换流站阀冷却系统可靠性分析与评估

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)

换流站阀冷却系统可靠性分析与评估

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)

近年来换流阀冷却系统频繁故障导致直流系统单双极闭锁，其可靠性对跨区电网的稳定运行影响非常大，然而相关文献对高压直流输电系统进行可靠性评估时，凡涉及到阀冷却系统均以故障忽略不计为参数假设进行研究，与工程实际情况有一定的偏差。文中结合了故障树 (FTA)法，根据系统抽样样本的统计特征来获得系统的可靠性参数，建立了换流阀冷却系统可靠性模型，为决策者提供基础数据支撑。

换流阀冷却系统;故障树;可靠性评估;串联系统

2003～2010年间，跨区电网直流系统发生多起停运事故，国家电网所属的12座换流站共发生80起直流闭锁，其中仅换流阀冷却系统故障原因导致单双极闭锁就发生了18起，占全部事故总数的22.5%［1］。截止2011年11月，南方电网4条直流输电系统因阀冷系统故障发生直流闭锁事件22次，其中单极闭锁21次，双极闭锁1次［2］。

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。文献［3］从元件层面说明高压直流输电系统可靠性影响程度，提出了直流系统元件可靠性灵敏度指标，结合故障树法及频率和持续时间法建立了高压直流输电系统元件可靠性灵敏度分析的组台模型。文献［4］根据直流系统设备的功能和失效模式对直流系统子系统进行重新划分，提出了以系统状态转移抽样模拟法为基础，并结合解析法对高压直流输电系统进行可靠性评估的混合法，该方法先用解析法将含有备用相关性的设备简化为等效子系统，然后再对简化后的整个直流系统可靠性模型利用模拟法得到系统的可靠性指标。阀冷却系统作为直流系统重要的辅助设备，文献［3］和［4］都未对直流输电系统中的冷却系统进行可靠性评估，这是因为高压直流输电系统可靠性评估、元件可靠性灵敏度分析通常以部分元件或子系统故障忽略不计为参数假设进行研究，而对于工程实际情况而言，部分元件或子系统的可靠性是一个重要因素，一旦出现故障将会导致直流闭锁，对电网产生极大的危害。文献［4］和［5］采用故障树方法对具体设备进行分析，提出了提升系统运行可靠性的相关措施，有很高的借鉴意义。所以，本文以换流站阀冷却系统为研究对象，针对阀冷却系统结构、运行方式，根据系统抽样样本的统计特征建立了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 换流阀冷却系统概况

1.1 换流阀冷却系统结构

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已达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、电抗器等器件温度急剧上升，为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两部分。阀内冷系统是一个密闭的循环系统，它通过冷却介质的流动带走换流阀产生的热量，其冷却介质通常采用去离子水;阀外冷系统根据冷却方式的不同，可分为水冷和风冷两种形式。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，降低阀内水冷温度。由于受地区环境影响，部分换流站采用阀外风冷系统，如灵宝背靠背换流站，使用大功率风扇对阀内水冷管道进行吹拂冷却，具体结构如图1所示。

图1 换流阀冷却系统简图

1.2 换流阀冷却系统故障特点

根据换流阀冷却系统运行情况的统计结果，阀冷系统存在的问题主要分为阀冷系统一次设备、阀冷控制保护系统、传感器三大类。

a. 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、内冷水滤网堵塞、内冷水电导率高、外冷水补水过滤器堵塞、主泵机械密封渗漏水、外冷水管爆裂、冷却塔结垢、外冷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。例如2007年9月5日葛洲坝站因长期振动导致极2内冷水系统1号主泵轴承损坏、陶瓷密封圈破裂漏水，阀漏水保护动作，极2强迫停运。

b. 阀冷控制保护系统存在的主要问题有变频器故障、继电器辅助触点脱离继电器本体、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。例如2010年12月3日银川东站2台主泵定期切换时，过流定值未躲过由变频切换工频时的启动电流，造成两套内水冷循环泵开关相继跳闸，极1强迫停运。

c. 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。例如2005年10月15日鹅城站极1内冷水保护A系统阀出水温度传感器E1.BT1故障，引起温度测量误差，内冷水出水温度保护在动作出口前未进行系统切换，极1强迫停运。

