白 雪，袁 越，吳博文，傅質馨，徐錦才

（1.河海大學能源與電氣學院，南京 210098；2.水利部農村電氣化研究所，杭州 310012）

按照國家水利部劃分的標準，裝機容量低于5萬kW的小型水電站稱為小水電。由于小水電站裝機規(guī)模偏小，建成年代較早，而建設初期的技術水平不太成熟，經(jīng)濟條件相對較差，存在自動化水平低，生產效率低下，企業(yè)安全管理不科學等現(xiàn)象[1]，因此經(jīng)過多年運行，出現(xiàn)了設備老化，機組運行年久失修，運行人員違章操作等現(xiàn)象。這使得很多小水電站存在不同程度的生產安全隱患，時刻影響著小水電事業(yè)的正常發(fā)展。而我國小水電的技術可開發(fā)量居世界第一位，廣泛分布在1 700多個山區(qū)縣，對水電服務偏遠山區(qū)，優(yōu)化生態(tài)環(huán)境發(fā)揮著重要作用。因此，小水電全面適用于我國可再生能源的相關優(yōu)惠政策，已建成的小水電站達到了4.5萬多座，裝機容量達5 100多萬kW[2]。

為了貫徹落實國務院提出的“安全第一，預防為主”的方針政策，圍繞中央1號文件《中共中央國務院關于加快水利改革發(fā)展的決定》精神，小水電協(xié)會提出了安全評價與安全管理的政策措施。從水能資源開發(fā)利用的監(jiān)管入手，制定了《水能資源開發(fā)利用管理辦法》、對各水電站開展安全年檢，對水電站的技術工作人員進行全面培訓并發(fā)放《農村水電人員從業(yè)資格證》[3]，提高水電站設備狀況和技術水平，加強小水電站的安全監(jiān)管力度。2010年9月，全國水電廠安全高效運行技術研討會在成都舉行?？梢姡覈鴮λ姲踩a運行越來越重視。

目前，關于小水電的安全生產方面的研究，重點是放在加大安全生產管理，提高水電站人員技術水平，以及抬高上網(wǎng)電價方面提出意見和措施。關于小水電設備安全性做出的具體分析評價還沒有文獻提出，因此本文對小水電電氣設備的安全可靠性進行風險評估。

風險分析是評估復雜而危險的設施失事可能性的先進方法，有助于找出降低失事風險的方式[4]。在實際工程的風險分析中，故障樹分析法最適合于描述確定的事件，利用組成系統(tǒng)的事件發(fā)生的概率來表示系統(tǒng)可靠程度，是一種既能歸納又能定量的分析方法[5-7]。

本文采用故障樹分析法，對我國某小水電站的供電可靠性進行研究，針對該小水電電氣主接線圖建立詳細的故障樹詳圖，對該小水電站的設備故障安全性進行定性分析。同時，通過最小割集法對所建立的故障樹中各電氣設備在小水電系統(tǒng)中的作用進行安全可靠性評價，采用實測數(shù)據(jù)進行定量的概率安全分析，找出影響該小水電站安全可靠性的關鍵設備，提出降低故障發(fā)生的方法。

1 安全評價的原理和方法

安全評價是運用定性或定量的方法，對建設項目或生產運行中所存在的危險和有害因素進行識別、分析及評估。其目的是通過查找，分析和預測工程、系統(tǒng)中存在的危險、有害因素及其危險程度，提出合理可行的安全對策措施，進行危險源監(jiān)控和事故預防，以達到最低事故率、減少損失[8]。

安全評價包括安全預評價、安全驗收評價、安全現(xiàn)狀綜合評價和專項安全評價。概率安全分析方法是70年代以后發(fā)展起來的一種系統(tǒng)工程安全評價方法。它采用系統(tǒng)可靠性評價技術和概率風險評價技術對復雜系統(tǒng)的各種可能事故的發(fā)生及其進程進行全面分析，從它們的發(fā)生故障概率以及造成的后果綜合進行研究[9][10]。故障樹分析是概率安全評價中系統(tǒng)分析的主要手段，是進行系統(tǒng)可靠性分析和安全性分析的一項重要工具。

2 故障樹的分析原理及規(guī)則

2.1 故障樹分析原理

故障樹分析法（fault tree analysis，F(xiàn)TA）是把系統(tǒng)故障事件作為頂事件，并以它為出發(fā)點，運用工程和邏輯的推理，研究引起這一事件的各種原因，包括元件的故障率、運行人員的誤操作和維修不當?shù)目赡苄?，以及其他外界條件等，然后根據(jù)各事件的先后次序及其因果關系建立邏輯關系[11]。用適當?shù)倪壿嬮T把頂事件、中間事件和底事件聯(lián)結成樹形圖，這種樹形圖稱為“故障樹”。

