高壓直流輸電換流閥冷卻系統可靠性評估

姜海波，翟 賓，賀新征，羅朝華

（國網河南省電力公司檢修公司, 河南 鄭州 450000）

隨著跨區聯網的需要，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安全運行的重要因素。2003—2010年，跨區電網直流系統發生多起停運事故，國家電網公司所屬的12座換流站共發生直流閉鎖事故80起，其中因換流閥冷卻系統故障而導致的單雙極閉鎖事故有18起，占事故總數的22.5 %。截至2011年11月，南方電網公司4條直流輸電系統因換流閥冷卻系統故障而發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為研究對象，針對換流閥冷卻系統的結構組成、運行方式，運用故障樹分析(fault tree analysis，FTA)法，建立換流閥冷卻系統可靠性模型，為決策者提供基礎數據支撐。

1 換流閥冷卻系統的概況

1.1 換流閥冷卻系統的結構組成

換流閥是換流站的核心設備，目前在運的換流站中，換流閥額定電流最高達4 500 A。正常運行時，大電流通過換流閥產生大量熱量，導致晶閘管、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，需配置閥冷卻系統對換流閥進行冷卻。目前，閥冷卻系統包括閥內冷系統和閥外冷系統2部分。閥內冷系統是一個密閉的循環系統，它通過冷卻介質(通常采用去離子水)的流動帶走大電流通過換流閥時產生的熱量。閥外冷系統根據冷卻方式的不同可分為水冷和風冷2種方式。閥外水冷系統是一個開放式的水循環系統，用經過軟化處理的水通過冷卻塔持續對閥內水冷系統管道進行冷卻，以降低閥內冷卻水溫度；部分換流站由于受地區環境的影響也會采用閥外風冷系統，這種換流閥冷卻系統的結構如圖1所示。

圖1 換流閥冷卻系統(閥外風冷)的結構

1.2 換流閥冷卻系統故障的特點

換流閥冷卻系統主要在閥冷卻系統一次設備、閥冷控制保護系統和傳感器上存在問題。

(1) 閥冷卻系統一次設備存在的主要問題有：管道內殘留大量氣體、閥塔支路冷卻水管堵塞發熱、閥塔漏水、內冷卻水濾網堵塞、內冷卻水電導率高、外冷卻水補水過濾器堵塞、主泵機械密封滲漏水、外冷卻水管爆裂、冷卻塔結垢、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、主循環泵和噴淋泵故障等。

(2) 閥冷控制保護系統存在的主要問題有：變頻器故障、繼電器輔助節點脫離繼電器本體、繼電器故障、直流電源擾動、噴淋泵電源跳閘、保護定值設置不合理、切換邏輯不完善、閥冷控制器工作性能不穩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失效的原因，把系統的故障與組成系統的部件故障有機地聯系在一起。通過該方法可以找出系統全部可能的失效狀態，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的可靠性指標，其分析步驟如下。

(1) 選擇頂事件。一般選取系統的故障狀態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，對故障狀態進行分解，并用與門、或門或者選擇等邏輯關系符號進行連接，建立故障樹。

(3) 求故障樹的最小割集。設頂事件為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。當且僅當這些基本故障事件發生時，頂事件才發生，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生，則頂事件不發生，那么這個集合就稱為故障樹的最小割集。

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

故障樹分析法的關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，從而進行定性、定量的分析計算。

2.2 可靠性參數的計算方法

(1) 串聯系統的計算公式為：

其中，λ為元件故障率；μ為修復率；n為串聯的元件個數。

(2) 并聯系統的計算公式為：

其中，λ為元件故障率；μ為修復率；n為并聯的元件個數。

2.3 可靠性指標的計算方法

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

(2) 平均故障持續時間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 換流閥冷卻系統故障樹分析

根據目前換流閥冷卻系統的故障情況，在建立換流閥冷卻系統故障樹時，把換流閥冷卻系統的故障狀態作為頂事件，然后根據頂事件導出閥冷漏水故障、閥冷主泵故障、閥冷系統程序故障、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故障樹，如圖2所示。

根據上述換流閥冷卻系統故障原因的分類，以某換流站換流閥冷卻系統為例進行統計，總故障次數為16次，具體故障分布比例如表1所示。

表1 換流閥冷卻系統故障數據

根據表1所示的數據，可初步得知換流閥冷卻系統故障原因主要集中在設備機械部分及傳感器2方面。但這并不是全面反映換流閥冷卻系統運行可靠性的數據，而必須根據系統中每個抽樣樣本的統計特征，并結合可靠性評估方法計算系統的可靠性。根據資料可知，換流閥冷卻系統中具體設備部件發生的故障概率如表2所示。

圖2 換流閥冷卻系統故障樹

表2 換流閥冷卻系統故障樹基本事件的故障概率

3.2 可靠性參數及可靠性指標計算

根據故障樹分析法，采用上行法或下行法求得換流閥冷卻系統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，F1，F2，F3，F4}，故障樹的最小割集共計 23 個，均為一階最小割集。

則閥冷卻系統發生故障的概率為：

由此可得，換流閥冷卻系統的可靠度為：

換流閥冷卻系統的平均無故障工作時間為：

假設換流閥冷卻系統連續運轉，則該系統可無故障工作1.18年。

采用故障樹分析法對高壓直流換流閥冷卻系統進行可靠性分析，計算快捷、方便、可靠。由于故障樹分析法從引起系統失效的原因出發，列出了所有可能引起系統失效的事件，在實際工程應用時，只要獲得了換流閥冷卻系統基本事件的故障規律、故障率數據，就可計算出每個子系統或設備對系統可靠性指標的影響大小，為換流閥冷卻系統的改進提供可靠性建議。

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