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)

換流站閥冷卻系統可靠性分析與評估

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)

近年來換流閥冷卻系統頻繁故障導致直流系統單雙極閉鎖，其可靠性對跨區(qū)電網的穩(wěn)定運行影響非常大，然而相關文獻對高壓直流輸電系統進行可靠性評估時，凡涉及到閥冷卻系統均以故障忽略不計為參數假設進行研究，與工程實際情況有一定的偏差。文中結合了故障樹 (FTA)法，根據系統抽樣樣本的統計特征來獲得系統的可靠性參數，建立了換流閥冷卻系統可靠性模型，為決策者提供基礎數據支撐。

換流閥冷卻系統;故障樹;可靠性評估;串聯系統

2003～2010年間，跨區(qū)電網直流系統發(fā)生多起停運事故，國家電網所屬的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故障原因導致單雙極閉鎖就發(fā)生了18起，占全部事故總數的22.5%［1］。截止2011年11月，南方電網4條直流輸電系統因閥冷系統故障發(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。文獻［3］從元件層面說明高壓直流輸電系統可靠性影響程度，提出了直流系統元件可靠性靈敏度指標，結合故障樹法及頻率和持續(xù)時間法建立了高壓直流輸電系統元件可靠性靈敏度分析的組臺模型。文獻［4］根據直流系統設備的功能和失效模式對直流系統子系統進行重新劃分，提出了以系統狀態(tài)轉移抽樣模擬法為基礎，并結合解析法對高壓直流輸電系統進行可靠性評估的混合法，該方法先用解析法將含有備用相關性的設備簡化為等效子系統，然后再對簡化后的整個直流系統可靠性模型利用模擬法得到系統的可靠性指標。閥冷卻系統作為直流系統重要的輔助設備，文獻［3］和［4］都未對直流輸電系統中的冷卻系統進行可靠性評估，這是因為高壓直流輸電系統可靠性評估、元件可靠性靈敏度分析通常以部分元件或子系統故障忽略不計為參數假設進行研究，而對于工程實際情況而言，部分元件或子系統的可靠性是一個重要因素，一旦出現故障將會導致直流閉鎖，對電網產生極大的危害。文獻［4］和［5］采用故障樹方法對具體設備進行分析，提出了提升系統運行可靠性的相關措施，有很高的借鑒意義。所以，本文以換流站閥冷卻系統為研究對象，針對閥冷卻系統結構、運行方式，根據系統抽樣樣本的統計特征建立了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 換流閥冷卻系統概況

1.1 換流閥冷卻系統結構

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已達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、電抗器等器件溫度急劇上升，為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兩部分。閥內冷系統是一個密閉的循環(huán)系統，它通過冷卻介質的流動帶走換流閥產生的熱量，其冷卻介質通常采用去離子水;閥外冷系統根據冷卻方式的不同，可分為水冷和風冷兩種形式。閥外水冷系統是一個開放式的水循環(huán)系統，用經過軟化處理的水通過冷卻塔持續(xù)對閥內水冷系統管道進行冷卻，降低閥內水冷溫度。由于受地區(qū)環(huán)境影響，部分換流站采用閥外風冷系統，如靈寶背靠背換流站，使用大功率風扇對閥內水冷管道進行吹拂冷卻，具體結構如圖1所示。

圖1 換流閥冷卻系統簡圖

1.2 換流閥冷卻系統故障特點

根據換流閥冷卻系統運行情況的統計結果，閥冷系統存在的問題主要分為閥冷系統一次設備、閥冷控制保護系統、傳感器三大類。

a. 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(fā)熱、閥塔漏水、內冷水濾網堵塞、內冷水電導率高、外冷水補水過濾器堵塞、主泵機械密封滲漏水、外冷水管爆裂、冷卻塔結垢、外冷水池流入閥冷卻室噴淋泵泵坑、管道閥門滲漏水、主循環(huán)泵和噴淋泵故障。例如2007年9月5日葛洲壩站因長期振動導致極2內冷水系統1號主泵軸承損壞、陶瓷密封圈破裂漏水，閥漏水保護動作，極2強迫停運。

b. 閥冷控制保護系統存在的主要問題有變頻器故障、繼電器輔助觸點脫離繼電器本體、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(wěn)定和抗干擾性能差等。例如2010年12月3日銀川東站2臺主泵定期切換時，過流定值未躲過由變頻切換工頻時的啟動電流，造成兩套內水冷循環(huán)泵開關相繼跳閘，極1強迫停運。

c. 傳感器存在的主要問題有傳感器故障、傳感器工作不穩(wěn)定、傳感器電氣部分松動等。例如2005年10月15日鵝城站極1內冷水保護A系統閥出水溫度傳感器E1.BT1故障，引起溫度測量誤差，內冷水出水溫度保護在動作出口前未進行系統切換，極1強迫停運。