故障樹分析包括定性分析和定量分析兩個方面。其目的在于尋找導致頂事件發(fā)生的各種設備故障模式的組合[12，13]。

建造故障樹的基本規(guī)則如下：

（1）明確傳導干擾故障的對象和邊界條件；

（2）對系統(tǒng)或設備進行合理的假設，嚴格定義故障事件；

（3）自上而下逐層尋找故障發(fā)生的直接原因；

（4）避免門—門直接相連；

（5）用直接事件逐步取代間接事件；

（6）正確處理共因事件，使用相同的事件標注；

（7）區(qū)分并處理部件故障狀態(tài)與系統(tǒng)故障狀態(tài)；

2.2 故障樹概率計算數(shù)學模型

故障樹分析中“與”門的概率計算式為

“或”門的概率計算式[14]為

式中，Pi（i=1，2，…，N）為屬于該門的號事件的概率。

2.3 最小割集

結構函數(shù)和最小割集是故障樹分析的兩個重要概念，結構函數(shù)表達事件間的邏輯關系，最小割集是導致故障樹頂事件發(fā)生的數(shù)目不可再減少的基本事件的組合[15]。任何故障樹都是由有限數(shù)目的最小割集組成，它們對于給定的故障樹的頂事件來說是唯一的。通過求最小割集，就可以確定系統(tǒng)中所有需要考慮的故障停運組合，完成預想的事故選擇[16]。本文采用下行法求最小割集，從頂事件出發(fā)，根據(jù)邏輯關系分行表示?；蜷T將輸入事件列在不同行；與門將輸入事件排列在同一行。依次分解，直到找到不能再分的基本事件為止[17，18]。

3 小水電電氣設備故障的安全性評估

3.1 研究對象

本文研究我國某裝機容量為4×1 600 kW的小水電站，該小水電站有35 kV、10 kV兩種出線電壓級，與電力系統(tǒng)連接，其中10 kV升高電壓側主要供近區(qū)和廠壩區(qū)，35 kV側與外電網(wǎng)相連。選用2臺廠用變壓器，其中一臺引自發(fā)電機電壓母線，另一臺引自10 kV出線端，當一號廠變檢修或故障時，可由二號廠變供電。400 V廠用電母線分為兩段。其電氣主接線如圖1所示。

圖1 某小水電站電氣主接線Fig.1 Schematic diagram of main electrical wiring of a small hydropower

3.2 系統(tǒng)組成

壩頂配電室由廠用電供電，向廠用電供電的系統(tǒng)包括以下幾個部分：

35 kV供電系統(tǒng)，包括35 kV主外電網(wǎng)、廠內35 kV升壓站，主變壓器C7及相應隔離開關以及斷路器等；

水力發(fā)電系統(tǒng)，包括C23～C26號水力發(fā)電機、C18～C21號發(fā)電機出口斷路器、C13～C16號發(fā)電機隔離開關，6 kV母線等；

10 kV供電系統(tǒng)，包括廠內10 kV升壓站，近區(qū)變壓器C8及相應隔離開關以及斷路器等；

廠用變，1號廠用變壓器C27，2號廠用變電站C28，相應的隔離開關以及熔斷器等。

3.3 故障樹建模

3.3.1 建?？傮w假設

本系統(tǒng)分析中主要的假設如下：

（1）所有的系統(tǒng)被考慮為不可能修復系統(tǒng)；

（2）當發(fā)電機組運行正常時，全廠由發(fā)電機組和35 kV電網(wǎng)共同供電；

（3）當發(fā)電機組停機時，全廠由35 kV電網(wǎng)倒送電；

（4）當35 kV電網(wǎng)因故障停電時，全廠由發(fā)電機組供電；

（5）當全廠停電時，由35 kV電網(wǎng)倒送電；

（6）故障樹模型中不考慮附加柴油發(fā)電機組。

3.3.2 故障樹建立

由于電源來自壩頂配電室，因此系統(tǒng)研究對象為：壩頂配電室發(fā)生不能恢復供電的概率。

根據(jù)對小水電電氣主接線系統(tǒng)進行的研究，可以看出壩頂配電室是保證小水電站的電力可靠性的主要單元，因此將壩頂配電室定義為頂事件，每個電氣設備組件為基本事件。對整個小水電系統(tǒng)進行故障樹分析，它們彼此間的影響通過邏輯門連接并傳輸。頂事件和中間事件的描述如表1所示，基本事件的描述如表2所示。建立詳細的故障樹如圖2～圖10所示。

