小水电电气设备安全性分析

白 雪，袁 越，吴博文，傅质馨，徐锦才

（1.河海大学能源与电气学院，南京 210098；2.水利部农村电气化研究所，杭州 310012）

按照国家水利部划分的标准，装机容量低于5万kW的小型水电站称为小水电。由于小水电站装机规模偏小，建成年代较早，而建设初期的技术水平不太成熟，经济条件相对较差，存在自动化水平低，生产效率低下，企业安全管理不科学等现象[1]，因此经过多年运行，出现了设备老化，机组运行年久失修，运行人员违章操作等现象。这使得很多小水电站存在不同程度的生产安全隐患，时刻影响着小水电事业的正常发展。而我国小水电的技术可开发量居世界第一位，广泛分布在1 700多个山区县，对水电服务偏远山区，优化生态环境发挥着重要作用。因此，小水电全面适用于我国可再生能源的相关优惠政策，已建成的小水电站达到了4.5万多座，装机容量达5 100多万kW[2]。

为了贯彻落实国务院提出的“安全第一，预防为主”的方针政策，围绕中央1号文件《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》精神，小水电协会提出了安全评价与安全管理的政策措施。从水能资源开发利用的监管入手，制定了《水能资源开发利用管理办法》、对各水电站开展安全年检，对水电站的技术工作人员进行全面培训并发放《农村水电人员从业资格证》[3]，提高水电站设备状况和技术水平，加强小水电站的安全监管力度。2010年9月，全国水电厂安全高效运行技术研讨会在成都举行。可见，我国对水电安全生产运行越来越重视。

目前，关于小水电的安全生产方面的研究，重点是放在加大安全生产管理，提高水电站人员技术水平，以及抬高上网电价方面提出意见和措施。关于小水电设备安全性做出的具体分析评价还没有文献提出，因此本文对小水电电气设备的安全可靠性进行风险评估。

风险分析是评估复杂而危险的设施失事可能性的先进方法，有助于找出降低失事风险的方式[4]。在实际工程的风险分析中，故障树分析法最适合于描述确定的事件，利用组成系统的事件发生的概率来表示系统可靠程度，是一种既能归纳又能定量的分析方法[5-7]。

本文采用故障树分析法，对我国某小水电站的供电可靠性进行研究，针对该小水电电气主接线图建立详细的故障树详图，对该小水电站的设备故障安全性进行定性分析。同时，通过最小割集法对所建立的故障树中各电气设备在小水电系统中的作用进行安全可靠性评价，采用实测数据进行定量的概率安全分析，找出影响该小水电站安全可靠性的关键设备，提出降低故障发生的方法。

1 安全评价的原理和方法

安全评价是运用定性或定量的方法，对建设项目或生产运行中所存在的危险和有害因素进行识别、分析及评估。其目的是通过查找，分析和预测工程、系统中存在的危险、有害因素及其危险程度，提出合理可行的安全对策措施，进行危险源监控和事故预防，以达到最低事故率、减少损失[8]。

安全评价包括安全预评价、安全验收评价、安全现状综合评价和专项安全评价。概率安全分析方法是70年代以后发展起来的一种系统工程安全评价方法。它采用系统可靠性评价技术和概率风险评价技术对复杂系统的各种可能事故的发生及其进程进行全面分析，从它们的发生故障概率以及造成的后果综合进行研究[9][10]。故障树分析是概率安全评价中系统分析的主要手段，是进行系统可靠性分析和安全性分析的一项重要工具。

2 故障树的分析原理及规则

2.1 故障树分析原理

故障树分析法（fault tree analysis，FTA）是把系统故障事件作为顶事件，并以它为出发点，运用工程和逻辑的推理，研究引起这一事件的各种原因，包括元件的故障率、运行人员的误操作和维修不当的可能性，以及其他外界条件等，然后根据各事件的先后次序及其因果关系建立逻辑关系[11]。用适当的逻辑门把顶事件、中间事件和底事件联结成树形图，这种树形图称为“故障树”。

故障树分析包括定性分析和定量分析两个方面。其目的在于寻找导致顶事件发生的各种设备故障模式的组合[12，13]。

建造故障树的基本规则如下：

（1）明确传导干扰故障的对象和边界条件；

（2）对系统或设备进行合理的假设，严格定义故障事件；

（3）自上而下逐层寻找故障发生的直接原因；

（4）避免门—门直接相连；

（5）用直接事件逐步取代间接事件；

（6）正确处理共因事件，使用相同的事件标注；

（7）区分并处理部件故障状态与系统故障状态；

2.2 故障树概率计算数学模型

故障树分析中“与”门的概率计算式为

“或”门的概率计算式[14]为

式中，Pi（i=1，2，…，N）为属于该门的号事件的概率。

2.3 最小割集

结构函数和最小割集是故障树分析的两个重要概念，结构函数表达事件间的逻辑关系，最小割集是导致故障树顶事件发生的数目不可再减少的基本事件的组合[15]。任何故障树都是由有限数目的最小割集组成，它们对于给定的故障树的顶事件来说是唯一的。通过求最小割集，就可以确定系统中所有需要考虑的故障停运组合，完成预想的事故选择[16]。本文采用下行法求最小割集，从顶事件出发，根据逻辑关系分行表示。或门将输入事件列在不同行；与门将输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为止[17，18]。

