高压直流输电换流阀冷却系统可靠性评估

姜海波，翟 宾，贺新征，罗朝华

（国网河南省电力公司检修公司, 河南 郑州 450000）

随着跨区联网的需要，高压直流输电工程日益增多，其可靠性已成为影响整个电力系统安全运行的重要因素。2003—2010年，跨区电网直流系统发生多起停运事故，国家电网公司所属的12座换流站共发生直流闭锁事故80起，其中因换流阀冷却系统故障而导致的单双极闭锁事故有18起，占事故总数的22.5 %。截至2011年11月，南方电网公司4条直流输电系统因换流阀冷却系统故障而发生的单双极直流闭锁事故有22起。下文以高压直流输电换流阀冷却系统为研究对象，针对换流阀冷却系统的结构组成、运行方式，运用故障树分析(fault tree analysis，FTA)法，建立换流阀冷却系统可靠性模型，为决策者提供基础数据支撑。

1 换流阀冷却系统的概况

1.1 换流阀冷却系统的结构组成

换流阀是换流站的核心设备，目前在运的换流站中，换流阀额定电流最高达4 500 A。正常运行时，大电流通过换流阀产生大量热量，导致晶闸管、电抗器等元件温度急剧上升，为了防止这些元件因温度过高而损坏，需配置阀冷却系统对换流阀进行冷却。目前，阀冷却系统包括阀内冷系统和阀外冷系统2部分。阀内冷系统是一个密闭的循环系统，它通过冷却介质(通常采用去离子水)的流动带走大电流通过换流阀时产生的热量。阀外冷系统根据冷却方式的不同可分为水冷和风冷2种方式。阀外水冷系统是一个开放式的水循环系统，用经过软化处理的水通过冷却塔持续对阀内水冷系统管道进行冷却，以降低阀内冷却水温度；部分换流站由于受地区环境的影响也会采用阀外风冷系统，这种换流阀冷却系统的结构如图1所示。

图1 换流阀冷却系统(阀外风冷)的结构

1.2 换流阀冷却系统故障的特点

换流阀冷却系统主要在阀冷却系统一次设备、阀冷控制保护系统和传感器上存在问题。

(1) 阀冷却系统一次设备存在的主要问题有：管道内残留大量气体、阀塔支路冷却水管堵塞发热、阀塔漏水、内冷却水滤网堵塞、内冷却水电导率高、外冷却水补水过滤器堵塞、主泵机械密封渗漏水、外冷却水管爆裂、冷却塔结垢、外冷却水从水池流入阀冷却室喷淋泵泵坑、管道阀门渗漏水、主循环泵和喷淋泵故障等。

(2) 阀冷控制保护系统存在的主要问题有：变频器故障、继电器辅助节点脱离继电器本体、继电器故障、直流电源扰动、喷淋泵电源跳闸、保护定值设置不合理、切换逻辑不完善、阀冷控制器工作性能不稳定和抗干扰性能差等。

(3) 传感器存在的主要问题有：传感器故障、传感器工作不稳定、传感器电气部分松动等。

2 可靠性评估方法与计算

2.1 故障树分析法

故障树分析法是一种使用图形演绎逻辑推理的方法，该方法用图说明系统失效的原因，把系统的故障与组成系统的部件故障有机地联系在一起。通过该方法可以找出系统全部可能的失效状态，即故障树的全部最小割集，最后利用故障树分析法计算系统的可靠性指标，其分析步骤如下。

(1) 选择顶事件。一般选取系统的故障状态作为故障树的顶事件。

(2) 建立故障树。从故障树的顶事件开始，对故障状态进行分解，并用与门、或门或者选择等逻辑关系符号进行连接，建立故障树。

(3) 求故障树的最小割集。设顶事件为T，集合B1，B2……Bm满足:

上式中，Bi={Xi1，Xi2……Xik}是基本故障事件的集合。当且仅当这些基本故障事件发生时，顶事件才发生，则这一集合称为故障树的一个割集；如果集合中任意一个事件不发生，则顶事件不发生，那么这个集合就称为故障树的最小割集。

（4） 系统可靠性定量评估。求出故障树的所有最小割集后，计算顶事件发生的概率为:

故障树分析法的关键是求解故障树的最小割集、最小路集、不交化最小割集或不交化最小路集，从而进行定性、定量的分析计算。

2.2 可靠性参数的计算方法

(1) 串联系统的计算公式为：

其中，λ为元件故障率；µ为修复率；n为串联的元件个数。

(2) 并联系统的计算公式为：

其中，λ为元件故障率；µ为修复率；n为并联的元件个数。

2.3 可靠性指标的计算方法

(1) 平均无故障运行时间MTBF(mean time between failure),以tMTBF表示。

(2) 平均故障持续时间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。各指标计算公式为：tMTBF=1/λ，tMDT=1/µ，εUA=λ/(λ+µ)，εA=1-εUA。

3 实例分析与计算

3.1 换流阀冷却系统故障树分析

根据目前换流阀冷却系统的故障情况，在建立换流阀冷却系统故障树时，把换流阀冷却系统的故障状态作为顶事件，然后根据顶事件导出阀冷漏水故障、阀冷主泵故障、阀冷系统程序故障、电源及回路故障、CPU模块及继电器故障、传感器故障6个中间事件，再由这6个中间事件导出23个基本事件，最后将这一系列事件列成逻辑图，即形成换流阀冷却系统故障树，如图2所示。

根据上述换流阀冷却系统故障原因的分类，以某换流站换流阀冷却系统为例进行统计，总故障次数为16次，具体故障分布比例如表1所示。

表1 换流阀冷却系统故障数据

根据表1所示的数据，可初步得知换流阀冷却系统故障原因主要集中在设备机械部分及传感器2方面。但这并不是全面反映换流阀冷却系统运行可靠性的数据，而必须根据系统中每个抽样样本的统计特征，并结合可靠性评估方法计算系统的可靠性。根据资料可知，换流阀冷却系统中具体设备部件发生的故障概率如表2所示。

图2 换流阀冷却系统故障树

表2 换流阀冷却系统故障树基本事件的故障概率

3.2 可靠性参数及可靠性指标计算

根据故障树分析法，采用上行法或下行法求得换流阀冷却系统故障树的最小割集为:

B={A1，A2，A3，A4，A5，A6，B1，B2，B3，B4，C1，C2，C3，D1，D2，D3，D4，E1，E2，F1，F2，F3，F4}，故障树的最小割集共计 23 个，均为一阶最小割集。

则阀冷却系统发生故障的概率为：

由此可得，换流阀冷却系统的可靠度为：

换流阀冷却系统的平均无故障工作时间为：

假设换流阀冷却系统连续运转，则该系统可无故障工作1.18年。

采用故障树分析法对高压直流换流阀冷却系统进行可靠性分析，计算快捷、方便、可靠。由于故障树分析法从引起系统失效的原因出发，列出了所有可能引起系统失效的事件，在实际工程应用时，只要获得了换流阀冷却系统基本事件的故障规律、故障率数据，就可计算出每个子系统或设备对系统可靠性指标的影响大小，为换流阀冷却系统的改进提供可靠性建议。

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