。通過概率分析和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，對故障樹中的事件發(fā)生概率進行定量評估?？梢岳脷v史故障數(shù)據(jù)、專家判斷和實驗數(shù)據(jù)等來確定事件的概率。根據(jù)故障樹的結(jié)構(gòu)和事件概率，通過邏輯運算計算頂事件的概率?？梢詭椭u估UHVDC一次設備的失效概率和可靠性水平。根據(jù)故障樹分析的結(jié)果，識別導致系統(tǒng)失效的主要因素和故障路徑，并提出相應的改進和預防措施?？梢詭椭岣遀HVDC一次設備的可靠性和穩(wěn)定性。

3.2 失效模式與影響分析

失效模式與影響分析是一種系統(tǒng)性的方法，用于識別和評估系統(tǒng)組件的失效模式、影響和嚴重性。在特高壓直流（UHVDC）一次設備的運行可靠性評估中，失效模式與影響分析可以幫助確定關鍵部件的失效模式并評估其對設備可靠性的影響。對UHVDC一次設備的各個關鍵部件進行仔細分析，識別可能的失效模式。失效模式是指組件在特定工作條件下可能出現(xiàn)的失效形式，如短路、斷路、漏電等［3］。對每個失效模式評估其對設備性能和可靠性的影響。考慮失效后可能導致的故障現(xiàn)象、設備性能降低、安全風險等因素，對失效影響進行定量或定性評估。根據(jù)失效影響的評估結(jié)果，確定每個失效模式的嚴重性等級。通常使用定性評估，將失效嚴重性劃分為不同的等級，如高、中、低等級。對于識別出的高嚴重性失效模式，制定相應的控制措施和改進措施?？赡馨ㄔ鰪娋S護措施、改進設計、加強監(jiān)測和檢測等，以降低失效風險和提高設備的可靠性。隨著UHVDC一次設備的運行和維護，及時更新失效模式與影響分析的結(jié)果，并持續(xù)監(jiān)測設備的性能和失效情況?？梢詭椭l(fā)現(xiàn)新的失效模式和改進措施，并確保設備可靠性的持續(xù)改進。

3.3 可靠性指標評估

可靠性指標評估是通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)和歷史運行數(shù)據(jù)，對UHVDC一次設備的可靠性進行定量評估。常用的可靠性指標可以幫助評估UHVDC一次設備的失效概率和可靠性水平，為設備運行和維護提供參考。MTBF（Mean Time Between Failure）是指設備在連續(xù)運行一段時間內(nèi)的平均故障間隔時間。通過記錄設備的故障發(fā)生時間和修復時間，可以計算出MTBF，可以作為評估設備可靠性的重要指標。失效率是指單位時間內(nèi)設備發(fā)生故障的頻率。通常以每小時或每年的故障次數(shù)表示。失效率越低，表示設備的可靠性越高?？煽啃灾笖?shù)是一種綜合的可靠性評估指標，用于評估設備在一定時間內(nèi)正常運行的概率?？煽啃灾笖?shù)可以通過設備的故障數(shù)據(jù)和統(tǒng)計方法計算得出，它反映了設備在給定時間內(nèi)的可靠性水平?？煽啃灾笖?shù)是一種綜合的可靠性評估指標，用于評估設備在一定時間內(nèi)正常運行的概率?？煽啃灾笖?shù)可以通過設備的故障數(shù)據(jù)和統(tǒng)計方法計算得出，它反映了設備在給定時間內(nèi)的可靠性水平。在故障樹分析中，可以通過概率分析和邏輯運算，計算出頂事件的概率［4］。頂事件的概率可以作為評估UHVDC一次設備的失效概率和可靠性水平的重要指標。

3.4 維修策略優(yōu)化

維修策略優(yōu)化是在UHVDC一次設備的運行可靠性評估基礎上，制定和優(yōu)化設備的維修計劃和策略，以提高設備的可用性和可靠性。通過合理的維修策略，可以降低故障風險、減少維修成本，并最大限度地保障設備的正常運行。其中，預防性維護是一種定期進行的維護活動，旨在防止設備故障的發(fā)生。通過定期檢查、清潔、潤滑和更換關鍵部件等操作，可以延長設備的使用壽命，降低故障發(fā)生的概率。在制定預防性維護計劃時，需要考慮設備的運行狀況、制造商的建議、歷史故障數(shù)據(jù)等因素。利用先進的故障診斷技術和在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以對UHVDC一次設備進行實時監(jiān)測和故障診斷。通過監(jiān)測關鍵參數(shù)、振動、溫度、壓力等指標，可以及時發(fā)現(xiàn)設備的異常情況和潛在故障，并采取相應的維修措施。故障診斷和監(jiān)測可以幫助提前預警和排除故障，減少設備的停機時間和維修成本。合理管理備件和優(yōu)化庫存是維修策略優(yōu)化的重要方面。根據(jù)設備的關鍵性和故障概率，確定合理的備件庫存水平，以滿足設備維修的需求。同時，采用先進的備件管理技術，如物聯(lián)網(wǎng)技術和自動化倉儲系統(tǒng)，可以提高備件管理的效率和準確性。