3 小水电电气设备故障的安全性评估

3.1 研究对象

本文研究我国某装机容量为4×1 600 kW的小水电站，该小水电站有35 kV、10 kV两种出线电压级，与电力系统连接，其中10 kV升高电压侧主要供近区和厂坝区，35 kV侧与外电网相连。选用2台厂用变压器，其中一台引自发电机电压母线，另一台引自10 kV出线端，当一号厂变检修或故障时，可由二号厂变供电。400 V厂用电母线分为两段。其电气主接线如图1所示。

图1 某小水电站电气主接线Fig.1 Schematic diagram of main electrical wiring of a small hydropower

3.2 系统组成

坝顶配电室由厂用电供电，向厂用电供电的系统包括以下几个部分：

35 kV供电系统，包括35 kV主外电网、厂内35 kV升压站，主变压器C7及相应隔离开关以及断路器等；

水力发电系统，包括C23～C26号水力发电机、C18～C21号发电机出口断路器、C13～C16号发电机隔离开关，6 kV母线等；

10 kV供电系统，包括厂内10 kV升压站，近区变压器C8及相应隔离开关以及断路器等；

厂用变，1号厂用变压器C27，2号厂用变电站C28，相应的隔离开关以及熔断器等。

3.3 故障树建模

3.3.1 建模总体假设

本系统分析中主要的假设如下：

（1）所有的系统被考虑为不可能修复系统；

（2）当发电机组运行正常时，全厂由发电机组和35 kV电网共同供电；

（3）当发电机组停机时，全厂由35 kV电网倒送电；

（4）当35 kV电网因故障停电时，全厂由发电机组供电；

（5）当全厂停电时，由35 kV电网倒送电；

（6）故障树模型中不考虑附加柴油发电机组。

3.3.2 故障树建立

由于电源来自坝顶配电室，因此系统研究对象为：坝顶配电室发生不能恢复供电的概率。

根据对小水电电气主接线系统进行的研究，可以看出坝顶配电室是保证小水电站的电力可靠性的主要单元，因此将坝顶配电室定义为顶事件，每个电气设备组件为基本事件。对整个小水电系统进行故障树分析，它们彼此间的影响通过逻辑门连接并传输。顶事件和中间事件的描述如表1所示，基本事件的描述如表2所示。建立详细的故障树如图2～图10所示。

3.4 故障及影响分析

由图2可以看出，导致顶事件小水电站配电室失电的原因包括：0.4 kV母线开关故障；馈送电到配电室的I、II段母线同时失电；厂用变投切开关拒开导致全厂失电，当故障发生时，投切开关未能及时的将故障点切除，导致全厂失电。I、II段母线同时失电包括I段母线失电，且II段母线失电。由图3可以看出，导致I、II段母线故障原因包含母线上游的线路故障或者母联开关发生故障，这都使得独立的母线失电时另一条母线也不能对其进行供电。10 kV母线由发电单元和外电网进行供电，由图4可以看出，当近区变压器线路发生失电或者6 kV母线故障时都可能导致10 kV母线失电。由图5可以看出，导致6 kV母线失电的原因则主要是发电单元故障或者母线上游发生故障，当主变线路或者近区变线路发生故障时，都会导致发电单元断路器断开，使得6 kV母线发生失电故障。而根据发生故障的逻辑关系进行分析验证，证明影响35 kV供电系统的主要原因是由于外电网发生故障或者是连接外电网的开关故障导致的35kV供电系统故障。根据各基本事件发生的实测的概率数据，可以得出顶事件发生的概率为7.18×10-7，即按照小水电站坝顶配电室发生的故障概率基本符合小水电站的安全使用年限。

图2 配电室供电失效故障树Fig.2 Fault tree for power failure of distribution room

图3 I段母线供电失效故障树Fig.3 Fault tree for power failure of bus I

图4 II段母线供电失效故障树Fig.4 Fault tree for power failure of bus II

图5 10 kV母线供电失效故障树Fig.5 Fault tree for power failure of bus 10 kV breakers rejection open

图6 35 kV外电网供电系统故障故障树Fig.6 Fault tree for fault of external power supply system of 35 kV

图7 6 kV母线供电失效故障树Fig.7 Fault tree for power failure of bus 6 kV

图8 发电单元供电失效故障树Fig.8 Fault tree for power failure of generator units

图9 主变开关拒开导致全厂失电Fig.9 Fault tree for main transformer breakers rejection of opening

图10 近区变开关拒开导致全厂失电Fig.10 Fault tree for close-in transformer breakers rejection of opening