2 可靠性评估方法

2.1 FTA 法

故障树分析法 (Fault Tree Analysis，FTA)是一种使用图形演绎逻辑推理方法，用图说明系统的失效原因，把系统的故障与组成系统的部件故障有机地联系在一起，可以找出系统全部可能的失效状态，也就是故障树的全部最小割集，或者称它们是系统的故障谱，最后利用故障树分析计算系统可靠性指标，其分析过程如图2所示。

图2 故障树法分析流程

其分析步骤如下。

a. 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。

b. 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。

c. 求故障树最小割集。设故障树T，集合B1，B2，…，Bm，满足:

式中:Bi={xi1，xi2，…，xik}是基本故障事件的集合，当且仅当在这些基本故障事件刚发生时，顶事件才能发生，则这一集合为故障树的一个割集。如果集合中任意一个事件不发生，顶事件也不再发生，则这个集合为故障树的最小割集。

d. 求出故障树的所有最小割集后，则可以计算顶事件发生的概率为

故障树分析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、定量分析计算。

2.2 可靠性参数有关计算

a. 串联系统

式中:λ为元件故障率;μ为修复率;n为串联的元件个数。式中:n为并联的元件个数。

2.3 可靠性指标

a. 平均无故障运行时间MTBF(Mean Time Between Failure)，以tMTBF表示。

b. 平均故障持续时间 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。

各指标计算如下:

3 分析与计算

3.1 HVDC换流阀冷却系统故障树

根据目前换流阀冷却系统的故障情况，在建立阀冷却系统故障树时，把阀冷却系统导致直流闭锁的故障作为底事件，然后根据底事件导出6个系统事件。分别是阀冷漏水故障、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、传感器故障等。这6个事件属于中间事件，然后再由这6个中间事件导出23个基本事件，最后将这一系列事件组成逻辑图，即形成阀冷系统故障树，如图3所示。

图3 阀冷系统故障树

表1 阀冷却系统故障原始数据

根据上述设备缺陷分类，以某换流站阀冷却系统为例进行缺陷统计，总缺陷数为16项，则具体缺陷分布比例如表1所示。

根据表1所示数据，只能初步得知阀冷冷却系统故障率主要集中在设备机械部分及传感器两方面，不能全面反映阀冷系统运行的可靠性数据，必须根据系统中每个抽样样本统计特征，并结合可靠性评估方法计算系统的可靠性。表2所列基本事件对应的故障概率数据来源于文献 ［7～10］，表示阀冷却系统中具体设备部件发生的故障概率。

3.2 故障树评定

根据FTA计算法，采用上行法或下行法很容易求得变压器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}

故障树最小割集共计23个，均为一阶最小割集。

由式 (2)可得阀冷却系统发生故障的概率为

由此可得阀冷却系统的可靠度为

表2 阀冷却系统故障树的基本事件及故障概率

若以阀冷却系统连续运转为计算，则系统可无故障工作1.18年。

4 结束语

本文基于故障树分析的方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FTA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，只要获得了阀冷却系统基本部件的故障规律、故障率数据，就可计算出每个子系统或设备对统可靠性指标的影响大小，为换流阀冷却系统的改进提供一些可靠性建议。

［1］ 国家电网公司.直流换流站2003～2010年单双极闭锁统计汇编 ［G］.2010.

［2］ 南方电网公司.南网直流阀冷系统运行情况 ［G］.2011.

［3］ 周家启，陈炜骏，谢开贵，等.高压直流输电系统可靠性灵敏度分析模型［J］.电网技术，2007，31(19):18-23.

［4］ 王 遂，任 震，蒋金良.混合法在高压直流输电系统可靠性评估中的应用［J］.电网技术，2007，31(12):42-46.

［5］ 刘远超.浅谈故障树分析方法及其在热电厂中的应用［J］.东北电力技术，2004，25(7):28-30.

［6］ 陈 刚.电力变压器典型故障及其演变［J］.东北电力技术，2002，23(4):5-8.

［7］ 刘惟信.机械可靠性分析 ［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［8］ 陈敏样.电动机寿命分布分析和可靠性估计 ［J］.电机与控制学报，1998，1(2):88-91.

［9］ 黄洪剑，林瑞光.无刷直流电机可靠性及其故障模式分析［J］.电机与控制学报，2000，4(4):198-201.

［10］ 褚庆忠.电机可靠性评估的若干问题 ［J］.防爆电机，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，硕士，工程师，从事高压直流输电技术，换流站运行维护工作。

2013-12-20)