3.4 故障及影響分析

由圖2可以看出，導致頂事件小水電站配電室失電的原因包括：0.4 kV母線開關故障；饋送電到配電室的I、II段母線同時失電；廠用變投切開關拒開導致全廠失電，當故障發(fā)生時，投切開關未能及時的將故障點切除，導致全廠失電。I、II段母線同時失電包括I段母線失電，且II段母線失電。由圖3可以看出，導致I、II段母線故障原因包含母線上游的線路故障或者母聯(lián)開關發(fā)生故障，這都使得獨立的母線失電時另一條母線也不能對其進行供電。10 kV母線由發(fā)電單元和外電網(wǎng)進行供電，由圖4可以看出，當近區(qū)變壓器線路發(fā)生失電或者6 kV母線故障時都可能導致10 kV母線失電。由圖5可以看出，導致6 kV母線失電的原因則主要是發(fā)電單元故障或者母線上游發(fā)生故障，當主變線路或者近區(qū)變線路發(fā)生故障時，都會導致發(fā)電單元斷路器斷開，使得6 kV母線發(fā)生失電故障。而根據(jù)發(fā)生故障的邏輯關系進行分析驗證，證明影響35 kV供電系統(tǒng)的主要原因是由于外電網(wǎng)發(fā)生故障或者是連接外電網(wǎng)的開關故障導致的35kV供電系統(tǒng)故障。根據(jù)各基本事件發(fā)生的實測的概率數(shù)據(jù)，可以得出頂事件發(fā)生的概率為7.18×10-7，即按照小水電站壩頂配電室發(fā)生的故障概率基本符合小水電站的安全使用年限。

圖2 配電室供電失效故障樹Fig.2 Fault tree for power failure of distribution room

圖3 I段母線供電失效故障樹Fig.3 Fault tree for power failure of bus I

圖4 II段母線供電失效故障樹Fig.4 Fault tree for power failure of bus II

圖5 10 kV母線供電失效故障樹Fig.5 Fault tree for power failure of bus 10 kV breakers rejection open

圖6 35 kV外電網(wǎng)供電系統(tǒng)故障故障樹Fig.6 Fault tree for fault of external power supply system of 35 kV

圖7 6 kV母線供電失效故障樹Fig.7 Fault tree for power failure of bus 6 kV

圖8 發(fā)電單元供電失效故障樹Fig.8 Fault tree for power failure of generator units

圖9 主變開關拒開導致全廠失電Fig.9 Fault tree for main transformer breakers rejection of opening

圖10 近區(qū)變開關拒開導致全廠失電Fig.10 Fault tree for close-in transformer breakers rejection of opening

通過故障樹分析法的最小割集計算，定量的來分析故障設備在整個系統(tǒng)中的重要性，通過最小割集對整個故障樹的基本事件進行分組，得出最小割集計算如表3所示，可以看出主要開關設備影響著整個故障樹頂事件，發(fā)生的概率為8.84×10-8，占頂事件發(fā)生概率7.18×10-7的12.31%，是所有割集中發(fā)生概率最大的情況，故在整個電氣主接線系統(tǒng)中，起開關作用的開關設備是小水電站電氣設備中需要重點關注和維護的設備。隨著這些設備的磨損，老化，腐蝕等情況的不斷出現(xiàn)，將會使這些基本電氣設備的失事率進一步增高，也會使頂事件發(fā)生的概率進一步加大。

表1 故障樹基本事件故障參數(shù)Tab.1 Fault datas for selected basic events of the fault trees

表2 最小割集定量計算表Tab.2 Table for minimum cut set calculation

4 結語

故障樹分析是概率安全評價中進行系統(tǒng)分析的一個圖形化的方法，本文運用故障樹分析模型對一個小水電系統(tǒng)進行定性和定量的分析，評價小水電站電氣設備的故障安全性，最小割集反映了基本設備元件在供電系統(tǒng)中的重要作用。

由表2中可以看出1#廠變高壓側投切開關，近區(qū)變高壓側投切開關，近區(qū)變低壓側投切開關，母聯(lián)開關，2#廠變高壓側投切開關是重要的基本事件，對系統(tǒng)的安全可靠性具有重要影響。對所劃分的最小割集進行計算，可見概率最大的四組中全是開關設備，因此對小水電系統(tǒng)的開關設備進行檢修和維護，可以提高小水電站的電氣設備安全可靠運行。

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