通过故障树分析法的最小割集计算，定量的来分析故障设备在整个系统中的重要性，通过最小割集对整个故障树的基本事件进行分组，得出最小割集计算如表3所示，可以看出主要开关设备影响着整个故障树顶事件，发生的概率为8.84×10-8，占顶事件发生概率7.18×10-7的12.31%，是所有割集中发生概率最大的情况，故在整个电气主接线系统中，起开关作用的开关设备是小水电站电气设备中需要重点关注和维护的设备。随着这些设备的磨损，老化，腐蚀等情况的不断出现，将会使这些基本电气设备的失事率进一步增高，也会使顶事件发生的概率进一步加大。

表1 故障树基本事件故障参数Tab.1 Fault datas for selected basic events of the fault trees

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

4 结语

故障树分析是概率安全评价中进行系统分析的一个图形化的方法，本文运用故障树分析模型对一个小水电系统进行定性和定量的分析，评价小水电站电气设备的故障安全性，最小割集反映了基本设备元件在供电系统中的重要作用。

由表2中可以看出1#厂变高压侧投切开关，近区变高压侧投切开关，近区变低压侧投切开关，母联开关，2#厂变高压侧投切开关是重要的基本事件，对系统的安全可靠性具有重要影响。对所划分的最小割集进行计算，可见概率最大的四组中全是开关设备，因此对小水电系统的开关设备进行检修和维护，可以提高小水电站的电气设备安全可靠运行。

[1]赵鑫，张向军，刘天寿，等（Zhao Xin，Zhang Xiangjun，Liu Tianshou，et al）.基于 AJAX技术的小水电站运行效率监测系统设计与实现（Design and implementation of small hydropower station efficiency supervisory system based on AJAX）[J].电力系统保护与控制（Power System Protection and Control），2009，37（2）：83-87.

[2]徐锦才，周丽娜（Xu Jincai，Zhou Lina）.浅谈我国农村水电安全保障问题（On the security failures problem of rural hydropower）[J]. 小 水 电 （Small Hydro Power），2010，152（2）：72-74.

[3]徐锦才，章文裕（Xu Jincai，Zhang Wenyu）.行使水能资源开发管理职责做好农村水电安全监管工作（Driving water resources development and management responsibil－ities and control rural hydropower safety）[J].小水电（Small Hydro Power），2009，148（4）：24-27.

[4]罗云.风险分析与安全评价 [M].北京：化学工业出版社，2010.

[5]Bono R，Alexander R，Dorman A，et al.Analyzing reliability-a simple yet rigorous approach[J].IEEE Trans on Industry Applications，2004，40（4）：950-957.

[6]Batzias F A，Siontorou C C.Investigating the causes of biosensor SNR decrease by means of fault tree analysis[J].IEEE Transon Instrumentation and Measurement，2005，54（4）：1395-1406.

[7]Vaurio J K.Treatment of general dependencies in system fault-tree and risk analysis[J].IEEE Trans on Reliability，2002，51（3）：278-287.

[8]王伯乐.水电建设工程安全评价与安全管理[M].北京：中国电力出版社，2006.

[9]管霖，郑传材（Guan Lin，Zheng Chuancai）.线路 N-K 停运机理及其概率模型（Transmission line N-K outage mechanism and its probability model）[J].电力系统及其自动化学报 （Proceedings of the CSU-EPSA），2009，21（4）：115-119.

[10]曹一家，刘美君，丁理杰，等（Cao Yijia，Liu Meijun，Ding Lijie，et al）.大电网安全性评估的系统复杂性理论研究（Research on system complexity theory for security evaluation of large power grids）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2007，19（1）：1-8.

[11]高明，李文云，袁德君，等（Gao Ming，Li Wenyun，Yuan Dejun，et al）.使用故障树理论对电网调度自动化系统应急预案完备度的量化分析（Completeness degree quantitative analysis of dispatching automation system emergency preplan based on FTA）[J].电力系统保护与控制（Power System Protection and Control），2010，38（17）：58-63，69.

[12]Hong Ying-Yi，Lee Lun-Hui.Reliability assessment of generation and transmission systems using fault-tree analysis[J].Energy Conversion and Management，2009，50（11）：2810-2817.

[13]Volkanovski A，Cepin M，Mavko B.Application of the fault tree analysis for assessment of power system reliability[J].Reliability Engineering and System Safety，2009，94（6）：1116-1127.

[14]杨淑英，赵凯（Yang Shuying，Zhao Kai）.基于 FTA 法的变压器故障分析（Transformer faults analysis based on FTA）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2007，19（3）：96-99.

[15]牛东晓，刘达，邢棉.应对灾害-电网危机管理[M].北京：中国电力出版社，2010.

[16]郭永基.电力系统可靠性分析[M].北京：清华大学出版社，2003.

[17]祁彦鹏，张焰，余建平，等（Qi Yanpeng，Zhang Yan，Yu Jianping，et al）.配电系统可靠性分析的最小割集-网络等值法（Application of minimum-cutset and network-equivalent method in distribution system reliability analysis）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2011，23（2）：98-104.

[18]杨洋，谢开贵，孙鑫（Yang Yang，Xie Kaigui，Sun Xin）.基于FTA法的宁夏电网运行元件故障率分析（Operating component failure rate analysis based on FTA for power system）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2009，37（18）：134-137，141.