2 可靠性評估方法

2.1 FTA 法

故障樹分析法 (Fault Tree Analysis，FTA)是一種使用圖形演繹邏輯推理方法，用圖說明系統的失效原因，把系統的故障與組成系統的部件故障有機地聯系在一起，可以找出系統全部可能的失效狀態(tài)，也就是故障樹的全部最小割集，或者稱它們是系統的故障譜，最后利用故障樹分析計算系統可靠性指標，其分析過程如圖2所示。

圖2 故障樹法分析流程

其分析步驟如下。

a. 選擇頂事件，一般選取系統的故障狀態(tài)作為故障樹的頂事件。

b. 建立故障樹。從故障樹的頂事件開始，對故障狀態(tài)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。

c. 求故障樹最小割集。設故障樹T，集合B1，B2，…，Bm，滿足:

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

d. 求出故障樹的所有最小割集后，則可以計算頂事件發(fā)生的概率為

故障樹分析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、定量分析計算。

2.2 可靠性參數有關計算

a. 串聯系統

式中:λ為元件故障率;μ為修復率;n為串聯的元件個數。式中:n為并聯的元件個數。

2.3 可靠性指標

a. 平均無故障運行時間MTBF(Mean Time Between Failure)，以tMTBF表示。

b. 平均故障持續(xù)時間 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。

各指標計算如下:

3 分析與計算

3.1 HVDC換流閥冷卻系統故障樹

根據目前換流閥冷卻系統的故障情況，在建立閥冷卻系統故障樹時，把閥冷卻系統導致直流閉鎖的故障作為底事件，然后根據底事件導出6個系統事件。分別是閥冷漏水故障、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、傳感器故障等。這6個事件屬于中間事件，然后再由這6個中間事件導出23個基本事件，最后將這一系列事件組成邏輯圖，即形成閥冷系統故障樹，如圖3所示。

圖3 閥冷系統故障樹

表1 閥冷卻系統故障原始數據

根據上述設備缺陷分類，以某換流站閥冷卻系統為例進行缺陷統計，總缺陷數為16項，則具體缺陷分布比例如表1所示。

根據表1所示數據，只能初步得知閥冷冷卻系統故障率主要集中在設備機械部分及傳感器兩方面，不能全面反映閥冷系統運行的可靠性數據，必須根據系統中每個抽樣樣本統計特征，并結合可靠性評估方法計算系統的可靠性。表2所列基本事件對應的故障概率數據來源于文獻 ［7～10］，表示閥冷卻系統中具體設備部件發(fā)生的故障概率。

3.2 故障樹評定

根據FTA計算法，采用上行法或下行法很容易求得變壓器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}

故障樹最小割集共計23個，均為一階最小割集。

由式 (2)可得閥冷卻系統發(fā)生故障的概率為

由此可得閥冷卻系統的可靠度為

表2 閥冷卻系統故障樹的基本事件及故障概率

若以閥冷卻系統連續(xù)運轉為計算，則系統可無故障工作1.18年。

4 結束語

本文基于故障樹分析的方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FTA法從引起系統失效的原因出發(fā)，列出了所有可能引起系統失效的事件，在實際工程應用時，只要獲得了閥冷卻系統基本部件的故障規(guī)律、故障率數據，就可計算出每個子系統或設備對統可靠性指標的影響大小，為換流閥冷卻系統的改進提供一些可靠性建議。

［1］ 國家電網公司.直流換流站2003～2010年單雙極閉鎖統計匯編 ［G］.2010.

［2］ 南方電網公司.南網直流閥冷系統運行情況 ［G］.2011.

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［5］ 劉遠超.淺談故障樹分析方法及其在熱電廠中的應用［J］.東北電力技術，2004，25(7):28-30.

［6］ 陳 剛.電力變壓器典型故障及其演變［J］.東北電力技術，2002，23(4):5-8.

［7］ 劉惟信.機械可靠性分析 ［M］.北京:清華大學出版社，2005.

［8］ 陳敏樣.電動機壽命分布分析和可靠性估計 ［J］.電機與控制學報，1998，1(2):88-91.

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［10］ 褚慶忠.電機可靠性評估的若干問題 ［J］.防爆電機，1999(4):1-15.

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，換流站運行維護工作。

2013-12-20)