4 特高壓直流一次設備運行可靠性改進措施

4.1 定期檢修和維護

定期檢修和維護是提升UHVDC一次設備運行可靠性的重要措施。通過定期檢修和維護，可以確保設備處于良好的工作狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并修復潛在問題，以保障設備的正常運行。制定詳細的維護計劃，包括維護周期、維護內(nèi)容和維護方法等。根據(jù)設備的特點和要求，確定不同部件的檢修周期和維護任務，確保全面、系統(tǒng)地進行維護工作。定期對設備進行清潔和潤滑，去除灰塵、污垢和沉積物。對移動部件進行潤滑，以減少摩擦和磨損，保持設備的良好運行狀態(tài)。

4.2 強化維護培訓

通過培訓和提升維護人員的技能和知識水平，可以確保其具備正確的維護操作和安全意識，從而有效地執(zhí)行設備的維護工作。提供全面的設備操作規(guī)程和操作手冊，明確說明設備的正確操作方法、步驟和注意事項。培訓維護人員熟悉并遵守操作規(guī)程，以確保設備在操作過程中不會出現(xiàn)錯誤。提供維護人員所需的設備知識和技能培訓。其中包括了解設備的原理和結(jié)構(gòu)、掌握維護工具和設備的使用方法、學習常見故障診斷和排除方法等。培訓維護人員掌握必要的設備知識和技能，使其能夠熟練操作和維護設備。

4.3 引入先進監(jiān)測技術

通過應用先進的監(jiān)測技術，可以實時監(jiān)測設備的狀態(tài)和性能，及時發(fā)現(xiàn)異常情況和潛在故障，以采取相應的維修措施，保障設備的正常運行。利用振動傳感器和分析技術，監(jiān)測設備的振動情況。通過分析振動信號的頻譜和特征，可以判斷設備是否存在異常振動，如不平衡、軸承故障等，并及時采取維修措施。使用紅外熱像儀對設備進行熱圖掃描，以檢測設備的溫度分布和熱異常。異常的熱點可能暗示著電器元件存在故障、過載或熱失控等問題，通過紅外熱像儀可以及早發(fā)現(xiàn)并解決這些問題。

4.4 預防性維護和故障分析

制定定期的預防性維護計劃，包括對關鍵設備進行定期檢查、維護和更換關鍵部件等。預防性維護計劃應根據(jù)設備的特點和制造商的建議確定，以減少潛在故障的發(fā)生。收集和分析設備的故障數(shù)據(jù)，了解設備的故障模式、頻率和原因。通過故障數(shù)據(jù)分析，可以確定設備的關鍵故障點，并采取相應的預防措施，以減少故障的發(fā)生。應用故障樹分析方法，對設備的故障進行深入分析和評估。故障樹分析可以幫助確定故障的起因和傳播路徑，識別關鍵故障模式，并制定相應的預防措施和改進計劃。

5 結(jié)語

本研究對特高壓直流一次設備的運行可靠性進行了分析。通過對UHVDC一次設備的工作原理和可靠性評估方法的研究，提出了相應的改進和預防措施，以提高UHVDC一次設備的運行可靠性，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運行。

參考文獻

［1］宋秭霖，程玲. 特高壓直流一次設備運行可靠性分析［J］. 電氣技術，2015（6）：110-112，118.

［2］瞿綱舉，鄧輝，楊劍. 特高壓直流一次設備運行可靠性分析［J］. 通訊世界，2017（14）：241-242.

［3］趙崢，馬為民. 并聯(lián)換流器特高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性研究［J］. 電力建設，2016，37（9）：86-92.

［4］孟耿瓊. ±800kV特高壓直流輸電線路帶電檢修工器具研制和現(xiàn)場實用研究［D］. 宜昌：三峽大學，2016.

［作者簡介］劉益江，男，陜西西安人，國網(wǎng)陜西省電力有限公司超高壓公司，助理工程師，本科，研究方向：特高壓輸變電工程研究。

韓祎菲，女，陜西咸陽人，國網(wǎng)陜西省電力有限公司超高壓公司，助理工程師，本科，研究方向：特高壓輸變電工程研究。

張永良，男，陜西西安人，國網(wǎng)陜西省電力有限公司超高壓公司，工程師，碩士，研究方向：特高壓直流工程規(guī)劃與發(fā)展。